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Aug 06, 2023

広げるか滑らせるか？ 科学者たちは、どのようにしてそれを実現するのかを明らかにします

柔らかい材料がプレートで広がる様子を読み解く 首都大学東京 画像: プレートの速度を上げると、泡は均一に広がるのではなく、液体のシートの上を漂います。

柔らかい素材を板で広げる仕組みを読み解く

首都大学東京

画像: プレートの速度が増加すると、泡は均一に広がらず、液体のシート上を漂います。 さらに高速になると、薄い泡の痕跡が残ります。もっと見る

提供：首都大学東京

東京 – 首都大学東京の研究者らは、泡が表面に広がる仕組みの背後にある物理学を解明しました。 平らな基材上に置かれた発泡体のボールをプレートでこすり落とし、観察した。 彼らは、競合する物理現象によって支配される、削る速度に強く依存するさまざまなパターンを特定しました。 彼らの発見は、パンの上のマヨネーズから壁の断熱材まで、表面に均一に広げる必要があるあらゆる種類の柔らかい素材に当てはまります。

シェービングフォーム、壁の断熱フォーム、またはトーストに塗るマーガリンのいずれであっても、平らな表面に柔らかい材料を塗り広げることは、実用的な日常的な観点と工業プロセスの最適化の両方の観点から重要なプロセスです。 しかし、発泡体の拡散挙動、特に平らなブレードやプレートが発泡体をどのようにして表面全体にこすり落として層にするかについては、驚くべきことにほとんど知られていない。

これに触発されて、首都大学東京の栗田玲教授率いる研究者らは、何が起こっているのかを詳しく調査することにした。 彼らは、平らな面に洗剤の泡の小さなドームを作り、アクリル板でそれをこすり落とし、板と表面の間の距離を一定に保つように注意しました。 プロセス全体はビデオカメラで詳しく観察されました。 興味深いことに、プレートの速度を変えると、泡の広がり方がまったく変わること、また泡の中の液体が表面に対してどの程度親和性があるか、つまり親水性（水を引き寄せる）か疎水性（水をはじく）であるかを発見しました。水）。

疎水性の表面では、低速の掻き取り速度でフォームが均一に広がり、元のドームと同じ幅の長いセクションが作成されます。 しかし、速度が上昇すると、泡は広がらず、流体の薄い層の上を表面に沿って流れていきます。 プレートはその後にほとんど泡を残さずに移動します。 最後に、彼らが試した最高速度では、拡散状態が戻りましたが、今度は泡の尾部の幅が元のドームよりも薄くなりました。 一方、親水性の表面では、最初の状態の痕跡はありませんでした。

2 つの表面間に見られる違いにより、チームは「湿潤」の効果、つまり泡内の液体が表面を覆うかどうかに焦点を当てるようになりました。 彼らは、低速領域の外観に焦点を当て、疎水性の表面では、液体が「脱湿する」傾向があるため、泡を構成する洗剤の膜が表面に固着する傾向があることを発見しました。 浮かび上がってくる写真は、プレートの移動に伴ってフォームがドームから徐々に広がっていく様子です。 ただし、表面を濡らすのに十分な速さでフォームが押し込まれると、フォームの基部に潤滑層ができます。 プラトー境界とも呼ばれるフォームの壁は、基材をつかんで所定の位置に固定できなくなります。 これが、より高速なプレートがドームがもともとあった場所に泡の薄い部分を残しますが、残りの部分を液体の薄い層の上に押し広げて、液体の痕跡だけを残す理由です。 調査では、プレートの速度だけでなく、ギャップ幅とプレートの厚さの影響も調査しました。

研究チームの発見は、日常の現象のあまり知られていない部分に光を当て、フォームだけでなく、塗料、保護コーティング、マヨネーズなど、幅広い軟質材料に重大な潜在的な影響を与える可能性がある。

この研究は、JSPS 科研費番号 20K14431、17H02945、および 20H01874 の支援を受けました。

コロイド界面科学ジャーナル

10.1016/j.jcis.2023.07.023

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