2018 Fiscal Year Research-status Report
表面化学反応を伴った等方的な荷電コロイド粒子の自己電気泳動メカニズムの探求
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18K03568
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| Research Institution | Nagoya City University |
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Principal Investigator |
奥薗 透 名古屋市立大学, 大学院薬学研究科, 准教授 (10314725)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
豊玉 彰子 名古屋市立大学, 大学院薬学研究科, 講師 (50453072)
山中 淳平 名古屋市立大学, 大学院薬学研究科, 教授 (80220424)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 荷電コロイド / アクティブマター / 拡散泳動 / 自己電気泳動 / 数値シミュレーション |
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| Outline of Annual Research Achievements |
コロイド粒子の自己泳動現象は、粒子自身が作り出した場によって泳動される現象で、近年盛んに研究されているアクティブ粒子の自己推進メカニズムのひとつとして注目されている。本研究では、荷電コロイド粒子の拡散泳動現象に注目する。拡散泳動の標準的な理論では、強電解質溶液中の荷電コロイド粒子が想定され、溶液中の正イオンと負イオンの拡散係数が異なる場合には、イオン濃度勾配に従って電場が形成され、その電場によって粒子は泳動する。本研究では、弱電解質溶液中の荷電コロイド粒子の泳動を説明する新たなメカニズムを提案した。
弱塩基溶液中のコロイド粒子が、その表面で解離反応を伴いながら運動する場合のダイナミクスを記述するモデルを構築した。粒子表面での解離反応は実験的に支持されているラングミュア型の反応式を用いた。このモデルに基づき、特に一様な弱塩基濃度勾配がある系について解析を行い、表面電荷分布の対称性の破れによって、粒子に働く電気的な力が生じ、それによって濃度勾配の方向に粒子が泳動することを示した。また、粒子の泳動速度は、粒子と溶液の誘電率比およびデバイ遮蔽長に依存し、これらのパラメーターによっては向きが反転する可能性を指摘した。これらの知見は、この系の実際的な応用を考える上で重要である。
上記の系のダイナミクスに関する数値シミュレーションを効率的に行うため、粒子を固定された滑らかなプロファイルをもつ場として表現したシミュレーションモデルを用いた。誘電率比は１とし、様々な塩濃度（遮蔽長）、塩基濃度勾配等のパラメーターに対し、定常状態での泳動速度を計算し、理論値と比較した結果、定性的に一致する結果を得た。
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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
本研究で提案したモデルにより、粒子表面における解離反応により表面電荷分布の対称性が破れることにより、粒子が一方向に推進することを示すことができた。また、数値シミュレーションにより、理論を支持する結果を得た。実験的なサポートが少し遅れているが、研究全体の第一段階はおおむね達成できている。
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| Strategy for Future Research Activity |
先ず、弱塩基溶液中での粒子の泳動に関する理論の実験的検証を行う。次の段階として、一様な塩基濃度勾配が無い系において、粒子の自己泳動が可能であるか、また、その条件を理論および数値シミュレーションによって検討する。さらに、熱揺らぎを考慮したモデルを構築し、それに基づいた数値シミュレーションを行う。それと同時に、粒子運動の顕微鏡観察実験を行い、系のダイナミカルな特性を明らかにする。また、多粒子系のシミュレーションを行い、動的な秩序形成に関する考察を行う。
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| Causes of Carryover |
残額では本研究に有効な使途が無かったため。残金は次年度に繰り越して、消耗品費の一部として使用する。
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