自己駆動粒子を用いた時空間発展現象

• Project/Area Number: 13J02138
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Research Field: Functional materials chemistry
• Research Institution: Hiroshima University
• Principal Investigator: 松田 唯 広島大学, 理学研究科, 特別研究員(DC1)
• Project Period (FY): 2013-04-01 – 2016-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2015)
• Budget Amount: ¥3,600,000 (Direct Cost: ¥3,600,000); Fiscal Year 2015: ¥1,200,000 (Direct Cost: ¥1,200,000); Fiscal Year 2014: ¥1,200,000 (Direct Cost: ¥1,200,000); Fiscal Year 2013: ¥1,200,000 (Direct Cost: ¥1,200,000)
• Keywords: Surface tension / Marangoni flow / Camphor / Collective motion / 自律運動 / 非線形 / モードスイッチング

Outline of Annual Research Achievements

気/液、液/液界面で、濃度差または温度差により生じる界面張力勾配によって駆動され、水深に依存して強くなる対流をマランゴニ流と呼ぶ。樟脳-水系では樟脳粒の自律運動と同時にマランゴニ流も誘起される。しかし、運動速度は表面張力差のみに起因すると考えられ、同時に発生するマランゴニ流の効果はあまり考慮されなかった。
ここでは対称な樟脳円板と非対称な樟脳船の二種類の自律運動素子を用い、水深を変化させることでマランゴニ流の構造と強弱を変化させた。これによりマランゴニ流は樟脳船に対しては減速、樟脳円板に対しては加速の効果を示し、駆動力に大きくかかわっていることを見出した。これらの結果からこれまで表面張力差のみで議論されてきた駆動力について、周辺の流れ(マランゴニ流)の効果を加味する必要性を明らかにし、Chem. Phys. Lett.誌に“Acceleration or Deceleration of Self-Motion by the Marangoni Effect”のタイトルで採択された。

周囲に自己と同様の個体が複数存在する条件での個体の運動をターゲットとした。組成の異なる自律運動素子(樟脳ゲル、樟脳粒)の分子密度や接触角の違いによってその集団運動が異なり、実験事実より集合の要因は「表面流」の異方性、および「毛管力」によると提唱した。加えて、複数の樟脳粒、樟脳ゲル双方を同時に水相に浮かべた際、樟脳粒、樟脳ゲルが相分離を起こし、同種のものが集合する現象を見出した。また、樟脳ゲルが樟脳円板を取り囲む様相も確認できた。
また、経時的な集合の変化について動径分布関数を用いて解析を行い、見た目で判断していた「集合の度合い」について距離を基準とした指標を提案した。現段階で樟脳円板においては、表面流の構造から集合するメカニズムの礎は作成できたが、樟脳ゲルについては場のメニスカスの解消といった視点からアプローチをしていく予定である。

