[論文レビュー] The role of surface elasticity in liquid film formation: unifying Frankel and Landau-Levich-Derjaguin configurations

Lorène Champougny, Benoît Scheid+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 19, 2014

Fluid Dynamics and Thin Films被引用数 1

ひとこと要約

本論文は、表面弾性効果を組み込むことで、Landau-Levich-Derjaguin（ドロップコーティング）とFrankel（石鹸膜引き上げ）の両配置を統合する2つの流体力学的モデルを提案する。実験的膜厚データが両配置で一貫して適合できることを示し、Langmuirトレウチの独立した測定と照合することで、表面弾性係数が一意に一致することを実証している。

ABSTRACT

The behavior of thin liquid films is known to be strongly affected by the presence of surfactants at the interfaces. The detailed mechanism by which the latter enhance film stability is still a matter of debate, in particular concerning the influence of surface elastic effects on the hydrodynamic boundary condition at the liquid/air interfaces. In the present work, twin hydrodynamic models neglecting surfactant transport to the interfaces are proposed to describe the coating of films onto a solid plate (Landau-Levich-Derjaguin configuration) as well as soap film pulling (Frankel configuration). Experimental data on the entrained film thickness in both configurations can be fitted very well using a single value of the surface elasticity, which is in good agreement with independent measurements by mean of surface expansion experiments in a Langmuir through. The analysis shows how and when the soap films or dip coating experiments may be used to precisely and sensitively measure the surface elasticity of surfactant solutions.

研究の動機と目的

• 液体/空気界面における表面弾性が流体力学的境界条件に与える影響について、継続的な議論を解決すること。
• 薄膜形成におけるLandau-Levich-DerjaguinおよびFrankel配置を結びつける統一的理論的枠組みを確立すること。
• 両配置からの実験的膜厚データが、単一の表面弾性パラメータで一貫して適合できることを示すこと。
• 抽出された表面弾性係数が、Langmuirトレウチを用いた独立した表面拡張実験による測定と整合することを検証すること。

提案手法

• 界面への界面活性剤輸送を無視する2つの流体力学的モデルの開発。表面弾性効果にのみ焦点を当てる。
• ドロップコーティング（Landau-Levich-Derjaguin）と石鹸膜引き上げ（Frankel）という2つの異なる実験的配置へのモデルの適用。
• 両配置における膜厚の実験データに、単一の表面弾性パラメータを用いてフィッティング。
• フィッティングされた表面弾性係数を、Langmuirトレウチを用いた表面拡張実験で得られた独立した測定値と比較。
• 液体/空気界面における流体力学的境界条件に表面弾性を組み込み、膜形成ダイナミクスをモデル化。
• 両実験的設定が表面弾性を測定する上で、感度および精度に与える影響の評価。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 表面弾性は、薄膜形成における液体/空気界面の流体力学的境界条件にどのように影響を与えるか？
• RQ2 単一の表面弾性係数が、ドロップコーティングと石鹸膜引き上げの両実験における膜厚を一貫して記述できるか？
• RQ3 Landau-Levich-DerjaguinおよびFrankel配置は、表面弾性測定においてどの程度互換性を持つのか？
• RQ4 これらの実験的設定は表面弾性に対してどの程度感度が高く、信頼性を持って測定に用いることができるか？
• RQ5 流体力学的フィッティングから得られた表面弾性係数は、表面拡張実験による独立した測定と整合的か？

主な発見

• 単一の表面弾性係数が、Landau-Levich-DerjaguinおよびFrankel両配置における膜厚の実験データに優れた適合を示した。
• 流体力学的フィッティングから抽出された表面弾性係数は、Langmuirトレウチを用いた独立した測定と良好に一致した。
• 統一モデルは、ドロップコーティングと石鹸膜引き上げの両実験が、界面活性剤溶液の表面弾性を測定する感度と精度に優れた方法であることを示した。
• 表面弾性は流体力学的境界条件に顕著な影響を与え、膜厚の正確な予測には不可欠である。
• フィッティング結果と独立した測定の整合性は、理論的枠組みおよび表面弾性が膜安定性に果たす役割を裏付けた。
• 本研究は、共通の表面弾性パラメータを介して、2つの異なる実験的配置の間の定量的関係を確立した。