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蜂蜜やその他の高粘度の液体は、特別に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Maja Vuckovacらによってなされました。彼らは、この直観に反する効果が、より粘性のある液滴内の内部流れの抑制に起因することも示しました。彼らの結果は、超疎水性の毛細管内で液体がどのように流れるかについての現在の理論モデルと直接矛盾しています。
マイクロ流体工学の分野では、毛細管の密閉された領域を通る液体の流れの制御が行われます。これは通常、医療用途のデバイスの製造に使用されます。低粘度の流体は、素早く簡単に流れるため、マイクロ流体工学に最適です。より粘度の高い流体は、高圧で駆動することで使用できますが、繊細な毛細管構造の機械的ストレスが増加し、故障につながる可能性があります。
あるいは、エアクッションを捕捉するマイクロおよび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は液体と表面の間の接触面積を大幅に減少させ、その結果摩擦が減少し、流量が 65% 増加します。しかし、現在の理論によると、これらの流量は粘度の増加とともに減少し続けます。
Vuckovac氏のチームは、超疎水性の内部コーティングを備えた垂直毛細管から重力によって引かれるさまざまな粘度の液滴を観察することによって、この理論を検証した。液滴が一定の速度で移動するとき、液滴は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。
開いたチューブ内では液滴は粘度と流量の間に予想される逆の関係を示しましたが、一方または両方の端が密閉されている場合、ルールは完全に逆転しました。その効果はグリセロール液滴で最も顕著でした。粘度は水より 3 桁高いにもかかわらず、水の 10 倍以上の速さで流れました。
この効果の背後にある物理学を明らかにするために、Vuckovac のチームは液滴にトレーサー粒子を導入しました。時間の経過に伴う粒子の動きにより、粘性の低い液滴内に速い内部流れが明らかになりました。これらの流れにより、流体がコーティング内のマイクロ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、液滴の下の加圧空気が圧力勾配のバランスをとるために絞り出されることを防ぎます。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く、その流れが阻害されます。これにより、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。
彼らの観察を利用して、チームは、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適切に予測する最新の流体力学モデルを開発しました。さらなる研究により、彼らの発見は、複雑な化学物質や薬物を処理できるマイクロ流体デバイスを作成する新しい方法につながる可能性があります。
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