マランゴニ対流と反応拡散場に駆動される液滴の運動・変形ダイナミクス

• Project/Area Number: 19J00365
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Review Section: Basic Section 13040:Biophysics, chemical physics and soft matter physics-related
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 小谷野 由紀 東北大学, 理学研究科, 特別研究員(PD)
• Project Period (FY): 2019-04-25 – 2022-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2021)
• Budget Amount: ¥4,030,000 (Direct Cost: ¥3,100,000、Indirect Cost: ¥930,000); Fiscal Year 2021: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000); Fiscal Year 2020: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000); Fiscal Year 2019: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
• Keywords: 自己駆動運動 / 液滴 / 界面活性 / アクティブマター / 界面

Outline of Research at the Start

水面上の自己駆動液滴について、流体場と粒子形状の変形を新たに導入した数理モデルの構築を行う。流体場のみを導入した場合・粒子形状の変形のみを導入した場合・流体場と粒子形状の変形どちらもを導入した場合を取り扱う。水面上の界面活性剤の濃度場を反応拡散方程式と、水面下のバルク相の流体場、及び、液滴の形状を表現するためのフェーズフィールドからなるモデルを考える。構築した数理モデルについて、静止している状態が不安定化する分岐点での分岐機構を解析的に調べる。また、分岐点から十分離れたときの挙動については、解析的に扱うことが困難なので、数値計算を用いてその挙動を調べる。

Outline of Annual Research Achievements

本研究課題では反応拡散場によって駆動される自発運動系をいくつか取り扱って研究を行ってきたが、今年度は特に、基板の上の液滴が化学物質を放出することで周囲の表面張力を変化させ、表面張力勾配によって液滴自身が駆動される系を対象とした。前年度までは、一つの液滴の運動速度や変形などの特性を数値的に調べ、また、一様な液膜が不安定化する様子を線形安定性解析によって説明した。
今年度は、一様な液膜が線形不安定性によって多数の液滴に分裂したのちに、自己駆動運動によって衝突・合体するメカニズムについて詳しく調べた。線形不安定化によって一様液膜の高さがばらつくと、液膜の厚みが大きいところではラプラス圧が支配的になるため、高さ方向に関してパラボラ形状の液滴が多数生じる。初期に生じる液滴のサイズは最も線形不安定な波長によって決定されるため、システムサイズが与えられると初期に生じる液滴の個数もおよそ決定される。生じた液滴は自発的に自己駆動運動を行うが、液滴同士が衝突すると合体し、大きな液滴を形成する。数値的に調べた範囲では液滴が自発的に分裂することはなく、液滴の総個数は時間とともに単調減少していく。以上のようなダイナミクスは、液滴の存在する場所・しない場所の相分離構造が自発的に生じ、時間とともに粗大化する様子と捉えることもできる。相分離構造が粗大化するダイナミクスとしては例えばスピノーダル分解が有名であるが、それとは異なり、自発運動によってドメインの衝突・合体が起こるためにタイムスケールが速い相分離となる。具体的な相分離のタイムスケールは、気体分子運動論的な衝突確率と、液滴の個数・サイズ・密度の関係から理論的に導くことができ、数値計算の結果をよく再現することも確認された。

