2020 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, 医薬学総合研究院(薬学), 准教授 (10314725)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
豊玉 彰子 名古屋市立大学, 医薬学総合研究院(薬学), 講師 (50453072)
山中 淳平 名古屋市立大学, 医薬学総合研究院(薬学), 教授 (80220424)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 荷電コロイド / 表面化学反応 / 拡散泳動 / 自己泳動 / アクティブマター / 数値シミュレーション |
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| Outline of Annual Research Achievements |
これまでの研究において、弱電解質溶液中のコロイド粒子表面においてラングミュア型の解離反応が進行するときの塩基、正・負イオンの濃度場、表面電荷密度、および粒子のダイナミクスを記述するモデルを構築した。このモデルに基づいた理論的な解析および数値シミュレーションにより、一様な電解質濃度勾配下で粒子が泳動することを明らかにした。これは従来の強電解質溶液中の荷電コロイド粒子の拡散泳動の理論と異なり、濃度勾配をもった未反応の電解質が粒子表面での解離反応によりイオンとなり、それらの拡散により異方的な電荷分布が形成されることによって電場が生じ、粒子が駆動されると考えられる。
上記のような粒子の駆動メカニズムにおいては、駆動された粒子の並進により、粒子の周りの電荷分布（イオン分布）が変化し、それによる駆動力へのフィードバックが考えられる。そこで、初期の電解質濃度分布を勾配のない一様な分布とし、粒子を一定の方向に一定速度で移動させるシミュレーションを行った。その結果、粒子に働く力は、僅かではあるが、粒子を移動させた方向と同じ向きに働くことが分かった。この結果は、粒子の並進運動に関して正のフィードバックが作用する可能性を示唆しており、自己泳動現象の実現に興味が持たれる。
表面化学反応を伴う複数の荷電粒子の系では、1つの粒子周りの電荷分布が等方的であるとは限らない。初期に濃度勾配のない一様な電荷分布を考え、固定した2個の粒子を置き、上記のモデルにより平衡緩和させ、粒子間の力を計算する。これを粒子間距離を変化させながら繰り返した後、それらを積分して粒子間ポテンシャルを計算した。その結果、荷電コロイド粒子間のポテンシャルとしてしばしば用いられる湯川型ポテンシャルに比べ、長距離の相互作用ポテンシャルが得られた。未反応の電解質およびイオンの濃度分布がこれら2粒子間の相互作用に影響していると考えられる。
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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
一定の濃度勾配のある1粒子の系では、理論解析と数値シミュレーションの結果は定性的に一致しており、良好な結果であった。しかし、粒子に一定の速度を与えた場合の粒子に働く力に関する数値計算では、非常に興味深い結果が得られているが、まだ理論的な解析はできていない。また、表面化学反応を伴う2粒子間の相互作用に関しても重要な結果であるが理論的な確証が得られていない。
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| Strategy for Future Research Activity |
初期に電解質濃度勾配がない一様な系に一定の速度を与えたときの粒子に働く力のフィードバックに関して理論的な考察をし、自己泳動の条件あるいは可能性について検討する。また、より多くの条件で数値シミュレーションを行い、計算の精度を高める。
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| Causes of Carryover |
新型コロナ感染症の流行により、予定していた多くの国際学会、国内学会がオンライン開催または延期となったことにより、旅費の支出がなかったため、研究計画変更し、1年延長することにしたため。今後は、状況が許せば延期となっている学会に参加し、または、研究遂行上必要な消耗品を購入する。
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