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物性・原理

液体は固体上をどのように滑るのか ~機構解明により液体輸送に伴うエネルギー損失の低減に新たな指針~

 東京大学は2020年3月30日,同大学 生産技術研究所の田中 肇教授,黒谷 雄司博士課程大学院学生(研究当時)の研究グループが,固体の上を液体が流れるとき,ある流速を超えると液体が固体上でスリップするように見える「スリップ現象」の機構を解明した,と発表した.本研究の一部は独立行政法人 日本学術振興会の科学研究費助成を受けて行われ,成果はScience Advances誌のオンライン速報版で公開された(注).

 液体と固体表面とが関わる流動現象のモデル化では,液体が固体表面と接するところで流速を0とする「スリップ無しの境界条件」が良く知られている.一方,ある流速以上では固体表面上の流速が0でなくなる「スリップ現象」の存在も知られており,近年のナノテクノロジーの進歩により実験的な観察も行われるようになってきた.「スリップ現象」は,流体輸送のエネルギー損失低減に影響を及ぼす重要な要因である.これまで「スリップ現象」は,液体と固体の間に気体相が形成され,固体と液体の境界において速度に不連続が生じるとして説明されてきたが,液体相から気体相が生成するメカニズムは明らかではなかった.

 研究グループは,液体の粘性が密度に依存する場合は,流体の流れによるずり変形で密度に変化が生じ,密度揺らぎがずり変形により増大することに着目した.この密度揺らぎが,液体相から気体相の生成を助けるのではないかと予想したのである.従来のモデルでは,ずり変形は体積変化を伴わないとされ,流動に伴う密度の変化は考慮されていなかったが,本研究では,流動の基礎方程式に密度の熱揺らぎの効果を取り入れたモデルで数値解析が行われた.その結果,固体壁の近傍では流れがなくとも,壁の存在による非対称性の効果で液体密度の揺らぎ増大が見出された.これに流れが加わると密度の揺らぎがさらに増大し,ある流速以上で液体状態が不安定化し,スピノーダル分解的に気体と液体の相分離が起こって、固体壁表面に,気体相が形成されることが分かった.とくに,固体表面の気体相形成は固体表面の濡れ性にも影響され,液体より気体との濡れ性が良い場合に顕著になり,より低いずり変形率で「スリップ現象」が発生する.

 本研究で明らかにされた密度揺らぎによる固体表面における気体相の生成は,通常の水のような低粘性の液体では,非現実的なずり変形率でしか見られない.しかし,ガラス転位点近くの液体のように粘性の密度依存性が非常に強い場合には,実験可能なずり変形率においてスピノーダル分解型の気相生成が見られる可能性があり、今後の実験的研究が望まれるという.

 研究グループは,本研究の成果が,固体表面における液体の「スリップ現象」機構解明に貢献し,液体輸送に伴うエネルギー損失の低減に新たな指針を与えると期待している.

(注)Yuji Kurotani and Hajime Tanaka, "A novel physical mechanism of liquid flow slippage on a solid surface.", Science Advances, 27 March 2020:, Vol. 6, no. 13, eaaz0504, DOI: 10.1126/sciadv.aaz0504