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2019 Fiscal Year Annual Research Report

Life-like dynamic group dynamics of self-propelled droplets

Research Project

Project/Area Number 17K05613
Research InstitutionHiroshima University

Principal Investigator

田中 晋平  広島大学, 総合科学研究科, 准教授 (40379897)

Project Period (FY) 2017-04-01 – 2020-03-31
Keywords自己駆動液滴集団 / 動的集団構造形成 / 反応拡散場
Outline of Annual Research Achievements

本研究では、界面活性剤水溶液の水面上に置かれた、有機溶媒の液滴集団の動的挙動を実験及びシミュレーションによって研究した。これまでの研究により、有機溶媒液滴は、溶け出した有機溶媒によって形成される、周囲の表面張力場の勾配によって駆動されることがわかっている。このような自己駆動液滴が多数存在するとき、複雑な動的挙動が観察される。
まず、実験および実験結果の解析から、有機溶媒の液滴間には複雑な相互作用が働いていることを明らかにすることができた。相互作用は引力的にも、斥力的にもなる。また、相互作用は時間的に変動し、液滴の相互配置に依存する。液滴の自己駆動が液滴自身が作り出す変動する表面張力場によって引き起こされていることから、液滴間の相互作用も、同様に液滴によって作り出される表面張力場が介在していることが予想される。
本研究では、具体的にどのようなメカニズムでこの表面張力場が形成され、それがどのように液滴を駆動し、また液滴間の相互作用を生み出しているのか、反応拡散方程式に液滴の運動方程式を結合させた数理モデルを用いて解析した。このようなモデルは、樟脳粒子の自己駆動現象を説明できるものとしてよく知られているが、粒子から溶け出した界面活性剤の効果のみでは、我々の観察結果を再現できない。
この問題の解決のために、我々は、この系に存在するもう1種の界面活性剤に着目した。有機溶媒液滴は、界面活性剤の水溶液表面に浮かんでいる。この水溶液中の界面活性剤と、溶け出した有機溶媒との反応を考慮に入れたモデルを構築し、2種類の界面活性剤による界面聴力場と、それによる液滴の駆動をシミュレートした。その結果、このような反応による界面活性剤濃度の変動が、液滴間の相互作用をうまく説明できることを明らかにすることができた。また、実験的にもっともらしいパラメータで液滴集団挙動を再現することに成功した。

  • Research Products

    (5 results)

All 2019 Other

All Int'l Joint Research (2 results) Journal Article (1 results) (of which Peer Reviewed: 1 results) Presentation (2 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results)

  • [Int'l Joint Research] University of Trento(イタリア)

    • Country Name
      ITALY
    • Counterpart Institution
      University of Trento
  • [Int'l Joint Research] University of Chem. and Tech.(チェコ)

    • Country Name
      CZECH
    • Counterpart Institution
      University of Chem. and Tech.
  • [Journal Article] Free-energy model of phase inversion dynamics in binary phase separation2019

    • Author(s)
      Yoshihide Kubo, Shinpei Tanaka, and Yoshihiro Yamazaki
    • Journal Title

      Phys. Rev. E.

      Volume: 100 Pages: 022137

    • DOI

      https://doi.org/10.1103/PhysRevE.100.022137

    • Peer Reviewed
  • [Presentation] Periodic collective behaviors of organic solvent droplets on the surface of aqueous surfactant solutions2019

    • Author(s)
      Shinpei Tanaka
    • Organizer
      The 2019 Conference on Artificial Life
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 粘弾性相分離における相反転パター ン形成の自由エネルギーモデル2019

    • Author(s)
      田中晋平
    • Organizer
      物理学会第74回年次大会

URL: 

Published: 2021-01-27  

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