2021 Fiscal Year Annual Research Report
Fundamental physics and impact response of hierarchical granular matter
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18H03679
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
桂木 洋光 大阪大学, 大学院理学研究科, 教授 (30346853)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 粉体 / 階層構造 / 衝突 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
今年度は「階層構造を持つ高空隙率粒子群への固体弾衝突による衝突抵抗力の研究」，「付着性効果の高い微小粒子層の振動応答に関する研究」，「土壌団粒構造を模擬した階層粉体中における保水効果についての研究」，「粉体層への液滴衝突によるスプラッシングの研究」等の実験に取り組んんだ．研究計画の終盤にさしかかる中で，多くの実験研究に取り組みそれぞれについて一定の成果を得ることに成功した．また，昨年度までに得た結果の発表も順調に行った．特に今年度は他プロジェクトと一部共同的に取り組んんできた「砂山粉体層の回転による変形」について，付着強度評価手法の確立や摩擦を考慮した砂山変形モデルの開発などの著しい成果を得た．この成果は3編の論文としてまとめられそのうち2編は年度内に出版された．また，粉体層表面を可動板が繰り返しスイープすることにより粉体層表面に発生する周期的凹凸についても実験的研究を行った．この研究では，形成された凹凸地形を消去するためにはどのような手法が考えられるかについて実験的にアプローチした．得られた成果は論文として今年度に発表した．以上のように今年度は様々なテーマの研究について精力的に取り組んだと言えるが，中でも当初研究計画に照らして最も中心的となる成果は「階層構造を持つ高空撃率粒子群への固体弾衝突による衝突抵抗力の研究」であろう．この研究では，階層構造を持つ高空撃率粒子の破壊の影響が衝突抵抗力モデルの形式の中に顕に入ってくる形となることが実験の結果明らかになった，このような破壊を伴う脆い粒子群ターゲットの衝突応答物理についての先行研究はこれまで皆無であり，世界に先駆ける成果を得たものと言える．更に，空撃率の高い粒子群という特性は近年の小惑星リュウグウ探査で地球に持ち帰られたレゴリスサンプルでも見られており，本研究の成果はソフトマターの基礎物理のみならず，惑星科学的意義も大きい．
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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
成果の概要でも述べた通り，本年度は様々な実験研究に精力的に着手して一定の成果を得ることに成功した．本年度に開催を想定していた国際研究会については実施が難しかったが，実験研究については実りの多い成果を得られた．特に著しい進展を得られたテーマとしては「付着性効果の高い微小粒子層振動応答に関する研究」がある．高い付着性を示す微小な粒子層を振動させた場合，振動による圧密の他に「破壊」現象が現れることを新たに発見した．具体的には振動微小粒子層の中に亀裂が発生し，その亀裂がある振動条件下では進行することもあることを実験的に見出した．これらの現象は，従来の粗大粒子群で構成される典型的粉体層を振動させたときには見られないもので，本研究で世界で初めて見つかったものである．本研究ではこの新規現象について系統的実験を行い，この破壊現象が起こる条件や亀裂の進展速度のパラメータ依存性などについて詳細を明らかにした．得られた結果の一部は既に学会等でも発表したが，今後論文での発表も行う予定としている．その他にも団粒構造における保水効果や液滴の粉体層への衝突現象などについても新規の性質と思われる特性をいくつか予備的に発見しており，今後その詳細をつめていきたいと考えている．
実験の実施とともにこれまでの研究で得られた成果の発表についても精力的に取り組み，論文や学会発表などを数多くこなした．研究は国際研究会開催のような国際交流に関する部分を除いては，概ね順調に進展しており，むしろ想定以上に多くの実験研究に取り組んでおり，予想を超える進展を見せている部分も一部ある．
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| Strategy for Future Research Activity |
これまでの研究を継続し，現在取り組んでいるいくつかの研究テーマについて実験・解析・物理解釈に引き続き取り組む．実験研究のトピックとしては粉体と流体の複雑な相互作用についての研究に重点を置く．具体的には，階層粉体内での液体の保持や乾燥，液滴の粉体層への衝突現象の物理等に迫りたいと考えている．ともに既に前年度までに実験系を構築することに成功しており一部成果も得ている．今後，系統的実験とそのデータ解析や物理理解に主に取り組む．また，粉体層と固体塊の相互作用についての実験研究にも取り組む．具体的には，粉体層への固体球の駆け上がり，振動粉体層上での固体塊の挙動などについての実験を行う．これらの実験については，これから新しい実験系を構築する予定であり得られる成果については未知数となる部分も大きいが，興味深い特性や新規物性が見られるのではないか期待している．
更に，研究計画の最終年度にあたるため，成果の発表や全体の統合理解などについても取り組む．得られた成果の学会や論文での発表を中心に様々な研究者との議論を通じて，階層的複雑性を持つ粉体の物理的理解という研究計画の当初目的に少しでも本質的に迫れるように努力する．
研究計画の中で，若手研究者を博士研究員として雇用して共同研究を通して若手育成に取り組むとしていた．本研究の前半で雇用した博士研究員は既に独立研究者として大学での教育ポストを得ている．現在雇用している研究者のキャリアについても可能な限りサポートできるよう，様々なスキルアップの機会をこれからも持てるよう配慮する．
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