非ニュートン流体の物理学が宇宙飛行士の命を救うかもしれない

高校生のときにやったことがあるかもしれない実験があります。コーンスターチを水と混ぜてかき混ぜると、液体のように振舞います。しかし、素早くこすったり、強く叩いたりすると、固まって固体になります。適切なペースで走れば、コーンスターチの水たまりの上を走ることもできます。この現象はせん断力による粘稠化と呼ばれ、科学者たちは何十年もの間、その仕組みを解明しようとしてきました。

ここで、ただの水とコーンスターチを混ぜたときの濃さの違いをご覧ください。

クレジット: コーエン研究所

主な理論は 2 つあり、どちらが正しいのかを解明することで、セメント、防弾チョッキ、脳震盪防止ヘルメット、さらには宇宙服などの製造方法に影響を与える可能性があります。

一般的な理論では、これはすべて、溶液中の液体と粒子の流体力学 (流体がどのように移動するかという性質) によるものだとされています。粒子がどんどん接近するにつれて、その間から液体を絞り出すのが難しくなります。最終的には、それ以上液体を絞り出すのが難しくなり、粒子は流体力学的なクラスターに固まりますが、まだ薄い液体の膜で隔てられています。その後、粒子は一緒に動き、混合物が濃くなり、固体を形成します。

もう 1 つの考え方は、摩擦などの接触力が粒子を互いに固定するというものです。この理論では、力が加えられると、粒子は実際に接触します。せん断力と摩擦によって粒子が押し付けられ、溶液がより固くなります。

「論争は激しく、私たちはどちらか一方に決定的な結論を出す方法を考えようと頭を悩ませてきました」とコーネル大学の物理学者イタイ・コーエン氏は言う。彼と彼のチームは最近、ずり粘稠化の主原因が摩擦であることを示唆する新しい実験を行った。

彼らは、いわゆる流れ反転実験を行うことにしました。彼らは、液体で満たされた皿に円錐を入れ、円錐を回転させるために必要なトルクを測定しました。ずり粘稠化が始まると、円錐を回転させるのが難しくなります。その後、彼らは突然回転方向を反転させます。その考え方は、接触力がずり粘稠化の原因である場合、回転が反転した瞬間に粒子がお互いから飛び出し、トルクの大きさが即座に低下するだろうというものです。流体力学的クラスターがずり粘稠化の主な原因である場合、トルクは低下しないはずです。

問題は、その力をすぐに測定しなければならないが、効果を確認できるほど速く測定できる機械がなかったことだ。そこでコーエンのチームはMITのギャレス・マッキンリーと提携し、データをより速く取得できるように機械を改造した。彼らが作った単純な解決策をテストしたところ、流れを逆転させた後に力に特徴的な低下が見られた。さらにモデル化を進めると、摩擦が接触力として作用している可能性が示唆された。

「私たちは興奮で頭がくらくらしています」とコーエン氏は言う。彼の研究結果は本日、 Physical Review Letters誌に掲載された。

「これは素晴らしい研究だ」とニューヨーク市立大学で流体力学を研究する化学エンジニアのジェフリー・モリスは言う。しかし、彼はコーエンの研究結果がすべてのずり粘稠化流体に一般化できるわけではないと指摘する。「彼らは摩擦が彼らのシステムに対する正しい説明であることを示したと思うが、他のシステムについてはケースバイケースでテストする必要があるかもしれない」と彼は言う。

デラウェア大学の化学エンジニアであるノーマン・ワグナー氏は、このような摩擦相互作用の研究は重要だと述べているが、コーエン氏のチームが摩擦を直接測定していないため、完全に納得しているわけではないと指摘している（彼らはモデル化から摩擦であると推測したが、粒子間の摩擦の正確な測定値は見つけられなかった）。また、この分野には、ずり粘稠化の原因として流体力学的クラスターを強く示唆するデータがすでにたくさんあるとも述べている。

しかし、研究者たちは、ずり粘稠化の正確な原因が解明されれば、その応用範囲は広範に広がるだろうと同意している。「この現象を引き起こすメカニズムが分かれば、粒子の特性を調整して変化させることができます」とモリス氏は言う。人々は、その混合物で何をしたいかに応じて、固くなるか流動性を維持するかのいずれかの混合物を設計できるだろう、と彼は言う。

たとえば、壁にペンキを吹き付​​けたり、ローラーで塗ったりしても、ペンキが固まらないようにしたいとします。研究者たちは、ペンキがずり粘度が上がらないように設計しなければなりませんでした。同じことはセメントにも当てはまり、セメントは固まることなく高速で流し込む必要があります。一方、ずり粘度を上げる流体は、衝撃で硬化し、体のより広い部分に力を分散させる防弾チョッキを作ることができるとワグナーは言います。これにより、刺し傷や爆発時に空中に飛び散る破片などから兵士、警官、救急隊員を守ることができます。

コーンスターチと水の混合物がハンマーで叩かれて固まり、その後液体に戻る様子をご覧ください。

クレジット: コーエン研究所

「兵士を守れるのなら、宇宙飛行士も守れるはずだ」とワグナー氏は言う。ワグナー氏と彼のチームは、NASA の資金援助を受けて、微小隕石やその他の破片が宇宙服を突き破らないように宇宙服を改良するプロジェクトに取り組んでいる。また、ヘルメットやすね当てのパッドを作る技術も開発し、アスリートを有害な衝撃からより効果的に守っている。さらに、医療従事者に現行の手袋と同じ器用さを与えつつ、偶発的な針刺しに対する保護を強化した、突き刺し防止手袋も開発中だ。

「とてもエキサイティングな分野です」とワグナー氏は言う。彼はロボットや電力を使わずに、自動的に人を守る素材を設計することに非常に興味を持っている。それは素材本来の物理的性質に過ぎない、と彼は言う。「私たちは自然をうまく利用して、私たちを守るような反応を起こさせることができます。」