液滴クラスター

液滴クラスターは、局所的に加熱された薄い（約1 mm）水層の上に、通常六角形の秩序構造に配列された微小液滴の自己組織化浮遊単層です。液滴クラスターは、類型的にはコロイド結晶に似ています。この現象は2004年に初めて観察され、^[1]それ以来広範囲に研究されてきました。^{[2] [3]}

成長中の凝縮液滴は、通常直径が 0.01 mm ～ 0.2 mm で、平衡高さで浮上します。この高さで、液滴の重量は、加熱されたスポット上を上昇する気体蒸気ジェットの抗力によって平衡状態になります。同時に、液滴は加熱されたスポットの中心に向かって引きずられますが、液滴間のガス流による空気力学的反発圧力によって、合体せず、整然とした六角形 (最も密に詰まった) パターンを形成します。スポットは通常、レーザー光線または他の熱源によって 60 °C ～ 95 °C に加熱されますが、この現象は 20 °C をわずかに上回る温度でも観察されています。^[4]浮上高さと液滴間の距離は、液滴の直径と同じオーダーです。^[5]

上昇ジェット中の微小液滴間の空気力学的な力の複雑な性質により、液滴は合体せずに、水呼吸像、コロイドやダスト結晶、泡、レイリー・ベナール細胞、そしてある程度は氷結晶など、自己組織化が顕著な様々な古典的および新しく発見された物体との類似性を示す最密充填六角形構造を形成します。液滴は、上昇する蒸気ジェットの温度と強度が最も高い加熱領域の中心近くに詰まります。同時に、液滴間には空気力学的な反発力があります。その結果、クラスターは反発力に依存する液滴間の特定の距離で、最も密に詰まった形状（六角形のハニカム構造）に詰まります。^[5]

温度と温度勾配を制御することで、液滴の数、密度、サイズを制御することができます。赤外線照射を使用すると、液滴の成長を抑制し、長期間にわたって安定させることができます。^[6]

この現象は、液滴内容物の分光分析と組み合わせることで、迅速な生化学の現場分析に使用できることが示唆されている。^[7]最近の研究では、クラスターは約20℃の低温でも存在できることが示されており、これは生物の生化学分析に適している。^[4]

任意の数の液滴からなるクラスターを作成することができます。多数の液滴からなるクラスターとは異なり、小さなクラスターは必ずしも六角形の対称構造を形成できるわけではありません。代わりに、液滴の数に応じて、さまざまな対称的な構成が生成されます。小さなクラスター内の個々の液滴を追跡することは、潜在的なアプリケーションにとって重要です。これらの構成の対称性、秩序性、安定性は、ボロノイエントロピーなどの自己組織化の尺度を使用して研究できます。^[8]

最も一般的な六角形（ハニカム形状）の液滴クラスターが2004年に初めて観察されて以来、新しいタイプの浮遊液滴クラスターが発見されました。 チェーン液滴クラスターでは、回転する液滴は互いに非常に接近している可能性がありますが、液滴間の薄いガス層の粘性により、液滴が合体するのを防ぎます。 整然とした六角形のクラスターからチェーンのような構造への可逆的な構造遷移があります。^[9]階層的なクラスターは、静電力によって制御される相互作用を持つ小さな液滴のグループで構成され、空気力によって制御されるより大きな構造に結合されます。 液滴の集合体は継続的に再構築され続けます。 液滴は永久に再配置され続けるため、この現象は「決定論的カオス」（ローレンツアトラクター）に似ています。^[10]水層の表面で熱毛細管（TC）の流れを抑制する界面活性剤がない場合、リング状のクラスターが形成されます。^[11]小さなクラスターは4回、5回、7回の対称性を示すことがあるが、これは大きなドロレットクラスターやコロイド結晶には見られない。小さなクラスター構成の対称性特性は普遍的であり、つまり、液滴のサイズや液滴間の相互作用の詳細に依存しない。小さなクラスターの対称性はADE分類または単純化されたディンキン図に関連している可能性があるという仮説が立てられた。^[12]

液滴クラスターの現象はライデンフロスト効果とは異なります。なぜなら、後者は固体表面上でははるかに高い温度で発生するのに対し、液滴クラスターは液体表面上ではより低い温度で形成されるからです。この現象は水以外の液体でも観察されています。

• ライデンフロスト効果
• レイリー・ベナール対流
• セルフアセンブリ

• ビデオ: 加熱された水面上に浮かぶ水滴の塊
• 液滴クラスター
• ビデオ: 液滴クラスター