功刀資彰 工学研究科教授、米本幸弘 熊本大学助教らの研究グループは、平らな固体物質の表面上に衝突した液滴の濡れ拡がり面積を、定量的に予測する理論式を導き出すことに成功しました。固体面上に衝突する液滴の挙動は一見単純そうですが、固体表面の粗さや液体の流体運動、固体と液体表面間の濡れ性（液体の付着しやすさ）等といった様々な要素が影響し合い、複雑な様相を呈します。これまで世界中の研究者が実験、理論や数値解析的観点から濡れ拡がり面積の定量予測に挑んできましたが、衝突速度が遅い領域の予測は実現できていませんでした。
本研究成果は、2017年5月24日午後6時に英国の学術誌「Scientific Reports」に掲載されました。
研究者からのコメント
近年、インクジェット技术を用いた半导体基板のナノスケールの回路作成技术が注目を浴びていますが、ナノスケールの现象の観察には高额な実験装置が必要になり、また、数値解析による予测では専门的な技术を必要とします。本研究の成果は、简易的な方法で衝突后の液滴の最大濡れ拡がり面积を予测できるため、効率的な回路设计等の実现が期待できます。
概要
固体表面への液滴の衝突は、インクジェット、自动车エンジンのインジェクターやスプレー冷却など数多くの工业分野で见られる现象であり、衝突后の液滴の最大濡れ拡がり面积は、製品の质や装置の効率を大きく左右する重要なパラメーターです。液滴の最大濡れ拡がり面积は、液滴の性质や、液滴がぶつかる速度、固体の性质でも异なります。例えばぶつかる先がガラスかテフロン加工の素材かでも最大濡れ広がり面积が异なってきます。濡れやすいか、はじきやすいかといった液体の付着しやすさを「濡れ性」と言います。
固体表面上に付着した液滴の濡れ性は、简単には、接触线（気体、液体、固体の叁つの相が接している线）での水平方向の力学的バランス式（ヤングの式＝接触线を起点として液体表面の接线方向に掛かる表面张力と、固体表面に沿う、液体内部侧と外部侧に掛かる表面张力の钓り合い式）により特徴づけられますが、垂直方向に関しては固体との反力により钓り合うとされ、无视されます。
従来の衝突液滴の最大濡れ拡がりに関する理论検讨では、主に接触线の水平方向のバランス式のみを考虑したものが多く、広范囲の衝突速度条件での液滴最大濡れ拡がり面积を予测する関係式はありませんでした。特に衝突速度が遅い场合の最大濡れ広がり面积は误差が大きく、また、速度が遅い场合について正确に予测する别の式では、速度が上がると误差が生じるといった欠点がありました。
そこで本研究グループは、今まであまり検讨されてこなかった接触线での垂直方向の表面张力に着目し、固体表面上に衝突する液滴のエネルギーバランスを検讨しました。その际、衝突时の液滴内部で生じる流体运动によるエネルギーの粘性散逸（流れの运动エネルギーが流体分子の衝突等（分子粘性）により热エネルギーに変换され、消失すること）に関する従来法の取り扱いの欠点を见直すことで、新しい理论式を导出しました。新しく导かれた理论式は、シリコンゴムや超拨水基板といった様々な种类の固体基板と液滴间の衝突时の最大濡れ拡がり面积を定量的に予测できる可能性を示しました。さらに、ミリサイズの液滴だけでなくマイクロサイズの液滴へも适用できることも确认しました。
図：シリコンゴム基板上に衝突する液滴の撮影画像
それぞれの落下开始地点の高さは、（补）锄＝10尘尘、（产）锄＝100尘尘、（肠）锄＝700尘尘。高さが高い（速度が大きい）ほど最大濡れ拡がり面积は大きくなる。
详しい研究内容について
书誌情报
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Yukihiro Yonemoto, Tomoaki Kunugi (2017). Analytical consideration of liquid droplet impingement on solid surfaces. Scientific Reports, 7, 2362.
