[論文レビュー] Dynamic mechanisms for apparent slip on hydrophobic surfaces

Eric Lauga, Michael P. Brenner|arXiv (Cornell University)|Feb 13, 2003

Minerals Flotation and Separation Techniques被引用数 1

ひとこと要約

本稿では、振動する固体表面がガスバブルを圧縮・拡散させ、『漏れだすマットレス』効果により流体力学的力を減少させることで、疎水性表面における見かけの粘性依存性スリップを説明する動的バブルモデルを提案する。このモデルは、原子間力顕微鏡測定と整合するナノバブルパラメータを用いて、朱とグランイックによる実験で観察された大きな、粘性依存性スリップを定量的に再現する。

ABSTRACT

Recent experiments [Y. Zhu and S. Granick, Phys. Rev. Lett. 87, 096105 (2001)] have measured a large, shear-dependent fluid slip at partially wetting fluid-solid surfaces. We present a simple model for such a slip, motivated by the recent observations of nanobubbles on hydrophobic surfaces. The model considers the dynamic response of bubbles to change in hydrodynamic pressure, due to the oscillation of a solid surface. Both the compression and diffusion of gas in the bubbles decrease the force on the oscillating surface by a leaking mattress effect, thereby creating an apparent shear-dependent slip. With bubbles similar to those observed by recent atomic force microscopy, the model predicts a force decrease consistent with the experimental measurements of Zhu and Granick.

研究の動機と目的

• 部分的に濡れる疎水性表面における実験的に観察された大きな、粘性依存性スリップを説明すること。
• マクロスケールの流体力学理論と疎水性界面における実験的スリップ測定値との乖離を解消すること。
• ナノバブルが動的圧力応答を通じて見かけのスリップを媒介する役割を調査すること。
• バブルダイナミクスと測定可能な流体力学的力の低減を結びつける物理的に整合性のあるモデルを構築すること。

提案手法

• 移動する固体表面からの振動する流体圧力に応じたナノバブルの動的応答をモデル化すること。
• 有効な垂直力の低減に寄与する主要メカニズムとして、バブルの圧縮とガス拡散を組み込むこと。
• エネルギー散逸がバブル変形とガス交換を通じて生じるための『漏れだすマットレス』アナロジーを用いて力の低減を説明すること。
• 時間依存的バブル応答を予測するために、標準的なガス拡散および圧縮性法則を用いること。
• 実際のナノバブル寸法を用いて、朱とグランイック（2001年）の実験的力測定値とモデル予測を一致させること。
• 原子間力顕微鏡観察から得られたナノバブルパラメータを用いてモデルを検証すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 疎水性表面における大きな、粘性依存性スリップは、どのような物理的メカニズムによって説明できるか？
• RQ2 ナノバブルは、動的圧力応答を通じて見かけのスリップをどのように媒介するか？
• RQ3 バブルの圧縮とガス拡散は、測定された流体力学的力の低減を説明できるか？
• RQ4 力の低減は、朱とグランイック（2001年）の実験データと整合的か？

主な発見

• 動的バブル応答による流体力学的力の著しい低減をモデルが予測し、見かけのスリップの実験測定と整合的である。
• バブルの圧縮とガス拡散によって駆動される『漏れだすマットレス』効果が、観察されたスリップの粘性依存性を説明する。
• 原子間力顕微鏡観察と一致するナノバブルパラメータを用いることで、モデルは実験で観察された力の低減の大きさを再現する。
• 振動圧力に応じたバブルの動的応答が、古典的流体力学理論では説明できない見かけのスリップの物理的根拠を提供する。
• 界面における気相反動のダイナミクスが、ナノスケールでの流体力学的相互作用を支配することが、モデルによって示された。