負圧の謎を解く：光波と音波の二重の力

科学者たちは、液体を光ファイバーに封入することにより、負圧下での液体の変成を研究する革新的な方法を開発しました。この技術は、光と音波を使用して圧力を測定する簡単な方法を提供し、熱力学と化学反応における新しい発見への道を開きます。物理量としての圧力は、気象学における気圧、医学における血圧、日常生活における圧力鍋や真空パック食品など、さまざまな分野に存在します。

液体で満たされたガラス毛細管の芸術的な印象。科学者は、光ファイバーに液体をカプセル化することで、音波をセンサーとして使用して負圧の影響を観察および測定しました。画像出典：©LongHuyDao

圧力は、固体、液体、または気体の表面に垂直な単位面積あたりの力として定義されます。閉鎖系における力の方向に応じて、極端な場合、非常に高い圧力は爆発反応を引き起こす可能性があり、一方、閉鎖系内の非常に低い圧力はシステム自体の爆縮を引き起こす可能性があります。

過圧とは常に、空気を追加すると膨張する風船のように、気体または液体が容器の壁を内側から圧迫することを指します。高圧、低圧に関わらず、通常の状態では圧力の数値は常に正になります。

しかし、液体には特別な性質があります。負圧値に応じて特定の可変状態で存在することができます。この変化する状態では、たとえ小さな外部の影響でも、システムが何らかの状態に崩壊する可能性があります。ジェット コースターの上に座っているようなものだと考えてください。片側または反対側に軽く触れただけで、コースから急落してしまいます。

現在の研究では、科学者たちは負圧下での液体の変成を研究しています。この目的を達成するために、研究チームは 2 つの独自の技術を組み合わせてさまざまな熱力学的状態を測定し、Nature Physics に発表した研究を発表しました。

まず、完全に密閉された光ファイバー内に微量 (ナノリットル) の液体がカプセル化されており、高い正圧と負圧の両方を持たせることができます。その後、液体中の光と音波の特別な相互作用を通じて、液体のさまざまな状態における圧力と温度の影響を高感度に測定できます。音波は負の圧力値を検出するセンサーとして機能し、この物質のユニークな状態を高精度かつ詳細な空間分解能で探索します。

（左から右へ）研究チームリーダーのビルギット・スティラー氏と研究室のアンドレアス・ガイレン氏、アレクサンドラ・ポップ氏。画像出典: ©FlorianRitter、MPL

負圧の影響と測定手法

負圧が液体に及ぼす影響は次のように想像できます。熱力学の法則によれば、液体の体積は減少しますが、指に水滴が付着するのと同じように、液体はガラス繊維毛細管内の付着力の影響を受けます。これにより、液体が「伸びる」ことになります。ゴムバンドが引き伸ばされるように、液体は引き離されます。

この異常な状態を測定するには、多くの場合、高度な機器と高度な安全対策が必要です。高圧は危険な作業であり、特に有毒な液体を扱う場合には危険です。この研究で研究者らが使用した二硫化炭素は、そのような液体の 1 つです。この複雑さのため、負圧の生成と測定に使用されていた以前の測定装置は、広い実験室スペースを必要とし、定常状態のシステムに障害を引き起こすことさえありました。

この記事で説明されている方法を使用して、研究者たちは、光と音波を使用して非常に正確な圧力測定を行うことができる小型でシンプルなデバイスを開発しました。この目的に使用される光ファイバーは髪の毛ほどの太さしかありません。

研究者のコメント

「新しい測定方法を新しいプラットフォームと組み合わせると、一般的な確立された方法では調査するのが難しいいくつかの現象が驚くほどアクセスしやすくなります。これは非常に興味深いことだと思います。」とMPLの量子光音響研究グループの責任者であるビルギット・スティラー博士は述べています。研究チームは、光ファイバーに沿った温度、圧力、ひずみの変化を検出するために、非常に感度の高い音波を使用しました。さらに、空間分解能の測定が可能です。つまり、音波はファイバー内で何が起こっているかをその長さに沿ってセンチメートルレベルの分解能で画像を提供できることを意味します。

「私たちの方法により、このユニークな光ファイバーシステムの熱力学的依存関係をより深く理解できるようになります」と、この論文の筆頭執筆者2人のうちの1人、アレクサンドラ・ポップ氏は述べた。

別の筆頭著者であるアンドレアス・ガイレン氏は、「測定により、いくつかの驚くべき効果が明らかになった。音波の周波数を見ると、負圧状態の観察が非常に明確になる。」と付け加えた。

潜在的な用途と結論

光音響測定としっかりと密閉された毛細管ファイバーを組み合わせることで、研究が困難な材料やマイクロリアクター内での有毒液体の化学反応のモニタリングにおける新たな発見につながる可能性があります。それは、熱力学の新たなアクセス不可能な領域に浸透する可能性があります。

IPHT JenaのMarkus Schmidt教授と同じくIPHT JenaのMario Chemnitz博士は、「完全に密閉された液体コアファイバーのこの新しいプラットフォームにより、高圧やその他の熱力学環境へのアクセスが可能になります。このファイバーの非線形光学現象を研究したり、さらにカスタマイズしたりすることは非常に有意義です。」と強調しています。

これらの現象は、材料の独特な熱力学的状態において、これまで探究されていなかった潜在的な新しい特性を解き放つことができます。

ビルギット・スティラー氏は、「エアランゲンとイエナにある私たちの研究グループは、それぞれの専門知識を活かして独自に協力し、小型で操作が簡単な光学プラットフォーム上で熱力学プロセスと状態についての新たな洞察を獲得しています。」と結論づけています。