シリコーンオイルの液滴が表面張力に挑む：持続的な「ダンス」現象の解明

ローザンヌ連邦工科大学（EPFL）のソフトインターフェース工学研究所に所属する研究者チームは、流体力学の分野で画期的な成果を発表しました。彼らは、わずか1.6ミリメートルというサイズのシリコーンオイルの液滴が、振動する固体表面上で、驚くべきことに5分間、あるいはそれ以上の時間、跳ね返り続ける現象を実験的に実証したのです。この実験は室温で実施され、液体と固体との相互作用に関する従来の理解を大きく広げるものです。

この研究の重要な点は、先行研究で長時間の跳ね返りに必要とされていた振動する液体の浴槽ではなく、原子レベルで滑らかな雲母（マイカ）の固体プレートを支持体として使用したことです。研究チームは、液滴の挙動――まるでバスケットボールのようにリズミカルに跳ねるか、あるいは空気のクッションの上を素早く滑るか――が、振動の周波数と振幅の設定によって完全に制御されることを突き止めました。さらに、液滴自体の変形に基づいて跳ね返りの軌道を予測する「結合線形ばねモデル」を開発し、この発見に科学的な裏付けを与えています。この詳細な研究結果は、権威ある学術誌『Physical Review Letters』に掲載されました。

この現象は、高温の表面上で蒸気がクッションを作り出すライデンフロスト効果の運動学的（キネティック）な類似例と見なされています。しかし、このケースでは、固体基板の振動によって生じる運動エネルギーが、このマクロスケールでの現象を驚くほど長期間にわたって安定させています。特に注目すべきシナリオの一つとして、第二球面調和モードを励起した際、液滴が薄い空気層の上に固定される「束縛状態」に移行することが確認されました。この事実は、液体の内部構造と、自己変形する能力こそが、この制御された「ダンス」を持続させるための決定的な要因であることを示唆しています。

この画期的な発見が持つ実用的な価値は非常に大きく、特に製薬産業のような、極めて高い精度が求められる分野にとって計り知れません。汚染や蒸発のリスクなしに、微小な量の液体を空気中で操作できる可能性は、マイクロドージング技術の新たな開発経路を切り開きます。適用可能性を証明するため、EPFLの研究者たちは、圧縮空気の微細な噴流を「ピンセット」として利用し、液滴の横方向の動きを制御することに成功しました。これは、これらの微視的なプロセスを能動的に方向付けることが可能であることを明確に示しています。