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蜂蜜などの高粘度液体は、特殊なコーティングを施した毛細管内では水よりも速く流れる。この驚くべき発見は、フィンランドのアールト大学のマヤ・ヴコヴァック氏らが行ったもので、彼らはまた、この直感に反する効果は、より粘性の高い液滴内部での内部流動の抑制に起因することも明らかにした。彼らの研究結果は、超疎水性毛細管内での液体の流れに関する現在の理論モデルと真っ向から矛盾する。
マイクロ流体工学の分野は、毛細管の狭い領域を通して液体の流れを制御することを目的としており、通常は医療用途のデバイスの製造に用いられます。低粘度の流体は、素早く容易に流れるため、マイクロ流体工学に最適です。高粘度の流体は、より高い圧力で駆動することで使用できますが、繊細な毛細管構造に機械的ストレスが増大し、破損につながる可能性があります。
あるいは、マイクロ構造やナノ構造を含む超疎水性コーティングを用いて流れを加速させることもできる。このコーティングは空気のクッションを閉じ込める。これらのクッションは液体と表面との接触面積を大幅に減少させ、その結果摩擦が低減し、流量が65%増加する。しかし、現在の理論によれば、これらの流量は粘度の上昇とともに減少し続ける。
ヴコヴァック氏のチームは、超疎水性の内層コーティングを施した垂直毛細管から重力によって引き出される様々な粘度の液滴を観察することで、この理論を検証した。液滴は一定の速度で移動するにつれて、その下の空気を圧縮し、ピストン内の圧力勾配に匹敵する圧力勾配を生み出す。
液滴は、開いたチューブ内では粘度と流量の間に予想通りの逆相関関係を示したが、片側または両端を密閉すると、その法則は完全に逆転した。この効果はグリセロール液滴で最も顕著であり、グリセロールは水よりも3桁も粘度が高いにもかかわらず、水の10倍以上の速さで流れた。
この効果の背後にある物理現象を解明するため、ヴコヴァック氏のチームはトレーサー粒子を液滴に導入した。時間の経過に伴う粒子の動きから、粘度の低い液滴内部に高速な内部流が存在することが明らかになった。これらの流れによって、液体がコーティング内のマイクロスケールおよびナノスケールの構造に浸透する。これにより、空気層の厚さが減少し、液滴の下にある加圧された空気が圧力勾配を均衡させるために押し込まれるのを防ぐ。一方、グリセリンには目立った内部流がほとんどなく、コーティングへの浸透が阻害される。その結果、空気層が厚くなり、液滴の下の空気が片側に移動しやすくなる。
研究チームは、観察結果に基づいて、さまざまな超疎水性コーティングを施した毛細管内を液滴がどのように移動するかをより正確に予測できる、改良された流体力学モデルを開発した。さらなる研究が進めば、この発見は、複雑な化学物質や薬剤を扱うことができるマイクロ流体デバイスを開発する新たな方法につながる可能性がある。
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