Kami telah menemukan fenomena untuk menghasilkan mikrojet supersonik. Jet ini memiliki bentuk yang terfokus (lihat gambar) dan dapat mencapai kecepatan maksimum 850 m/s (Mach lebih dari 2, diameter kurang dari 10 µm).  Kami mempelajari microjet ini dari sudut pandang mekanika fluida. Microjet ini mudah untuk direproduksi dan sudah menarik perhatian dari berbagai bidang  untuk digunakan sebagai injektor (suntikan) tanpa jarum dan alat pembersih skala mikro.

Jet yang dihasilkan dalam tabung kapiler 50 µm bergerak pada kecepatan supersonik lebih tinggi dari 340 m/s. Jet ini lebih kecil dari belalai nyamuk.

Diameter jet lebih kecil daripada belalai nyamuk, sehingga cocok untuk berbagai aplikasi. 

Suntikan tanpa jarum adalah perangkat yang dapat mengurangi masalah yang terkait dengan injektor jarum, seperti  luka tertusuk jarum dan trypanophobia. Dengan menggunakan microjet terfokus yang dikembangkan di laboratorium kami, kami telah membuktikan bahwa injeksi dapat dilakukan dengan tenaga yang jauh lebih kecil dibandingkan dengan injektor tanpa jarum konvensional (lihat gambar). Melalui kerjasama dengan Fakultas Pertanian di TUAT, kami juga telah berhasil melakukan injeksi tanpa jarum untuk kulit tikus dengan menggunakan microjet terfokus (lihat gambar).

Kami mengembangkan alat yang mampu mengeluarkan cairan yang sangat kental (10.000 kali lebih kental daripada air) dalam bentuk jet (lihat gambar). Perangkat ini memiliki mekanisme yang sangat sederhana sehingga dapat memiliki ukuran yang lebih kecil dan biaya yang lebih murah daripada perangkat yang sudah ada. Penemuan ini memungkinkan penembakan cairan yang sangat kental, yang selama ini sulit dilakukan dengan teknologi konvensional dan sangat diantisipasi untuk diterapkan dalam berbagai bidang teknologi seperti inkjet, injeksi tanpa jarum, dan pemasangan kabel logam. Hasil penelitian ini telah dipresentasikan pada banyak konferensi teknologi, seperti Innovation Japan dan acara lainnya (klik di sini untuk materi poster, dalam bahasa Jepang).

Benda cair dan benda padat dapat bergerak ketika diberi gaya (stress). Kami sedang mengembangkan metode baru untuk mengukur distribusi tegangan dalam tiga dimensi. Metode ini dapat memberikan kontribusi besar pada pengembangan teknologi medis karena memungkinkan kita untuk mengukur tegangan (stress) dalam tubuh manusia saat penyuntikan dan aneurisma pada aliran darah.

Pengukuran tegangan menggunakan fotoelastisitas 

Kami telah mengembangkan teknik fotoelastik untuk mengukur distribusi gaya di dalam cairan. Kami telah berhasil memvisualisasikan distribusi tegangan pada aliran dalam saluran berbentuk persegi (lihat gambar). Teknik ini berpotensi untuk diterapkan pada diagnosis awal ruptur aneurisma berdasarkan distribusi gaya dalam aliran darah.

Fenomena menarik pada fluida itu kompleks dan memiliki fitur tersembunyi yang tidak terlihat oleh manusia. Dengan menggunakan machine learning pada fenomena tumbukan droplet, kami telah berhasil mengekstraksi fitur-fitur penting yang sebelumnya belum ditemukan (lihat gambar). Penggunaan machine learning yang efektif dapat mempercepat penelitian dinamika fluida.

Ketika sebuah droplet menumbuk dinding padat, droplet tersebut dapat menyebar atau menjadi percikan. Dalam kasus droplet berskala milimeter, droplet secara bertahap memercik saat kecepatan tumbukan droplet ditingkatkan, sedangkan dalam kasus droplet mikrometer, droplet tidak memercik saat kecepatan tumbukan droplet ditingkatkan (lihat gambar). Kontradiksi ini menunjukkan bahwa tumbukan droplet adalah fenomena sederhana dengan banyak pertanyaan yang belum terjawab. Kami bermotivasi untuk mengungkap misteri ini.

