流体力学のパラダイム シフト
チューリッヒ – 何世紀にもわたって、固体と液体の基本的な区別は明確でした。固体は壊れ、液体は流れます。しかし、チューリッヒ工科大学 (ZPI) の研究者らによる画期的な発見は、この基礎原理に疑問を投げかけています。細心の注意を払って制御された一連の実験で、科学者らは、通常の液体が特定の力を受けると、固体材料に通常伴う突然の鋭い破壊を伴ってばらばらになることを観察した。
権威ある雑誌Nature Physicsに今週掲載されたこの研究結果は、流体力学について長年保持されてきた仮定を覆すものである。 ZPI の筆頭著者で材料科学教授のレナ・ペトロワ博士は、この現象は驚くべきものであると同時に非常に重要なものであると述べています。 「張力がかかると液体は薄くなり、伸び、最終的には液滴や流れに分離するということを私たちは常に理解していました」とペトロワ博士は火曜日の記者会見で説明した。 「液体が、まるで脆いプラスチックや金属の一部であるかのように、ほぼ瞬時に突然裂けるのを見ると、これらの日常的な物質の内部力学を完全に再考する必要があります。」
液体の隠れた亀裂を明らかにする
ZPI のチームは、100,000 フレーム/あたりのイベントをキャプチャできる超高速カメラと組み合わせた特注のレオメーターを使用して、この前例のない観察を達成しました。 2番目。彼らは、高粘度の液体、特に独自のポリ（ジメチルシロキサン）ブレンドと粘度が 100,000 センチストークス (cSt) を超える高分子量シリコーン オイルに焦点を当てました。液体は幅わずか 50 マイクロメートルのマイクロ流体チャネルに引き込まれ、100 キロパスカル (kPa) を超える急速に増加する引張力を受けました。
「私たちが見たのは、私たちが期待していた徐々にくびれたり薄くなったりするものではありませんでした」とペトロバ博士はスローモーション ビデオを表示しながら詳しく説明しました。 「代わりに、臨界応力点では、きれいな破断線が液体中を伝播し、明確に定義された 2 つの異なる表面が形成されました。これは信じられないほど正確で、ほとんど外科的でした。」破壊はわずか数マイクロ秒で起こり、従来の意味で液体が変形したり流動したりする時間はありませんでした。この急速な分離は、結合が引き伸ばされて再配置されるのではなく、平面全体で破壊される固体で見られる脆性破壊を非常に模倣しています。
粘性ツイスト: 古いパラダイムへの挑戦
重要なことに、ZPI チームは、直感的に推測されるように、このスナップ動作は弾性によって引き起こされるものではないと判断しました。弾性とは、変形後に元の形状に戻る材料の能力であり、液体と固体の両方の特性を示すゴム状固体または粘弾性流体によく関連する特性です。代わりに、ペトロバ博士の研究は、粘度、つまり液体の流れに対する抵抗が主な要因であると指摘しています。
「私たちのモデルは、これらの高粘度の液体では、急速で激しい伸びが起こると、分子が流れて再配列するよりも早く、内部の分子の摩擦と絡み合いによって応力が蓄積されることを示唆しています」と、このプロジェクトの共著者で理論物理学者のカイ・バーグマン博士は述べています。 「本質的に、液体は分子レベルで『詰まり』状態になり、力が大きくなりすぎると構造が壊滅的に破壊され、スムーズな分離ではなく破壊につながります。これは粘性による脆性破壊であり、これまで真の液体では不可能と考えられていた概念です。」この発見は、応力下での継続的な変形と流れを主に予測する流体力学の古典的な理解に根本的に疑問を投げかけます。
研究室を超えて: 現実世界への影響
この発見の意味は、研究室の範囲をはるかに超えています。先端製造業から生体医工学に至るまでの業界では、材料の扱い方や加工方法に大きな変化が見られる可能性があります。たとえば、高粘度ポリマーの押出、特殊なコーティングの塗布、液体樹脂による精密 3D プリントなどのプロセスも、この新しい理解に基づいて最適化または再設計できる可能性があります。
「糸引きを残さずに微量の液体を正確に分離する必要があるマイクロ流体工学のシナリオや、ポリマー ジェットの正確なブレークポイントを制御することで前例のない解像度が得られる積層造形のシナリオを想像してみてください。」とペトロバ博士は示唆しました。 「これはまた、極度の圧力下でのマグマの挙動や特定の体液の動態などの自然現象を理解するための新たな道を切り開きます。」この液体破壊を予測し、潜在的に制御できる能力は、目的に合わせた破壊特性を備えた新規材料の開発や、より効率的な工業プロセスにつながる可能性があります。
流体力学の今後
ZPI チームは現在、複雑な懸濁液やエマルションを含む広範囲の液体を調査し、この破壊現象に対する温度と圧力の影響を調査するために研究を拡大しています。彼らはまた、実際に行われている複雑な分子相互作用を完全に捉えるための、より洗練された理論モデルを開発することも計画しています。この発見は重要なマイルストーンであり、科学者に物質の基本理論を再検討するよう促し、新しいクラスの材料工学につながる可能性があります。
