2020 Fiscal Year Annual Research Report
Influence of the interference effects on radiative transfer in dense colloidal suspensions
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20H02076
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| Research Institution | Hokkaido University |
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Principal Investigator |
藤井 宏之 北海道大学, 工学研究院, 助教 (00632580)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
西村 吾朗 北海道大学, 電子科学研究所, 助教 (30218193)
渡部 正夫 北海道大学, 工学研究院, 教授 (30274484)
小林 一道 北海道大学, 工学研究院, 准教授 (80453140)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 光学特性値 / 輻射（ふくしゃ）の干渉効果 / 干渉散乱理論と輻射輸送論 / 輻射輸送の普遍性 / 分光法と光イメージング |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の目的は、「生体を模擬した高密度なコロイド溶液に対して、輻射（ふくしゃ）の干渉効果を組み込んだ輻射輸送モデル(輸送モデル)を新たに構築した上で、干渉効果が及ぼす光伝播への影響を明らかにすること」である。生体光イメージングや光治療において、生体内の光伝播を定量的に把握することが必要であり、光を輻射と捉えた輸送モデルが活用されている。しかし、従来の輸送モデルには、生体のような高密度な散乱媒体において重要となる干渉効果が考慮されていない。本研究では電磁波の散乱理論より干渉効果を考慮した散乱特性を計算し、輸送モデルに組み込んだ上で光強度の時間分解波形を数値計算する。また、短パルスレーザー光源による光強度計測も実施する。干渉効果が光伝播へ影響を及ぼす時空間スケールについて、散乱係数などで表される無次元数を用いて解析し、理論、数値計算、実験より体系的に明らかにする。この目的を達成するため、本年度は以下の２項目について研究を実施した。
１．光強度の時間分解波形計測のシステム構築に向けて、必要なパルスレーザー、検出器、光学テーブル等を選定し、購入した（2020年度の研究費を繰越し、2021年度までに完了）。一方で、分担研究者の西村吾朗助教の波長可変の光計測システムを利用して、コロイド溶液（脂質エマルジョン）における光計測を様々な濃度（濃度20%まで21条件）、様々な波長（720 nmから860 nmまでの6条件）で実施した。光計測データを逆解析し、多様な条件下におけるコロイド溶液の光学特性値を算出した。
２．多分散系コロイド溶液における電磁波理論である、干渉散乱理論の計算コードを構築し、光散乱特性の体積分率依存性を数値計算した。粒径分布が光散乱特性に強く影響を及ぼす条件（粒径と波長の関係）を明らかにした。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
新型コロナウィルス感染症対策のため、北海道大学の行動指針レベル３の期間（約40日間）において学生の大学への登校は原則許可されず、レベル２の期間（約120日間）においても、大学の長時間滞在はできなかった。非常に大きな時間的制約の中で、光計測システムの構築を行ったため、システム構築を完了するに至らなかった。そのため、2020年度の研究費を2021年度に繰越すこととなった。光計測のシステム構築は遅れているが、数値計算的研究は計画通りに進んでいる。また、研究分担者の西村吾朗助教が既に構築している光計測システムを利用し、光計測と解析を実施することができている。本年度は、以下の２項目について研究を実施した。
１．光強度の時間分解波形計測のシステム構築に向けて、必要なパルスレーザー、検出器、光学テーブル等を選定し、購入した（2020年度分を繰越し、2021年度までに完了）。一方で、分担研究者の西村吾朗助教の波長可変の光計測システムを利用して、コロイド溶液（脂質エマルジョン）における光計測を様々な濃度（濃度20%まで21条件）、様々な波長（720 nmから860 nmまでの6条件）で実施した。光計測データを逆解析し、多様な条件下におけるコロイド溶液の光学特性値を算出した。
２．多分散系コロイド溶液における電磁波理論である、干渉散乱理論の計算コードを構築し、光散乱特性の体積分率依存性を数値計算した。粒径分布が光散乱特性に強く影響を及ぼす条件（粒径と波長の関係）を明らかにした。計算コードの作成と解析はミシガン大学のTsang教授の研究グループとの国際共同研究で実施した。
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| Strategy for Future Research Activity |
本研究目的を達成するために、以下の３つの項目に取り組む。
１．光計測システム構築を完了させる。構築した計測システムより、検出の時間幅、光源ー検出点間距離を適切に調整する。スペクトルの温度や湿度依存性を把握する。また、既に光計測より算出した光学特性値の濃度依存性と波長依存性を解析し、干渉効果を明らかにする。
２．光散乱特性の体積分率依存性を簡潔に記述するモデル式を開発する。干渉散乱理論で散乱特性が厳密に計算することができるが、計算結果から干渉による寄与を抽出するためには、別途モデル式が必要となる。干渉散乱理論数値計算結果や実験結果をモデル式より解析する。モデル式が持つ２，３個の係数より計算結果や実験結果を無次元解析し、干渉効果の普遍性を明らかにする。
３．粒子間の相互作用による干渉効果への影響を明らかにするため、分子動力学シミュレーションを実施する。計算した構造特性を干渉散乱理論に組み込み、光散乱特性を数値計算する。また、粘着性剛体球モデルによる数値計算も実施する。数値計算結果を項目２で開発したモデル式より無次元解析し、その普遍性を明らかにする。分子動力学シミュレーションの計算コードはテスト計算用として自分でC++言語で構築する。その後、大規模計算として、LAMMPSなどの計算パッケージを使用する計画である。体積、温度、粒子数一定のシステムを考え、体積分率を0.1, 1から20%まで変化させる。単成分のLennard-Jonesポテンシャルの計算より始め、ソフトコアポテンシャルなども計算していく。
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