非熱的揺らぎの空間勾配と排除体積効果に駆動されるマクロな粒子系の非平衡輸送現象
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22K03468
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 13010:Mathematical physics and fundamental theory of condensed matter physics-related
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| Research Institution | Kyushu University |
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Principal Investigator |
稲垣 紫緒 九州大学, 理学研究院, 准教授 (20452261)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
江端 宏之 九州大学, 理学研究院, 助教 (90723213)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2022)
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| Budget Amount *help |
¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000)
Fiscal Year 2024: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000)
Fiscal Year 2023: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000)
Fiscal Year 2022: ¥1,950,000 (Direct Cost: ¥1,500,000、Indirect Cost: ¥450,000)
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| Keywords | 非平衡散逸系 / 粉粒体物理 / 非熱揺らぎ / 非平衡物理学 / 粉粒体物理学 / 相分離 / ソーレ効果 |
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| Outline of Research at the Start |
粉粒体の分離現象を温度勾配という観点から理解を深め、空間スケールが大きく異なる高分子・コロイド溶液などの系と比較することで、系の詳細を超えてソーレ効果を一般化することを目指す。具体的には、平板上に二種類の粒子を単層に配置し、鉛直方向に加振する系を2種類考える。これらの系では、鉛直加振によって系に力学的エネルギーを注入し、基板-粒子、粒子-粒子間の非弾性衝突によってエネルギーを散逸する。エネルギーの注入や散逸に空間勾配を形成し、小粒子の充填率や粒子物性を変えて系統的に実験を行う。
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| Outline of Annual Research Achievements |
コロイドや高分子の溶液系において、温度勾配に駆動されて濃度勾配が形成される「ソーレ効果」という現象がよく知られている。さらに、溶質の組み合わせによって、高温領域に物質が凝集する「負のソーレ効果」という現象が近年見出されている[前多・福山、日本物理学会誌 71, 746 (2016)]。本課題では、粉粒体のようなマクロな粒子からなる多粒子系の(相)分離現象について、大粒子が希薄で速度揺らぎの大きい領域に集まりやすい性質を「負のソーレ効果」に類似の現象と考え、粒子の速度揺らぎ (温度)の空間勾配を制御したモデル系を考案した。反発係数の低い領域では運動エネルギーを多く失うので、一度その領域に入ると抜け出づらい。そのため、基本的には大球も小球も低反発領域を好むが、小球の充填率を上げると、低反発領域が小球で埋まり、大球は排除体積効果によって高反発領域に弾き出されるのが実験的に観察された。並行して、離散要素法を用いた数値計算も行い、現在パラメータを振ってデータを収集している。
粉粒体の分離現象でよく知られている現象の一つとして、ブラジルナッツ効果がある。異なる種類の粉粒体の混合物を鉛直方向に振動させると粒径の大きい粒子が上昇し粉体層表面に現れる。粉体物理の分野において、速度分布の分散に比例した量を便宜上粉体温度と定義して、粉粒体の運動の揺らぎの大きさの指標として広く用いられている。粉体の速度揺らぎ(粉体温度)が大きいと考えられ、体積の大きい粒子が高温領域にはじき出されていると見ることもできる。温度勾配に駆動される輸送現象が粉粒体の分離現象の本質的なメカニズムとして理解できるかどうか、実験的に検証していく。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
実験に関して、基板のゴムの硬さを変えて実験を行う予定だったが、購入したゴムの反発係数が想定していたほど違いが出なかったため、今後使用するゴムを検討し、さらに実験を進める。関連する実験系として新たに、容器の中央に網で仕切りを付けて、網の左右に大小の粒子を入れて鉛直に加振する系を考案した。鉛直加振によって非熱的な揺らぎを与え、粒子がどのように拡散していくかを観察することで、速度揺らぎと拡散による輸送現象の関連を調べた。本研究は3月の物理学会で口頭発表を行い、2023年8月のStatphys28でもポスター発表を行う予定である。
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| Strategy for Future Research Activity |
ゴム基盤上の2分散系の実験系においては、粉体媒質中の大粒子の局在の仕方がどのように転移するかを、基板の硬さが実験的にうまく調整できていないので、今後ゴムの素材を変えて系統的に調べる。数値計算では、パラメータを振ったデータ収集を今後さらに進めていく。新たに考案した実験系についても、粒径比や比重を変えた実験を行い、火熱揺らぎの下でどのように小粒子が大粒子中に拡散しながら浸透していくかを調べていく。また、2023年は8月にStatphys28、9月にThe 7th International Soft Matter Conference （ISMC2023）と二つの大規模な国際会議を控えており、成果の発表と関連する研究者との議論・交流を活発に行っていく。
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Report
(1 results)
Research Products
(8 results)