Research Progress Status

27年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

27年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Acceleration or deceleration of self-motion by the Marangoni effect (2016)
  • Author(s): Y. matsuda, N.J. Suematsu, H. kitahata, Y.S. Ikura, and S. Nakata
  • Journal Title: Chem. Phys. Lett. Volume: 654 Pages: 92-96
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Characteristic oscillatory motion of a camphor boat sensitive to physicochemical environment (2015)
  • Author(s): S. Nakata, M. Yoshii , Y. Matsuda, and N. J. Suematsu
  • Journal Title: Chaos Volume: 25 Pages: 064610-064610
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Transient reciprocating motion of a self-propelled object controlled by a molecular layer of a N-Stearoyl-p-nitroaniline: Dependence on the temperature of an aqueous phase (2014)
  • Author(s): S. Nakata, T. Ueda, T. Miyaji, Y. Matsuda, Y. Katsumoto, H. Kitahata, T. Shimoaka, T. Hasegawa
  • Journal Title: The Journal of Physical Chemistry C Volume: 118 Pages: 14888-14893
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Mode switching of a self-propelled camphor disk sensitive to the photoisomerization of a molecular layer on water (2014)
  • Author(s): S. Nakata, T. Miyaji, Y. Matsuda, M. Yoshii, M. Abe
  • Journal Title: Langmuir Volume: 30 Pages: 7353-7357
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Self-propelled motor driven by a glucose engine,Chemistry Letters (2014)
  • Author(s): 3.Y. Matsuda, M. Yoshii, N. J. Suematsu, S. Izumi, S. Nakata
  • Journal Title: Chemistry Letters Volume: 43 Pages: 453-455
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Self-propelled Motor Driven by a Glucose Engine (2014)
  • Author(s): Yui Matsuda, Miyu Yoshii, Nobuhiko J. Suematsu, Shunsuke Izumi, Satoshi Nakata
  • Journal Title: Chemistry Letters Volume: 43 Issue: 4 Pages: 453-455
  • DOI: 10.1246/cl.131082
  • NAID: 130004868028
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] 樟脳粒子グループによる時空間パターン (2016)
  • Author(s): 松田唯, 末松J.信彦, 北畑裕之, 井倉 S. 弓彦, 中田聡
  • Organizer: 日本化学会第95春季年会
  • Place of Presentation: 同志社大学
  • Year and Date: 2016-03-24
• [Presentation] 複数の樟脳粒子による時空間パターン形成現象 (2016)
  • Author(s): 松田唯, 中田聡
  • Organizer: アクティブマター研究会2016
  • Place of Presentation: 九州大学
  • Year and Date: 2016-01-22
• [Presentation] 複数の樟脳粒子の動的パターン形成 (2015)
  • Author(s): 松田唯, 末松J.信彦, 北畑裕之, 井倉弓彦, 西森拓, 中田聡
  • Organizer: 日本化学会 第95春季年会
  • Place of Presentation: 日本大学 理工学部船橋キャンパス(千葉)
  • Year and Date: 2015-03-26 – 2015-03-29
• [Presentation] Self-propelled system depends on the structureof Marangoni flow and the shape of water chamber (2014)
  • Author(s): 松田唯, 中田聡
  • Organizer: 第52回日本生物物理学会年会
  • Place of Presentation: 札幌コンベンションセンター(北海道)
  • Year and Date: 2014-09-25 – 2014-09-27
• [Presentation] 電圧印加による自律運動モードの制御 (2014)
  • Author(s): 松田唯, 中田聡
  • Organizer: 第65回コロイドおよび界面化学討論会
  • Place of Presentation: 東京理科大学神楽坂校舎(東京)
  • Year and Date: 2014-09-03 – 2014-09-05
• [Presentation] Acceleration or deceleration of the self-motion by the Marangoni effect (2014)
  • Author(s): Yui Matsuda, Nobuhiko J. Suematsu, Hiroyuki Kitahata, Yumihiko S. Ikura, Satoshi Nakata
  • Organizer: Gordon Research Conferences (Oscillations & Dynamic Instabilities in Chemical Systems)
  • Place of Presentation: Melia Golf Vichy Catalan Business and Convention Center Girona (Spain)
  • Year and Date: 2014-07-13 – 2014-07-18
• [Presentation] Acceleration or deceleration of the self-motion by the Marangoni effect (2014)
  • Author(s): Yui Matsuda, Nobuhiko J. Suematsu, Hiroyuki Kitahata, Yumihiko S. Ikura, Satoshi Nakata
  • Organizer: Gordon Research Seminar (Oscillations & Dynamic Instabilities in Chemical Systems)
  • Place of Presentation: Melia Golf Vichy Catalan Business and Convention Center Girona (Spain)
  • Year and Date: 2014-07-12 – 2014-07-13
• [Presentation] 化学反応を用いた自律運動制御 (2014)
  • Author(s): 松田唯
  • Organizer: 第8回自己組織化討論会
  • Place of Presentation: 晴海グランドホテル（東京）
  • Year and Date: 2014-06-29 – 2014-06-30
• [Presentation] マランゴニ流構造に依存した自律運動(口頭B講演) (2014)
  • Author(s): 松田唯, 末松J. 信彦, 北畑裕之, 中田聡
  • Organizer: 日本化学会第94春季年会
  • Place of Presentation: 名古屋大学
  • Year and Date: 2014-03-27
• [Presentation] Mode Change in the Self-Motion of a Benzoquinone Disk Coupled with a NADPH System (口頭) (2014)
  • Author(s): Yui Matsuda
  • Organizer: The 5^<th> Taiwan-Japan Joint Workshop for Young Scholars in Applied Mathematics
  • Place of Presentation: National Tsing Hua University Hsinchu (Taiwan)
  • Year and Date: 2014-02-28
• [Presentation] 光で振る舞いを変える樟脳(ポスター) (2013)
  • Author(s): 宮地達也, 松田唯, 吉井美優, 中田聡, 安倍学
  • Organizer: 第64回コロイドおよび界面化学討論会
  • Place of Presentation: 札幌
  • Year and Date: 2013-12-07
• [Presentation] 対流効果を用いた自律運動素子の水深依存性(口頭・若手特別講演) (2013)
  • Author(s): 松田唯, 末松J. 信彦, 北畑裕之, 中田聡
  • Organizer: 2013年日本化学会中国四国支部大会
  • Place of Presentation: 広島大学
  • Year and Date: 2013-11-17
• [Presentation] 紫外可視光照射によるアゾ化合物の異性化に応答した樟脳運動(口頭) (2013)
  • Author(s): 宮地達也, 松田唯, 吉井美優, 中田聡
  • Organizer: 2013年日本化学会中国四国支部大会
  • Place of Presentation: 広島大学
  • Year and Date: 2013-11-16
• [Presentation] マランゴニ流構造に依存した自律運動(口頭) (2013)
  • Author(s): 松田唯, 末松J. 信彦, 北畑裕之, 中田聡
  • Organizer: 第64回コロイドおよび界面化学討論会
  • Place of Presentation: 名古屋工業大学
  • Year and Date: 2013-09-20
• [Presentation] アゾ化合物単分子膜上での樟脳運動の光応答(ポスター) (2013)
  • Author(s): 宮地遠也, 松田唯, 吉井美優, 中田聡
  • Organizer: 非線形非平衡ソフトマター研究会
  • Place of Presentation: 筑波
  • Year and Date: 2013-08-02
• [Presentation] Mode Change in the Self-Motion of a Benzoquinone Disk with a photochemical reaction (ポスター) (2013)
  • Author(s): Yui Matsuda, Satoshi Nakata
  • Organizer: Emergence in Chemical Systems 3.0 Conference
  • Place of Presentation: Anchorage University Alaska (USA)