[論文レビュー] Dynamic Contact Angle of a Soft Solid

Stefan Karpitschka, Siddhartha Das+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 20, 2014

Surface Modification and Superhydrophobicity参考文献 2被引用数 1

ひとこと要約

本稿では、液体のドロップがソフトな基板上を動く際、変形した固体内に鋭い移動性リッジを動的に生成することで移動することを提案している。このリッジの向きは接触線速度に依存する。水をシリコーンゲル上に置いた実験と、 rheology に基づく理論を通じて、著者たちは動的接触角を定量的に予測し、リッジ形成と剥離によるスティックスリップ運動を説明し、ソフトマターおよびマイクロレオロジー応用分野における新たな知見を提供する。

ABSTRACT

Liquid drops on soft solids generate strong deformations below the contact line, resulting from a balance of capillary and elastic forces. The movement of these drops may cause strong, potentially singular dissipation in the soft solid. Here we show that a drop on a soft substrate moves by surfing a ridge: the initially flat solid surface is deformed into a sharp ridge whose orientation angle depends on the contact line velocity. We measure this angle for water on a silicone gel and develop a theory based on the substrate rheology. We quantitatively recover the dynamic contact angle and provide a mechanism for stick-slip motion when a drop is forced strongly: the contact line depins and slides down the wetting ridge, forming a new one after a transient. We anticipate that our theory will have implications in problems such as self-organization of cell tissues or the design of capillarity-based microrheometers.

研究の動機と目的

• キャピラリティと弾性力が強い変形を引き起こすソフト基板上での液体ドロップの動的挙動を理解すること。
• ソフト固体上でのドロップ運動に伴う散逸およびスティックスリップ運動のメカニズムを説明すること。
• 実験的および理論的アプローチを用いて、接触線速度の関数としての動的接触角を定量的に特定すること。
• 基板の rheology と接触線下での移動性濡れリッジ形成を結びつける理論を構築すること。
• 細胞組織の自己組織化やキャピラリティを用いたマイクロレオロメーターへの応用が可能なフレームワークを提供すること。

提案手法

• 高分解能の基板変形像を用いて、シリコーンゲル上に置かれた水のドロップの動的接触角を測定する。
• ドロップの運動中に、接触線の下に鋭い移動性リッジが形成されることを観察する。
• 基板の rheology をもとに、接触線速度の関数としてリッジの形状と向きを記述する理論的モデルを構築する。
• このモデルを用いて動的接触角を予測し、実験データと定量的に比較する。
• 接触線が剥離し、新しいリッジを再形成する条件を分析し、スティックスリップ運動を解明する。
• リッジダイナミクスがエネルギー散逸およびキャピラリティ力と弾性力のバランスに与える影響を関連付ける。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 接触線速度がソフト固体内の変形リッジの形状と向きにどのように影響するか？
• RQ2 基板の rheology がソフト固体上でのドロップの動的接触角を決定づける役割を果たすか？
• RQ3 濡れリッジの形成と剥離が、ドロップの拡散におけるスティックスリップ運動をどのように引き起こすか？
• RQ4 弾性力およびキャピラリティ力に基づく理論的モデルが、ソフト基板上での動的接触角を定量的に予測できるか？
• RQ5 リッジダイナミクスの結果が、細胞組織やマイクロレオロジー装置などのソフトマター系に与えるインパクトは何か？

主な発見

• ソフト基板は、移動する接触線の下に鋭い移動性リッジへと変形し、その向きは接触線速度に依存する。
• 基板の rheology をもとにした理論により、動的接触角が定量的に予測され、実験測定値と一致する。
• 接触線が剥離し、リッジを滑り降りる際にスティックスリップ運動が生じ、その後一時的に新しいリッジが再形成される。
• リッジ形成メカニズムにより、高速度極限において特異的となる強い散逸が説明できる。
• 理論は、Viscoelastic 物質におけるキャピラリティ駆動のダイナミクスを理解するためのフレームワークを提供する。
• 結果は、生物学的自己組織化やキャピラリティを用いたマイクロレオロメーターの設計への広範な応用可能性を示唆する。