2020 Fiscal Year Annual Research Report
マランゴニ対流と反応拡散場に駆動される液滴の運動・変形ダイナミクス
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19J00365
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
小谷野 由紀 東北大学, 理学研究科, 特別研究員(PD)
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| Project Period (FY) |
2019-04-25 – 2022-03-31
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| Keywords | アクティブマター / 液滴 / 自己駆動運動 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
液滴のように変形可能な粒子の運動を考察するために、まず、時間変化しない変形が運動に与える影響を調べた。変形形状は円を基準として波数展開して考え、変形の波数モード毎に議論を行なった。液滴では表面張力の影響で高波数モードは現れにくいと考えられるので、低波数モードである２モード・３モードの変形が運動に与える影響を独立に検討した。２モードの変形は、楕円への変形を表す。このとき、楕円の短軸の方向に安定に等速運動する。一方、３モードの変形は、おにぎりのような三角形の変形を表し、粒子サイズが小さいときには角の方向に、粒子サイズが小さいときには、辺の方向に等速運動することが明らかとなった。
また、別の変形としてプロペラ形状の自己駆動粒子の回転運動についても調べた。プロペラ形状のカイラリティを様々に変化させ、カイラリティが自己駆動運動に与える影響を調べた。まず、ろ紙をプロペラ型にカットし、ろ紙に樟脳を染みこませた。樟脳は水面に浮かべると自己駆動運動することが知られており、本実験では水面に重心固定用の軸を用意し、自転運動のみ可能な状態とした。プロペラ型のろ紙樟脳を水面に浮かべると、樟脳粒子は時計回り・反時計回りどちらの方向にも一定の角速度で自転運動した。カイラリティのない対称な粒子の場合には回転方向に依らず角速度の絶対値は等しかったが、カイラリティのある粒子形状の場合には、回転方向によって角速度の絶対値が異なった。数理モデルの数値計算結果を基に、プロペラ型樟脳粒子の回転運動では不完全なピッチフォーク分岐がみられることを見出した。不完全なピッチフォーク分岐では分岐構造の対称性が崩れる。実験で見られた角速度の絶対値の違いはこの分岐構造の非対称性を反映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
変形と運動とが相互作用し合う自己駆動系を理解するため、まずは変形が固定されたときに変形が運動を与える影響を調べることができたためである。
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| Strategy for Future Research Activity |
当初の計画通り、粒子の位置と変形とがともに相互作用し合いながら時間発展する系について、数値シミュレーションを用いて解析を行う。潤滑近似の下での液滴のモデルを用いて、運動しながら分裂する液滴の運動を数値的に再現することを目指す。
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