固体表面の液滴は長く静止するほど動き出しにくく、速く滑るほど摩擦が減る ―ナノスケールの表面欠陥が生む「摩擦の記憶効果」を解明―

2026-11-10 東京大学

東京大学と金沢大学の共同研究グループは、固体表面上の液滴において、静止時間が長くなるほど動き始めるために必要な摩擦力が増大する「摩擦の記憶効果」を実証し、その微視的メカニズムを解明した。研究では、分子構造を制御した自己組織化単分子膜で被覆した固体表面を用い、液滴の静止時間、滑り速度、表面分子構造と摩擦力の関係を精密に測定した。その結果、液滴の接触線が静止中に熱揺らぎによってナノスケールの表面欠陥に徐々に捕捉され、時間とともにピン止めが強まることを明らかにした。また、特定の表面では低速域において滑り速度が増すほど動摩擦が減少する現象も確認した。原子間力顕微鏡による表面解析と理論モデルを組み合わせ、静摩擦の時間依存性と動摩擦の速度依存性を統一的に説明した。本成果は、表面分子の設計による液滴の運動制御を可能にし、コーティング、インクジェット印刷、マイクロ流体デバイスなどの性能向上に貢献すると期待される。

固体表面の液滴は長く静止するほど動き出しにくく、速く滑るほど摩擦が減る ―ナノスケールの表面欠陥が生む「摩擦の記憶効果」を解明―
ナノスケールの表面欠陥による接触線のエイジングが生み出す液滴摩擦の履歴効果。拡大図は、静止時間とともに強まる接触線のピン止めを示す。

<関連情報>

接触線の経年変化によって引き起こされる履歴依存的な液滴摩擦 History-dependent droplet friction driven by contact-line aging

Yuanzhe Li, Yaerim Lee, Kaito Hayashi, +7 , and Junichiro Shiomi
Proceedings of the National Academy of Sciences  Published:November 9, 2026
DOI:https://doi.org/10.1073/pnas.2619504123

Abstract

The motion of liquid droplets on solid surfaces is commonly described by contact-line friction, which is generally assumed to increase monotonically with instantaneous velocity. However, such a velocity-only description cannot explain why static droplet friction can exceed dynamic friction or why contact-line friction can become velocity-weakening. Here, we demonstrate that contact-line friction depends jointly on sliding velocity and contact history. Using self-assembled alkylsilane monolayers as molecularly tunable substrates and ionic liquids as low-volatility model liquids, we observe pronounced history-dependent strengthening of contact-line friction on solid-like monolayers, manifested as time-enhanced static friction and velocity-weakening dynamic friction. Both effects are progressively suppressed as the surface is tuned toward a more liquid-like state with a lower density of pinning defects, either by reducing the monolayer chain length or by increasing temperature. We attribute this behavior to nanoscopic contact-line aging, whereby contact-line segments thermally fluctuate and progressively occupy interfacial defects, leading to a progressive increase in contact-line pinning. An aging-based model quantitatively captures the history-dependent onset friction and the low-velocity friction dynamics in our system, while similar logarithmic strengthening across diverse liquid–substrate systems suggests broader applicability of the constitutive framework. These findings establish the coupled effects of contact history and sliding velocity on contact-line friction, extending dynamic wetting beyond velocity-only descriptions and providing a physical basis for controlling macroscopic droplet transport through nanoscale interfacial design.

0704表面技術
ad
ad
ad
タイトルとURLをコピーしました