液滴が物体へ及ぼす「衝突力」の正体を解明 柔らかい材料上で“液滴”が“固体球”のように振る舞う転移を初実証~次世代3Dバイオプリンティングや塗布・洗浄の高度設計に新指針~

2026-01-26 東京農工大学

東京農工大学の研究チームは、柔らかい材料表面に落下する液滴が、衝突の際に受ける力が「慣性支配則」から固体球の衝突で知られる「Hertz則」へと連続的に移行する現象を世界で初めて実証しました。独自開発した高速光弾性トモグラフィで応力分布と衝突力を直接計測し、液滴粘性・慣性と基板弾性をまとめた統一指標Zを導入。多様な条件で得られたデータが単一のマスターカーブに一致することを確認し、衝突力を数値で設計できる地図を提示しました。この成果は、インクジェット印刷、塗布・洗浄、バイオプリンティングなどで、基板損傷を抑えつつ目的に応じた付着・広がり制御が可能になる新たな指針を提供します。本成果は学術誌 Nature Communications に掲載予定です。

液滴が物体へ及ぼす「衝突力」の正体を解明 柔らかい材料上で“液滴”が“固体球”のように振る舞う転移を初実証~次世代3Dバイオプリンティングや塗布・洗浄の高度設計に新指針~
図1 液滴衝突時の基板内応力場計測:柔らかい基板に衝突する液滴(各パネル上部)と、偏光カメラで捉えた光弾性計測データ(各パネル左下)、およびそれを解析して再構成した応力場(各パネル右下)の時間変化(単位ms(ミリ秒)、1000分の1秒)を示している。液滴の衝突から約0.1 ms後に、基板内に応力が広がっていき、液滴が平たくなる1.0 msには応力がほぼ消えていることが、光弾性法計測データ(応力を黄緑色で表示)とその解析結果(応力を赤色で表示)から読み取れる。(Yokoyama et al., Nature Communications, 2025を基に作成)

<関連情報>

弾性基材への液滴衝突力におけるスケーリング・クロスオーバー Scaling crossover in droplet impact force on elastic substrates

Yuto Yokoyama,Hirokazu Maruoka,Kaie Matsunuma & Yoshiyuki Tagawa
Nature Communications  Published:28 January 2026
DOI:https://doi.org/10.1038/s41467-025-67790-6

Abstract

Droplet impacts are fundamental to fluid-structure interactions, shaping processes from erosion to bioprinting. While previous scaling laws have provided insights into droplet dynamics, force scaling laws remain insufficiently understood, particularly for soft substrates where both the droplet and substrate deform significantly. Here, we show that droplet impacts on elastic substrates exhibit a scaling crossover in maximum impact force, transitioning from inertial force scaling, typical for rigid substrates under high inertia, to Hertzian impact scaling, characteristic of rigid spheres on elastic substrates. Using high-speed photoelastic tomography, we captured high-resolution dynamic stress fields and identified a similarity parameter governing the interplay between droplet inertia, substrate elasticity, and deformation time scales. Our findings redefine how substrate properties influence impact forces, demonstrating that droplets under high inertia-long thought to follow inertial force scaling-can instead follow Hertzian impact scaling on soft substrates. This framework provides practical insights for designing soft, impact-resistant materials.

0106流体工学
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