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Cornell University
ドクター・スースの物語で空から降ってきたネバネバの物質から名付けられ、小学校の科学発表会ではどこにでもあるオーブルックは、コーンスターチを水に溶かしただけの濃い溶液である。 しかし、言うほど単純ではありません。
それは「非ニュートン」流体で、外からの力に対して思ったように反応しません。 強くかき混ぜればかき混ぜるほど濃くなり、かき混ぜることに抵抗するようになります。 ハンマーなどで強く叩くと、瞬時に粉々になるほど硬くなります。
YouTubeには、このベトベトで満たされたプールを走って渡る人の動画がたくさんあります。 足が表面を打つ圧力によって、液体はランナーを支えるのに十分なほど厚くなります。
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現在、物理学者がその仕組みを説明することができます。
ある種の防護服は、ポリマー粒子を多孔質繊維にしみこませた溶液を使用しており、普段は柔軟ですが、弾丸の衝撃で固化します。
Decades of debate
液体中に粒子を浮遊させるという最も単純なシステムであっても、増粘のメカニズムについてはまだ議論があるようです。 1つは、固体粒子間の摩擦によって、流れに抵抗する構成にロックされるという説で、もう1つは、粒子が近くに押し出されると、粒子間の液体の排出による抵抗で動きが鈍くなり、粒子がクラスターにロックされるという説である。
この議論は、ナノスケールで起こっていることを直接観察する方法がないため、何十年も続いています。そこで、コーネル大学物理学准教授のイタイ・コーエンは、日常世界での挙動から、心の奥底で起こっていることを明らかにする実験を思いつきました。 この研究結果は Physical Review Letters に掲載されています。
What’s really happening
粒子の間から押し出された流体が動きを鈍らせているのだとしたら、剪断力を逆にすると、流体は再び流れ込む必要があるので、同じ抵抗が生じるだろうと研究者は推論しています。 その効果を観察するために、彼らは「せん断反転」を採用しました。これは、試験流体にプローブを挿入し、増粘するのに十分な時間だけせん断し、その後すぐに反転して反対方向に引っ張るという装置です。 彼らは、粒子の相互作用の影響を切り離すために、球状微粒子の「実験室級」サスペンションを使用しました。
実験の結果、引き戻す抵抗はごくわずかであることがわかりました。 これは、粒子が集まるときに液体が流れ出し、分離するときに戻ることはあるが、結果として生じる力は実際の増粘抵抗を考慮に入れていないことを意味する。 接触力が支配的であるため、粒子間の摩擦がせん断増粘の主要なメカニズムです。
「根本的なメカニズムを知ることで、これらの流体をよりうまく処理する工業プロセスを設計でき、微粒子の摩擦を調整することで流体の特性を『調整』できます」と、論文の第一著者で大学院生の Neil Lin 氏は述べています。 効果を調整するもうひとつの方法は、ナノ粒子の濃度を変えることで、「これで、回すべきノブが2つできました」
エジンバラ大学の研究者が、この研究の共著者です。 全米科学財団がこの研究を支援しました。