滑りやすい自然の上で水滴がどのように集まるか

Jun 03, 2023

水、血液、油などの液体を完全にはじく表面は、工学および材料科学における長年の探求です。 このような材料は、水の採取から食品加工、生物医学技術に至るまで、幅広い用途に役立ちます。 研究者がこれらの機能を備えた材料の開発を進めてきたとしても、そのような表面上で流体が正確にどのように動作するかは依然として不明のままです。 Nature Communications に掲載された最近の論文では、研究者らは、油を含浸させた表面上で水滴がどのように合体するのかを初めて説明しています。

10年以上前、米国とフランスの研究グループは、自然界に見られるメカニズムにヒントを得て、液体をはじく表面を考案するための新しいアプローチを独自に提案した。 彼らのアイデアは、基材の表面に微細な構造を付加し、全体をオイルでコーティングするというものでした。 多孔質のテクスチャーは毛細管力でオイルを所定の位置に保持し、水やその他の液体の液滴が欠陥のない表面から付着することなく滑り落ちます。 「これらには、非常に有望な特性がたくさんあると報告されています」と、現在コーネル大学で材料科学の大学院生であり、この研究の筆頭著者である Haobo Xu 氏は述べています。 しかし同時に、これらの滑りやすい表面上での液滴の挙動の物理学は十分に研究されていないとも言う。 ミシガン大学（アナーバー）とオハイオ州立大学（コロンバス）の研究者らによる最近の論文は、液滴がどのように正確に収束するかを説明している。 彼らは、液滴が互いに接近して形成されるが、完全には接触していない場合、間に油でできた湿潤隆起を形成することを発見しました。 この隆起は液滴間の引力を促進し、液滴を引き寄せて融合させます。

「私たちの研究は、2つの液滴がどのように合体するかを示しています」と、機械エンジニアのソロモン・アデラ氏が所長を務めるミシガン州のエネルギー輸送研究所（ETL）の大学院生、イーミン・チョウ氏は言う。 注目すべきことに、油でコーティングされた加工された表面では、他の疎水性材料よりも水滴がより速く結合することが研究グループによって発見されたと彼女は言う。 「潤滑された表面は結露の速度を高める可能性があります」と Zhou 氏は付け加えます。

その特性により、この材料は結露や水の収集を伴う用途にとって魅力的な候補となる、と彼女は言います。 たとえば、蒸気駆動の発電所では、沸騰した水が蒸気を生成し、その蒸気がタービンを回転させて電気を生成します。 蒸気は集められ、凝縮され、液体に戻されます。 新しい材料が凝縮器に使用されれば、工場は使用済み水をより迅速に回収でき、おそらくシステムの効率が向上すると彼女は言います。 この材料は、「特に飲料水があまりない乾燥地域では」、空気中から水を採取する装置にも使用される可能性があると周氏は言う。 油を注入した材料は、細菌を含む材料が容器の側面に付着するのを防ぐため、食品の加工や保管にも役立ちます。

最初の油含浸表面は、フランスの物理学者デヴィッド・ケレによる 2005 年の論文に登場しました。 2011年、ハーバード大学ウィス生物インスピレーション工学研究所を拠点とするグループは、食虫植物の食虫植物が獲物を捕らえる方法にヒントを得た材料を開発した。 この植物は罠を覆う滑らかな物質を分泌し、不運な昆虫は水差しの底にある消化液に滑り込みます。 彼らはそのデザインを、滑りやすい液体が注入された多孔質表面にちなんで「SLIPS」と名付けました。 もう一方のグループは、同様に表面に小さな空洞を設けて油を閉じ込める設計について説明した。 どちらの場合も、液滴は引っかかることなく簡単に滑り落ちました。

セントルイスのワシントン大学の機械エンジニアであるパトリシア・ワイセンシー氏は、熱流体研究グループを率い、この材料を研究している。 彼女のグループや他の研究者らは、油が染み込んだ表面を飛沫がどのように飛び回るのかを示した。 「凝結中は、微細な液滴であっても互いに引きつけ合い、表面に非常に強い動きを引き起こします」と彼女は説明します。

ミシガン州の研究者らは、このプロセスについてさらに詳しく知りたいと考え、まず基板上に直径 10 マイクロメートル未満、高さ 30 マイクロメートル未満の小さなシリコン柱のアレイを作製することで材料を作成しました。 表面をシリコンオイルの薄い層でコーティングしました。 次に、直径約 1 ミリメートルの液滴を 2 つ、約 2.8 ミリメートルの間隔で配置し、撮影を開始しました。 研究者らは、油が接触点で各液滴の周囲に湿潤隆起を形成し、2 つの液滴の間で湿潤隆起がより高く盛り上がっていることを観察しました。