2017 Fiscal Year Annual Research Report
非平衡輸送現象と流れの動的結合の解明：分子操作から分子整流へ
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17J03913
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| Research Institution | Kyushu University |
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Principal Investigator |
福山 達也 九州大学, 理学府, 特別研究員(DC1)
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| Project Period (FY) |
2017-04-26 – 2020-03-31
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| Keywords | 非平衡統計力学 / 輸送現象 / 流体力学 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の目的は、高分子水溶液中で動く温度勾配の下で発生する流動現象の発生機構を実験・理論の両面から解明することである。これにより、動く温度勾配下で起きる流れと輸送の協同から分子整流を実現する流体デバイスの原理を探求する。
本年度は高分子水溶液中を動く温度勾配下で見い出された流動現象を実験・理論の両面から解析を行った。水溶液中に赤外レーザーを集光・一方向に伝搬させ、周期的に伝搬する局所的な温度勾配（温度波）を形成すると、温度波に沿って逆向きの流動が生じる。温度波の周波数を変調したところ、流速が特異的な周波数で最大になる「共鳴的な」流動であることが発見された。
加熱点近傍で起きる局所的な粘性の低下と流体の圧縮が、温度波の伝搬に沿った流体の駆動を誘起する。また、温度波の周波数変調によって温度差・流体の圧縮率が変化することで、流速が温度波の伝搬に共鳴的に変化することが明らかになった。流体の圧縮は流体デバイスの局所加熱に伴う変形に由来しているため、流体デバイスのマテリアルを変えるなどして流速の変調が可能であることが期待される。
流速は温度波の周波数依存的であることから、周波数変調によって分子をトラップする分子操作を実現した。温度波を直線上で往復するように伝搬させると、向きが反対の２つの流れが生じ拮抗することで、流れのない淀み点が現れる。この淀み点への流れと温度勾配下で起きる輸送の協同効果により、分子が１点へ凝集される分子トラップが実現される。本研究成果はpreprintを公開しており（T. Fukuyama, S. Nakama, YT Maeda, arXiv:1708.09489）、現在論文査読中である。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
本年度は、高分子水溶液中を動く温度勾配下で誘起される流動現象を実験的・理論的に解明し、誘起された流れが分子を集束させる操作法を実現した。また、光に誘起される細胞の集団運動においても周波数依存的な振る舞いがみられている。得られている理論モデルを細胞集団に拡張することで、細胞シグナル伝搬下での細胞集団運動のメカニズムを明らかにした。当初の計画に加え、物理学から生物学まで通じる普遍的な非平衡流動現象の解明に踏み出せたことは大きな進展である。
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| Strategy for Future Research Activity |
本年度で得られた理論モデルをもとに、動く温度勾配下でおきる流動の変調・デザインを検討する。理論モデルから、流れが弾性的な壁によって誘起されることがわかっており、チャンバーの境界壁の「固さ」で流れの変調が可能であることを示唆している。
次年度では、弾性的なシリコンPDMSと非弾性的な紫外線硬化樹脂SU-8でパターンを形成することで流れを変調・制御できる流体デバイスの設計を行う。設計した流体デバイスで誘起される流動を実験によって検証し、そのパターンの有効性について調べる。その設計・評価をもとに分子操作を実現する流体デバイスのデザインを検討する。
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