The phenomenon of droplet collision is influenced by a multitude of parameters such as the surrounding environment, properties of the droplets, and the state of the substrate, making it challenging to pinpoint a perfect threshold. Achieving a more accurate determination of thresholds requires parametric studies that consider all these parameters. However, the increase in data acquisition leads to longer experimental times and a rise in human errors, resulting in decreased reproducibility. Therefore, successful efforts have been made to significantly reduce experimental time through automation of experiments.

Ketika microjet supersonik keluar, gelombang kejut akan bergerak melalui cairan. Kami telah berhasil menghitung distribusi tekanan gelombang kejut tersebut (lihat gambar). Teknik ini juga dapat diterapkan untuk mengukur gelombang kejut di udara dan perubahan suhu dalam suatu medium.

Background-Oriented Schlieren (BOS)

Kami mengembangkan teknik Background-Oriented Schlieren (BOS) untuk mengukur perubahan tekanan dan suhu dalam cairan. Keuntungan dari teknik ini adalah perangkat pengukuran yang sederhana dengan kamera smartphone (lihat gambar). Saat ini, penelitian masih berlangsung untuk memperluas potensi teknik ini pada pengukuran berbagai fenomena pada cairan.

Impulse-induced jet, kavitasi

Kami meneliti cara mengeluarkan jet menggunakan mekanisme yang paling sederhana dengan menerapkan sedikit impuls ke wadah cairan. Kami menemukan bahwa ketika terjadi kavitasi dalam wadah, kecepatan jet meningkat hingga dua kali lipat. Fenomena ini memungkinkan aliran yang lebih efisien dan menunjukkan kemungkinan baru untuk aplikasi dari kavitasi.

Kami menemukan fenomena droplet yang bisa melayang pada permukaan yang bergerak (lihat Film 1 dan 2). Ini adalah fenomena penting yang dapat terjadi pada percetakan inkjet dan semprotan pemadam kebakaran. Lapisan udara tipis setebal beberapa mikrometer ada di antara droplet dan dinding yang bergerak, dan aliran dalam lapisan ini dapat menyebabkan droplet melayang. Untuk menyelidiki mekanisme fenomena levitasi ini, kami mengukur bentuk film tipis dalam tiga dimensi dengan akurasi sub-mikrometer. Fenomena ini tidak hanya penting dari sudut pandang teknik, tetapi juga merupakan fenomena misterius pada dinamika fluida.

Partikel yang terdispersi dalam aliran turbulen dapat membentuk kluster. Kami mengembangkan metode baru dengan menggunakan diagram Voronoi untuk menganalisis kluster-kluster ini menggunakan pendekatan Lagrangian (lihat gambar). Metode ini memungkinkan kita untuk melakukan tidak hanya analisis kluster Eulerian, tetapi juga analisis Lagrangian, yang tidak mungkin dilakukan dengan metode konvensional. Hal ini akan sangat berkontribusi pada pengembangan analisis Lagrangian aliran turbulen di masa depan. Selain itu, sistem pengukuran tiga dimensi dengan empat kamera juga dikembangkan untuk mengukur statistik gelembung mikro pada turbulensi kisi dinamis. Hal ini memungkinkan kami untuk membahas tidak hanya energi partikel dalam turbulensi, tetapi juga momentumnya. Pencapaian ini telah dianugerahi Ryumon Award dari Japan Society of Fluid Mechanics (2015).

Gelembung berukuran milimeter yang bergerak naik di dalam fluida stasioner dapat melakukan gerakan tiga dimensi seperti zigzag atau heliks. Fenomena ini sering diamati dalam industri, seperti pada sistem pemurnian air dan pabrik kimia. Sehingga, pemahaman mengenai fenomena ini sangat signifikan. Pengamatan tiga dimensi yang terperinci pada lintasan dan bentuk gelembung dilakukan dengan menyelaraskan dua kamera berkecepatan tinggi yang dapat melacak gelembung secara vertikal (Gambar). Kami juga memvariasikan boundary condition pada permukaan gelembung dengan menambahkan sedikit surfaktan. Ini adalah studi pertama yang pernah dilakukan pada perilaku gelembung di antara kondisi free-slip (dengan kecepatan slip) dan kondisi non-slip (tanpa kecepatan slip). Selanjutnya, gaya yang diterapkan pada gelembung dihitung dari lintasan dan bentuk gelembung. Selain itu, kami juga menemukan fenomena unik pada surfaktan.