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水晶振動子微量天秤(QCM)における濡れ性の影響を調査

Rensselaer Polytechnic Instituteの研究グループが、水晶振動子微量天秤(QCM)における濡れ性の影響を調査しました。

この研究成果は、Scientific Reportsに掲載されています。


この記事は下記論文の紹介記事です。

論文:

Murray, Brandon, and Shankar Narayanan. "The Role of Wettability on the Response of a Quartz Crystal Microbalance Loaded with a Sessile Droplet." Scientific Reports 9.1 (2019): 1-13.

https://www.nature.com/articles/s41598-019-53233-y


液滴は、燃料の燃焼、スプレー塗装、蒸発冷却、液滴マイクロフルイディクス、製造などの多くのアプリケーションで重要な役割を果たします。それらは、雨や結露などの自然に発生する現象においても重要です。液滴とさまざまな表面との相互作用、特にその動的濡れ挙動を理解することが不可欠です。

液滴の濡れ特性を調べる手法の1つに、水晶振動子微量天秤(QCM)が含まれます。

QCMを用いて計測は、広範囲の液種に対して実施されてきましたが、表面の濡れ性がQCMの応答にどのように影響するかは明らかではありません。特に、QCM応答における液滴の接触角と接触面積の役割の定量的比較が不足しています。


このような背景から、同研究グループはQCMの周波数応答における液滴の接触角と接触面積の役割を、実験でサポートされた詳細な計算モデリングを使用して決定しました。



今回開発した計算モデルは、さまざまな接触角と半径の液滴の周波数応答を予測できます。

解析の結果、液滴-QCM界面の応力プロファイルは、接触角が変化したときに顕著な違いを示します。ただし、応力プロファイルの変動は液滴の接触線領域に限定されており、液滴とQCMの界面にかかる全体的な応力に比べて目立ちません。したがって、QCMは接触角の変化を感知しないという特徴を持ちます。一方で、液滴径の変化には非常に敏感です。


液滴の接触角の変化を検知するために適した条件は、粘性減衰長δに依存することがわかりました。液滴の形状をδと比較することにより、QCMが検知できる接触角の範囲を推定することができます。


この研究により、QCMにおいて測定可能な接触角の範囲が判明しました。

大きな液滴の場合、QCM応答は主に液滴の半径に依存します。理論モデルから推察されたこの結果は、蒸発する液滴の可視化を使用して、実験で同様の結果を確認されました。

液滴がピンニングされている間は、接触角が低下してもQCM周波数の変化は観察されませんでした。ただし、蒸発中に液滴が後退するにつれて、共振周波数は大幅に増加しました。


この研究は、QCMの周波数応答における濡れ性の役割に関するより詳細な洞察を提供します。これにより、QCMからのデータを正確に解釈し、蒸発、凝縮、液滴拡散などのメカニズムを解明できると考えられます。


#QCM #液滴 #接触角


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