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蜂蜜やその他の高粘度液体は、特殊コーティングされた毛細管内を水よりも速く流れます。この驚くべき発見は、フィンランドのアアルト大学のマヤ・ヴコヴァツ氏とその同僚によってなされました。同氏はまた、この直感に反する効果は、より粘性の高い液滴内の内部流動の抑制から生じることも示しました。彼らの結果は、超疎水性毛細管内を液体がどのように流れるかに関する現在の理論モデルと真っ向から矛盾しています。
マイクロ流体工学の分野では、通常、医療用デバイスの製造のために、毛細管の狭隘な領域を通る液体の流れを制御します。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。より高圧で駆動すれば、より粘性の高い流体も使用できますが、これにより、繊細な毛細管構造に機械的ストレスが増大し、故障につながる可能性があります。
あるいは、空気クッションを閉じ込めるマイクロ構造とナノ構造を含む超疎水性コーティングを使用して流れを加速することもできます。これらのクッションにより、液体と表面の接触面積が大幅に減少し、摩擦が軽減されて流れが 65% 増加します。ただし、現在の理論によると、これらの流量は粘度が増加すると減少し続けます。
ヴコヴァック氏のチームは、超疎水性の内部コーティングが施された垂直の毛細管から重力によって引き出されるさまざまな粘度の液滴を観察することで、この理論を検証した。液滴が一定速度で移動すると、その下の空気が圧縮され、ピストン内の圧力勾配に匹敵する圧力勾配が生じる。
開いたチューブ内では、液滴の粘度と流量の間に予想どおり逆の関係が見られましたが、片側または両方の端が密閉されると、その法則は完全に逆転しました。この効果はグリセロール液滴で最も顕著で、水よりも 3 桁も粘度が高いにもかかわらず、水よりも 10 倍以上速く流れました。
この効果の背後にある物理的メカニズムを解明するため、ヴコヴァツ氏のチームは液滴にトレーサー粒子を導入しました。時間とともに粒子が動くことで、粘性の低い液滴内に高速の内部流れがあることが明らかになりました。これらの流れにより、流体は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します。これによりエアクッションの厚さが減少し、液滴の下の加圧された空気が圧力勾配のバランスをとるために押し出されるのを防ぎます。対照的に、グリセリンには知覚できる内部流れがほとんどないため、コーティングへの浸透が抑制されます。その結果、エアクッションが厚くなり、液滴の下の空気が片側に移動しやすくなります。
研究チームは、観察結果を活用して、さまざまな超疎水性コーティングを施した毛細管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最新の流体力学モデルを開発しました。さらに研究を進めることで、彼らの発見は、複雑な化学物質や薬品を取り扱うことができるマイクロ流体デバイスを作成するための新しい方法につながる可能性があります。
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