3Dプリントされた界面活性粒子はマランゴニ効果を利用して自動運転を実現できる

2024年12月9日、Antarctic Bearは、オランダのアムステルダム大学の物理学者が3Dプリント粒子を開発したことを知りました。適切な燃料が与えられれば、これらの粒子はマランゴニ効果を利用して流体の表面を移動することができます。
研究チームは「界面における3Dプリントのマランゴニ駆動型アクティブ粒子」と題する論文をarXivにオンラインで公開した。

関連論文リンク: https://arxiv.org/abs/2411.16011
図 1: マランゴニ推進粒子の設計コンセプト、製造プロセス、推進メカニズム: a) 粒子の概念設計断面。 b) 3D 設計、G コードスライス、最終設計の 3D 印刷のプロセス。 c) 粒子は蛍光標識された燃料を放出し、表面上を自走します。 d) 単一出口の 50% エタノールによって駆動された粒子の軌跡。色は粒子の瞬間速度を示します。 e) パネル d と同じですが、色は瞬間角速度の大きさを示します。 f) 10%、15%、20%、30%、50%のエタノール燃料濃度を使用した単一出口粒子軌跡（n = 3）。 g) 燃料の種類間の表面張力の関係。 h) 異なるエタノール濃度における速度分布。 i) 異なるエタノール濃度における角速度分布。 (画像出典: arXiv)
マランゴニ効果の作用
マランゴニ効果は、周囲の流体よりも表面張力が低い液滴が、混ざるのではなく流体の表面に広がるときに発生します。よくある例としては、アルコールが水に広がって蒸発するというものがあります。研究者たちはこの現象を利用して、アルコールを燃料として放出することで自ら推進できる粒子を設計した。
粒子は直径約1センチの中空の氷球に3Dプリントされました。中が空洞になっているため浮力があり、各粒子の内部にはアルコールが満たされた「燃料タンク」が含まれています。粒子を水に入れると、小さなピンホールからアルコールが徐々に抜け出し、粒子を前方に押し出す連続的な拡散運動が生まれます。
図 2: 水面における粒子の相互作用。 a) 疎水性粒子は表面で互いに引き合いますが、活性粒子は他の粒子を避け、反発することがあります。同時に、疎水性の壁が粒子をはじきます。 b) 変形可能なインターフェースによって接続された 2 つの粒子の側面図 (チェリオス効果)。 c) 最初は異なる位置にあった複数のテスト中の 2 つの粒子間の距離。 d) 粒子相互作用の実証。上部の粒子は柔軟なカンチレバーに取り付けられており、下部の粒子は剛性のある（黒い）カンチレバーを使用して所定の位置に固定されています。最初は、動かない粒子が十分に近づくと、互いに付着します。燃料を注入して上部の粒子を活性化すると、粒子は流体力学的作用によって互いに反発します。最終的に、運動性が衰え、燃料が使い果たされると、チェリオスの力が再び優勢になり、粒子は互いに引き合います (補足ビデオ 3 を参照)。 e) マランゴニ流れと反発の開始の可視化。下の粒子は通電されず、その位置に固定され、一方、上の粒子はカンチレバーに取り付けられ、0.1% フルオレセイン染料を含む 30% エタノール水混合物を使用して通電されました。
実験結果<br /> 実験によれば、アルコール濃度が高くなるほど、粒子の移動速度は最大毎秒6cmまで速くなることが分かっています。研究者らはまた、燃料が尽きるまでに粒子が最大500秒間移動できることも発見した。研究者らは、より大きな粒子についてもテストした。そこでは、複数の粒子間の相互作用により「チェリオ効果」が生み出され、個々の粒子が互いに引き合い、ミルクの中のシリアルの塊のように一緒に動くことが分かった。
図 3: マルチボディアクティブ Cheerios システムのダイナミクス。上部と下部は、それぞれ 2 つ以上の粒子を使用した実験を表します。 a) 30% エタノールで駆動する粒子の t = 16 秒での稼働寿命、t = 29 秒での封じ込め境界への接近、および t = 42 秒での組み立て状態の例。 b) エタノール濃度10%、15%、20%、30%、50%の燃料の最終組み立て時間。 c) 組み立て前と組み立て後の 10% エタノール燃料モーターの分離距離 (ds) と時間の動きをプロットします。 d) 組み立て前と組み立て後の 30% エタノール燃料モーターの分離距離の動きと時間をプロットします。 e) 閉じ込めリング内の 3 つの活性粒子 (比率 6:1) が、収容リングの周りを移動し、接続されたトラックに集まります (補足ビデオ 5 を参照)。 f) 特殊なデュアルアウトレット設計を使用した 11 粒子システムの移動と集約、初期の完全にコンパクトな構成、放出、移動、および複数の粒子グループへの最終的な組み立て。
潜在的な用途<br /> 研究者らは、3Dプリントされた自己推進粒子が環境および産業用途の新たな解決策につながる可能性があると述べている。例: •環境洗浄:これらの粒子は、液体の表面から汚染物質を収集または除去するのに役立ちます。 • 化学コーティング:粒子は化学物質を流体の表面に均一に分散させることができるため、従来の混合方法に代わる方法となります。
図 4: エンジニアリングの進歩のための多粒子構造。 a) 蛍光燃料を使用した単一出口設計。 b) 異なるエタノール濃度における単一出口粒子の平均速度。 c) 蛍光染料を含むキラル粒子。 d) 異なるエタノール濃度におけるキラル粒子の角速度。 e) モジュール構造の概略図。 f) (i)直線運動、(ii)曲線運動、(iii)軸回転、(iv)非軸回転のための異なるモジュール粒子の組み合わせの配列。

付加製造によるイノベーション<br /> この研究は、環境と動的に相互作用できる複雑で機能的なデザインを作成する上での 3D プリントの汎用性を強調しています。研究チームは、付加製造と物理学の基本原理を組み合わせることで、環境科学から工業処理に至るまでのさまざまな分野で新たな応用への扉を開いています。

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