[論文レビュー] Dynamics of Coalescence-Induced Jumping Water Droplets

Nenad Miljkovic, Daniel J. Preston+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 10, 2013

Surface Modification and Superhydrophobicity参考文献 4被引用数 4

ひとこと要約

本研究は、高速撮影および外部電界を用いて、超親水性ナノ構造表面における凝縮誘発跳躍液滴の挙動を調査した。液滴が飛翔する際に正に帯電していることが明らかになった。これにより、複数回の跳躍が可能となり、蒸気の巻き込みによって表面に戻る現象や、互いに電気的反発を示すことが確認された。これらの知見は、凝縮熱伝達および自己清掃応用の向上に重要である。

ABSTRACT

This fluid dynamics video shows the different interaction mechanisms of coalescence-induced droplet jumping during condensation on a nanostructured superhydrophobic surface. High speed imaging was used to show jumping behavior on superhydrophobic copper oxide and carbon nanotube surfaces. Videos demonstrating multi-jumping droplets, jumping droplet return to the surface, and droplet-droplet electrostatic repulsions were analyzed. Experiments using external electric fields in conjunction with high speed imaging in a custom built experimental chamber were used to show that all coalescence-induced jumping droplets on superhydrophobic surfaces become positively charged upon leaving the surface, which is detailed in the video.

研究の動機と目的

• 初期飛翔以降のナノ構造超親水性表面における凝縮誘発跳躍液滴のダイナミクスを理解すること。
• 飛翔後の挙動、例えば複数回の跳躍、表面への再付着、電気的相互作用を調査すること。
• 飛翔液滴の帯電状態を特定し、液滴同士の相互作用に与える影響を解明すること。
• 蒸気の流れによる巻き込みが、重力に逆らって液滴の軌道を逆転させる役割を果たすメカニズムを解明すること。
• 外部電界が液滴の運動および帯電極性に与える影響を評価すること。

提案手法

• 1000 fpsで撮影した高速ビデオ撮影により、超親水性CuOおよびカーボンナノチューブ（CNT）表面における液滴凝縮、飛翔、飛翔後のダイナミクスを記録した。
• カスタム環境チャンバを用いて、飽和水蒸気状態（約2.7 kPa、26 °C）を維持し、定常的凝縮を実現した。
• 5倍光学ズームおよび68mmの延長チューブを備えた拡大レンズシステムにより、平面外の液滴軌道を高倍率で高解像度で撮影した。
• 銅線電極（±30 V）を用いて外部電界を印加し、液滴の帯電および電気的相互作用を調査した。
• プラズマ増強蒸着法により、30 nmのフルオリネートポリマー被膜を均一に付与し、超親水性を実現した（前進接触角～124°、後退接触角～113°）。
• 外部電界下での液滴の運動方向から帯電状態を推定した。正電圧印加時における反発は、液滴に正のネット電荷が存在することを確認した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 凝縮誘発跳躍液滴は、表面から離脱した後、複数回の跳躍を繰り返すことができるか？
• RQ2 飛翔後に重力に逆らって表面に戻る原因は何であるか？
• RQ3 跳躍液滴はネット電荷を獲得するのか？その極性は何か？
• RQ4 液滴同士の電気的反発が、飛行ダイナミクスにどのように影響するか？
• RQ5 外部電界は液滴の運動および帯電状態にどのように影響するか？

主な発見

• 超親水性CuOおよびCNT表面における跳躍液滴は、飛翔後に複数回の跳躍を繰り返すことができ、凝縮に伴うエネルギーの持続的放出を示している。
• 液滴が重力に逆らって表面に戻るのは、凝縮する蒸気が巻き込まれ、上向きの合力を生じるためである。
• 凝縮誘発跳躍液滴はすべて正に帯電しており、正電極に近づけると反発、負電極に近づけると吸引するという挙動から確認された。
• 飛行中、液滴同士の間で電気的反発が観察され、近接した液滴同士が互いに避け合うように分離した。
• 複数回の液滴飛翔において、表面からの分離時に一貫した帯電極性が観察された。これは、超親水性表面からの分離時に普遍的な帯電機構が働くことを示している。
• 高速撮影により、蒸気の流れのダイナミクスが局所的に上向きの運動量を生じさせ、水平配置でも液滴の戻りが発生することが明らかになった。