日常的に流れる流体で目に見えるこの効果は、ナノメートルよりも小さいスケールで発生する可能性があるという研究結果です。シンクの底でポツポツと落ちる水滴は、個々の分子の揺れによって発生する可能性があります。蛇口からちょろちょろと水が流れ落ちるような液体の流れは、落下するにつれて液滴に分離します。庭のホース、ティーポット、噴水などで見られるこの現象は、液体分子の振動に起因する可能性があると、物理学者のダニエル・ボン氏らはPhysical Review Letters誌に掲載予定の論文で主張しています。
研究者たちは、これらの液体ジェットを深く理解しようとした。「私たちはジェットのささやきを聞き出す存在です」とアムステルダム大学のボン氏は語る。「ジェットは液滴に分裂しますが、私たちはそれがいつ、どのように、そしてなぜ起こるのかを知りたかったのです。」ボン氏によると、液滴への分裂は、インクジェット印刷や喘息吸入器から発生するミストなど、様々な用途において重要な意味を持つという。
レイリー・プラトー不安定性と呼ばれる概念が、この分裂プロセスの背後にある。この不安定性により、噴流の水面に小さな隆起や波紋が生じ、表面張力によって水流が分裂するまで成長する。
しかし、この最初の波紋の起源は不明だった。ノズルの欠陥や外部からの衝撃が原因だとされることもある。「私たちはたいてい、手を振りながら『どこかから何か音がする。隣のオフィスで誰かがくしゃみをした』と言います」と、英国コベントリーにあるウォーリック大学の応用数学者、ジェームズ・スプリトルズ氏は語る。同氏は今回の研究には関わっていない。ジェットの分裂の原因を解明するため、ボン氏らはジェットを用いた実験を実施した。その数は膨大で、数えるなら158個にも上る。「最も印象的な点の一つは、彼らが行う実験の範囲の広さです」とスプリトルズ氏は語る。
研究チームは、粗いものから滑らかなものまで、ミクロンからミリメートルまで様々なサイズのノズルと、粘度、密度、表面張力の異なる様々な流体を含む、数十種類ものノズルを使用した。
また、装置を外部からの振動から遮断することも試みた。その結果、ノズルの品質はジェットの分裂距離に影響を与えないことがわかった。初期の擾乱に熱変動（熱による分子のランダムな揺れ）が含まれていれば、すべてのデータを説明できる。そして、そのデータから外挿すると、ジェット表面への最初の擾乱の大きさは約10分の1ナノメートルと推定された。これは、水分子の熱による揺れの典型的な大きさと一致する。
研究者たちは、噴流の水がどのように液滴に分離するかを理解するために、さまざまな実験を実行しました。ステファン・クーイ「この研究には非常に感銘を受けました」と、英国ブリストル大学の物理学者イェンス・エッガース氏は語る。エッガース氏は今回の研究には関わっていない。「問題を非常に多くの角度から考察し、あらゆる情報から本当に一貫した全体像が得られるのかどうかを検証しているのです。」この効果が熱によるものであることを考えると、液体の温度を変えることで崩壊に大きな影響を与えるはずだと予想されるかもしれません。
しかし実際には、予想される結果を大きく変えるほど温度を上げると、水が沸騰してしまいます。このような高温での実験には、溶融金属などの特殊な液体が必要になりますが、それ自体の特性は十分に理解されていないため、結論を導き出すのは困難です。そこで研究者たちは、温度をいじる代わりに、例えば表面張力の異なる液体を用いて熱変動の程度を変えるなど、他の特性を変化させました。小さな分子運動がキッチンシンクほどのスケールではっきりとわかるほど増幅されたことは驚くべきことだとエッガース氏は言う。