2020 Fiscal Year Annual Research Report
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20H01869
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
山本 潤 京都大学, 理学研究科, 教授 (10200809)
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2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 準等方 / 揺らぎ / 擬臨界 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
「準」等方相と総称した物質群は、液体と同じ高い対称性を有しながら特徴的な動的内部構造を持つ物質である。本構想では以下の3つを基礎モデルとする。(1)ガラス・ゲルに代表される物質では、近年、内部の「動的不均一性」がその物性や相転移に重要な役割を果たすことがわかってきた。(2)代表者が発見した、2つの特異なフラストレート液晶では、局所的な液晶秩序が自己組織・階層的にランダム化されて、巨視的に等方性を回復する。(3)同様に代表者が最近発見したPhantasmagoric液晶では、ミセルの形状転移に誘導される2次のI-N転移を示し、等方相の幅広い温度域で「擬臨界」状態となる。すなわちこれらの「準」等方相では、「動的不均一性」に由来する高速な物性を有し、「擬臨界性」に基づいた安定で大きな応答性を併せ持つ。また、その準等方性から予備的な材料の配向処理を必要とせず、その取り扱いを容易とする。
一般に相転移や相分離にともなって物質の対称性は低下し、低温側の秩序相では様々な内部構造が現れる。ソフトマターでは液体と固体の様々な中間状態が存在し、物質の多様性に富んでいる。そもそも、物質の内部構造とは、濃度・密度・秩序度・歪など、さまざまな物理量の空間不均一性そのものである。一方で、最も対称性の高い球形な対称性を持つ「液体」には内部構造がないため、物質の内部構造の情報を得ることは極めて難しい。本研究で対象とする「準」等方相では、液体と同じ等方的な対称性を有し、静的な内部構造を持たない。他方、これらの物質でも、「動的不均一性」と呼ばれる構造が、本質的重要な役割を担うことが近年の研究から判明してきた。しかし、動的不均一性は顕微鏡のように像として可視化する原理がない。代表者により発明・開発された揺らぎ顕微鏡は、物質内で“何が”、“どの速度で”、“どのように”動いているかを観察できるのである。
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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
揺らぎ顕微鏡の空間分解能・時間分解能の向上 動的不均一性のスナップショットからは、各点における緩和周波数・振幅・位相の強度の絶対値だけでなく、「動的」不均一性を示す領域の密度、界面厚、サイズ、形、モルフォロジー、トポロジー（空間接続性）など、さまざまな動的不均一性の空間構造の特徴を解析できる。一方で、実際の準等方性相の観測には、SN、空間分解能、時間分解能の向上が必要である。そのため、回転運動についての情報も得られる偏光超高速高感度カメラを用いて、性能を根本的に向上を行った。
また、動的不均一性の動画観察を実現するため、動的不均一性を持つ領域自体の時間変化を「動画」として観測できるように測定系を改良した。動画からは、動的不均一性の空間構造の時間変化、合体・分裂、領域自体の運動、変形、生成、消滅などを観測することができる。今後、膨大な2次元データから動画を迅速に再構築するために、高速な演算用PCを次年次に導入する予定である。
擬等方性を示す物質の研究については、通常のネマティック相では、液晶分子はその形状が不変のため、配向秩序の無秩序化によってのみ等方相への相転移が駆動される。一方、代表者が最近発見したPhantasmagoric液晶では、棒状ミセルを単位とするネマティック相が、ミセルの球-棒転移に伴い連続（2次）相転移する液晶相である。このため、等方相では球-棒転移による「擬臨界」状態が広い温度範囲で保持され、巨大な外場応答が期待される。今年度は、特に相転移点近傍での臨界揺らぎについて精密測定を行い、その相転移ダイナミクスを研究した。
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| Strategy for Future Research Activity |
初年度に開発を進めている揺らぎ顕微鏡を用いて、ガラスやゲルなど、準等方性を示す物質群の中でも、その構造形成に動的不均一性が重要な役割を担っている標準的な物質を用いて基礎データを取得する。本構想ではガラス形成物質においては、周囲の分子の運動性の低下により現れる“ケージ”による動的不均一性を、ゾル-ゲル転移では“架橋点”形成に伴うそれを、揺らぎ顕微鏡を用いて実験的に可視化して、その機構を明らかにする予定である。一般の窓ガラスなどケイ素が作るガラスでは、高温、高速のため計測の困難さが予想されるので、液晶高分子などが形成するガラス状態やゲル状態を手始めにまず研究を進める。その中で、温度に依存した動的不均一性の空間構造発展や、パーコレーションによる運動連結性の変化を、開発した揺らぎ顕微鏡により2次元画像として取得することを目指す。
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