2018 Fiscal Year Research-status Report
Geometric modeling and Monte Carlo simulations for anisotropic and non-linear deformation of polymeric materials
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17K05149
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| Research Institution | Ibaraki National College of Technology |
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Principal Investigator |
鯉渕 弘資 茨城工業高等専門学校, 国際創造工学科, 教授 (00178196)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | 数学的モデリング / リキッドクリスタルエラストマー / コラーゲンファイバー / 応力・ひずみ曲線 / 異方的変形 / モンテカルロシミュレーション |
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| Outline of Annual Research Achievements |
この研究は，
(1) コラーゲン（動物の筋肉等）の応力－ひずみ曲線がJ-曲線になる理由
(2) 光照射で変形するLiquid Crystal Elastomer(LCE) 厚膜
(3) 柔らかい物質の外部電磁場による変形現象
をその柱として出発した。どれも柔らかい物質の異方的な変形現象に関係する研究テーマである。そもそもコラーゲンファイバーやポリマーなどの柔らかい物質の変形をミクロな相互作用から解き明かすのは複雑すぎるし，一方，それが高速なコンピュータなどの手段でできたとしても，それで現象を理解したといえるかどうかという問題もある。そこで，その複雑さをうまく回避しながら，かつミクロな相互作用の「方向依存」の部分を取り出すというのが「Finsler Geometry(FG)」モデルの考え方である。(1)に関しては，H30年度はH29年度の結果（ひずみが50%程度まで）に続いて、ひずみが150%程度までの結果をもう一つの学術論文に発表した。(2)は，液晶エラストマ(LCE)の小片が水に浮いた状態で上方から光照射された時の特徴的な形態変化をFGモデリングの方法で再現する，という研究である。LCE小片は，光が照射されている部分の温度が上がって液晶分子が乱雑になるため，その部分が収縮し，これによって特徴的に変形すると考えられるが，これに関しても，報告されてる実験結果の形をうまく再現することができて，その結果は学術論文に発表した。(3)の具体的な対象としてはLCEが外部電場で変形する現象を想定した。この場合も，既に報告されている2種類の「ひずみー電場曲線」を再現することができ，それらの結果は学術論文に発表した。
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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
「研究実績の概要」のところに記載した計画(1),(2),(3)はそれぞれ，(1)機械的外力，(2)光，(3)電磁場，という3つの外部刺激によるLCEなどの柔らかい物資の応答が，FGモデルで説明できるかどうかという研究である。(1),(2)の当初の計画は，上記のように論文発表まですべて終了している。(3)に関しても，LCEの外部電場応答については論文発表まですべて終了している。これらが，「おおむね順調」とした理由である。ただし，(3)の「柔らかい物質」はLCEに限定されてはいないので，他の物質についてもこのテーマで研究できる。そこで，柔らかい物質としてポリフッ化ビニリデン(PVDF)を対象に研究開始した。PVDFの特徴は電場方向に縮むことであり，LCEの場合と対照的である。これについても，まだ初期的な段階ではあるが，報告されている実験結果を再現する結果が得られており，今後，国際会議や論文発表に向けて研究を進める。これら(1),(2),(3)の他に，計画書に記載した(i)表面張力の膜の境界形状依存性，(ii)Disk状の分子膜の崩壊相転移，に関する研究結果も論文発表した。 (i)は(1),(3)の応力の計算でも使われている表面張力の基本的な性質を扱ったものである，また(ii)はFGモデルの出発点となっている膜モデルの基本的な性質を扱ったものである。
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| Strategy for Future Research Activity |
以上に記載のとおり，(1)機械的外力，(2)光，(3)電磁場，という3つの外部刺激による柔らかい物資における変形現象のFGモデルによる研究は，予定どおりに進んでいる。一方，昨年度の予定の欄にも記述したように，(1)の応力―ひずみ曲線を計算する考え方は，ゴムの弾性的性質にも適用できることが予想される。そこで，(1)のモデルを少し拡張して，ゴム弾性に適用したところ，最大1200%にもなるようなゴムの応力―ひずみ曲線を再現できることが分かってきた。結果はすでに国際会議にも発表している。今後は，論文発表に向けてさらにゴム弾性の研究を進める。(3)の柔らかい物質としては，LCEだけでなくFerro-electric Polymer (FEP)などがある。FEPを代表する物質は，記述のとおり，ポリフッ化ビニリデン(PVDF)である。PVDFの電場応答は普通のFEPとは逆で電場方向に縮むという特徴的な変形をするが，FGモデリングの方法によれば，PVDFの実験結果も再現可能であることが分かってきたため，国際会議発表や論文発表に向けて研究を進める。さらに，以上のような柔らかい物質ばかりでなく，将来のコンピュータメモリとして期待されているスキルミオンという磁気的な状態の異方的な変形現象もFGモデリングの適用対象になることが分かってきた。磁性と弾性の複雑な相互作用もFGモデルで理解できる可能性があり，今後の研究の一つの方向と考えている。
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| Causes of Carryover |
次年度使用額が生じた理由としては，参加費がほぼゼロの国際会議に参加したこと，論文の投稿料（オープンアクセス含む）が査読などにより安く済んだことなどである。また，使用計画としては，国際会議参加費とその旅費，論文校閲費，論文掲載料のほか，共同研究のために外国人大学院生を招へいする費用に充てる予定である。
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