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on 2021-08-26

액체 방울이 회전할 경우 와 뜨거운 기름에 방울 추진

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새로운 모델은 내부 유체 흐름의 패턴이 오일의 자체 추진 물방울이 선형 또는 곡선 궤적을 따르는지 여부를 제어한다는 것을 보여줍니다 .

체 환경을 통해 스스로를 추진하는 유체 방울은 예를 들어 의약품 화물을 운반하는 마이크로 로봇과 같은 생물 의학 응용 분야를 가질 수 있습니다. 연구원들은 표면 장력에 의해 구동되는 자체 추진 액적을 생성했지만, 액적의 방향과 속도를 제어하는 메커니즘을 여전히 이해하지 못하고 있습니다. 이제 일본 교토 대학의 Masatoshi Ichikawa와 동료들은 자체 추진 물방울이 선형 또는 곡선 궤적을 취하게 하는 조건을 분석했습니다[ 1 ].

팀은 60에서 800 사이의 물방울을 연구했습니다. 알 수 없는 노드 유형: 글꼴계면활성제가 포함된 오일을 통과할 때 가로질러 m. 각 액적의 표면에 계면활성제 분자의 불균등한 분포가 표면 장력 구배를 생성하는 마랑고니 효과의 결과로 액적이 움직입니다. 연구원들은 더 큰 방울이 더 작은 방울보다 더 단단히 구부러진 경로를 따르는 경향이 있음을 발견했습니다.

이 차이의 원인을 이해하기 위해 Ichikawa와 동료들은 액적 표면의 계면활성제 농도를 설명하는 3D 모델을 만들었습니다. 그들은 또한 작은 추적자 입자의 경로를 관찰하여 액적의 내부 흐름을 연구했습니다. 그들은 이 흐름을 방사형, 쌍극자 및 사중극자 운동을 포함하여 각 액적에 존재하는 여러 패턴의 유체 운동의 합으로 특성화했습니다. 이러한 움직임 패턴은 각 액적의 고르지 않은 계면활성제 분포에 의해 생성된 표면 장력 구배에 의해 결정되었습니다. 차례로, 그러한 패턴은 물방울이 움직이는 방식을 제어했습니다. 특히, 팀은 액적 내 쌍극자와 4극 흐름 사이의 각도 차이가 더 구부러진 액적 궤적과 강한 상관 관계가 있음을 발견했습니다. 더 큰 액적에서는 이 각도가 더 쉽게 변경되었으며, 촘촘하게 휘어진 궤적을 만들어낸다. 연구자들은 이 기본적인 메커니즘이 아메바의 수영 행동에도 영향을 미칠 수 있다고 말합니다.

자체 추진 액적은 마이크로 로봇 또는 자체 청소 표면을 개발하는 데 사용할 수 있습니다. 그러나 지금까지 발견된 대부분의 액적 추진 방법이 초당 몇 밀리미터의 속도에 도달하기 때문에 사용이 제한적입니다. 이제, 빅터 훌리오 레온과 매사 추세 츠 공과 대학의 Kripa 바라나시는 10cm / s의 [정도의 속도로 방울을 추진, 약 백 배 빠른 방울을 이동하는 방법을 보여 주었다 1 ]. 예를 들어, 연구자들은 물질 축적 및 손상을 피하기 위해 표면에서 염과 같은 오염 물질을 신속하게 제거하는 방법을 개발하는 데 관심이 있기 때문에 이러한 속도 향상은 청소에 유용할 수 있습니다.

그들의 실험에서 Leon과 Varanasi는 얇은 오일 필름으로 덮인 가열된 고체 표면에 몇 밀리미터 너비의 물방울을 떨어뜨렸습니다. 그런 다음 그들은 고속 카메라로 물방울의 움직임을 포착하고 영상을 분석했습니다. 듀오는 증착 후 물방울이 즉시 무작위 방향으로 움직이기 시작하는 것을 관찰했습니다.

VJ 레온과 KK 바라나시 [ 1 ]

뜨거운 기름막으로 코팅된 표면에 놓인 물방울은 10cm/s 정도의 속도로 자체 추진될 수 있습니다.

그들의 영상에서 Leon과 Varanasi는 오일 온도와 액적 점도를 포함한 많은 요인이 액적의 속도에 영향을 미친다는 것을 관찰했습니다. 그들은 또한 액적의 한쪽에서 수증기가 분출되는 추진 메커니즘을 결정했습니다. 그들은 각각의 물방울이 뜨거운 기름을 때릴 때 수증기 기포가 물방울-기름 경계면의 한 지점에서 형성되기 시작하여 물방울을 빠져나간다는 것을 발견했습니다. 후속 기포는 첫 번째 기포 근처에서 형성되는 경향이 있어 액적 뒤에 단일 증기 흔적이 형성되어 이를 선호하는 방향으로 밀어냅니다. 그들이 한 또 다른 관찰은 물방울이 기름 표면과 접촉을 유지하여 증기가 한 방향으로 분출하는 것을 돕고 물방울의 빠른 속도에 기여했다고 합니다.

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