Research Progress Status

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] フリッツハーバー研究所(ドイツ)
• [Journal Article] Self-propelled motion of the camphor float with n-fold rotational symmetry (2022)
  • Author(s): Hiroyuki Kitahata and Yuki Koyano
  • Journal Title: Frontiers in Physics Volume: 10 Pages: 858791-858791
  • DOI: 10.3389/fphy.2022.858791
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Imperfect bifurcation in the rotation of a propeller-shaped camphor rotor (2021)
  • Author(s): Koyano Yuki、Kitahata Hiroyuki
  • Journal Title: Physical Review E Volume: 103 Issue: 1
  • DOI: 10.1103/physreve.103.012202
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Autonomous elastic microswimmer (2021)
  • Author(s): Era Katsutomo、Koyano Yuki、Hosaka Yuto、Yasuda Kento、Kitahata Hiroyuki、Komura Shigeyuki
  • Journal Title: EPL (Europhysics Letters) Volume: 133 Issue: 3 Pages: 34001-34001
  • DOI: 10.1209/0295-5075/133/34001
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Diffusion enhancement in a levitated droplet via oscillatory deformation (2020)
  • Author(s): Koyano Yuki、Kitahata Hiroyuki、Hasegawa Koji、Matsumoto Satoshi、Nishinari Katsuhiro、Watanabe Tadashi、Kaneko Akiko、Abe Yutaka
  • Journal Title: Physical Review E Volume: 102 Issue: 3
  • DOI: 10.1103/physreve.102.033109
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Two Floating Camphor Particles Interacting through the Lateral Capillary Force (2020)
  • Author(s): Hirose Yuhei、Yasugahira Yusuke、Okamoto Mamoru、Koyano Yuki、Kitahata Hiroyuki、Nagayama Masaharu、Sumino Yutaka
  • Journal Title: Journal of the Physical Society of Japan Volume: 89 Issue: 7 Pages: 074004-074004
  • DOI: 10.7566/jpsj.89.074004
  • NAID: 40022283350
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Spontaneous Motion of a Camphor Particle with a Triangular Modification from a Circle (2020)
  • Author(s): Kitahata Hiroyuki、Koyano Yuki
  • Journal Title: Journal of the Physical Society of Japan Volume: 89 Issue: 9
  • DOI: 10.7566/jpsj.89.094001
  • NAID: 40022344756
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Diffusion in crowded colloids of particles cyclically changing their shapes (2020)
  • Author(s): Koyano Y.、Kitahata H.、Mikhailov A. S.
  • Journal Title: EPL (Europhysics Letters) Volume: 128 Issue: 4 Pages: 40003-40003
  • DOI: 10.1209/0295-5075/128/40003
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] On a simple model that explains inversion of a self-propelled rotor under periodic stop-and-release-operations (2020)
  • Author(s): Koyano Yuki、Kitahata Hiroyuki、Nakata Satoshi、Gorecki Jerzy
  • Journal Title: Chaos: An Interdisciplinary Journal of Nonlinear Science Volume: 30 Issue: 2 Pages: 023105-023105
  • DOI: 10.1063/1.5140626
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Start of Micrometer-Sized Oil Droplet Motion through Generation of Surfactants (2019)
  • Author(s): Kasuo Yui、Kitahata Hiroyuki、Koyano Yuki、Takinoue Masahiro、Asakura Kouichi、Banno Taisuke
  • Journal Title: Langmuir Volume: 35 Issue: 41 Pages: 13351-13355
  • DOI: 10.1021/acs.langmuir.9b01722
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 固体基板上の自己駆動液滴の自走・合体ダイナミクス (2022)
  • Author(s): 小谷野由紀, 内田就也
  • Organizer: 日本物理学会第77回年次大会
• [Presentation] Imperfect bifurcation in the rotation of a propeller-shaped camphor rotor (2021)
  • Author(s): Yuki Koyano
  • Organizer: RIMS Workshop "Mathematical Mechanobiology"
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 往復する振動対流の下での拡散挙動 (2021)
  • Author(s): 小谷野 由紀, 北畑 裕之
  • Organizer: 日本物理学会2021年秋季大会
• [Presentation] Bifurcation structure in a self-rotating camphor particle system (2021)
  • Author(s): Yuki Koyano
  • Organizer: Poland-Japan symposium on spatio-temporal self-organization 2021
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Diffusion in crowded colloids of particles cyclically changing their shapes (2020)
  • Author(s): Yuki Koyano, Hiroyuki Kitahata, and A. S. Mikhailov
  • Organizer: Workshop on Physics of Soft, Active and Living Matter
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 周期的な形状変化を行うアクティブダンベル状粒子集団内における拡散促進 (2020)
  • Author(s): 小谷野 由紀, Alexander S. Mikhailov, 北畑 裕之
  • Organizer: 日本物理学会第75回年次大会
• [Presentation] Diffusion in crowded active colloids: A model for bacterial cytoplasm (2019)
  • Author(s): Yuki Koyano, Hiroyuki Kitahata, and A. S. Mikhailov
  • Organizer: Joint UBI-NanoLSI workshop “TRENDS IN MOLECULAR BIOPHYSICS OF LIVING CELLS”
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 周期的に変形する場における拡散 (2019)
  • Author(s): 小谷野 由紀
  • Organizer: 非線形ソフトマター研究会2019
• [Remarks] Koyano's webpage
  • URL: http://www.cmpt.phys.tohoku.ac.jp/~koyano/index.html