2021 Fiscal Year Annual Research Report
Challenge from mechanical self-organization to elucidate the physical properties of non-equilibrium soft matter / amorphous material
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20H05619
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
田中 肇 東京大学, 先端科学技術研究センター, 名誉教授 (60159019)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
山本 量一 京都大学, 工学研究科, 教授 (10263401)
古川 亮 東京大学, 生産技術研究所, 准教授 (20508139)
高江 恭平 東京大学, 生産技術研究所, 特任講師 (30739321)
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| Project Period (FY) |
2020-07-30 – 2025-03-31
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| Keywords | 非均衡固体 / 運動量保存則 / アモルファス物質 / ソフトマター / 力学・熱物性 / アモルファス物質 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
（１）ソフトマターの力学的組織化と力学的最適設計：コロイド分散系や単純な一成分からなる流体が気体相と液体相に相分離する際にみられる、ネットワーク状の相分離構造の成長過程を、大規模なシミュレーションにより研究した。その結果、二つの相における粒子の密度が大きく異なり、混み合った相と希薄な相の間で粒子の動きが大きく異なる場合、混み合った相で形成されるネットワーク構造の特徴的なサイズが時間の冪で、自己相似的に成長すること、さらには、この冪乗則の指数（成長指数）が、これまで知られていた相分離の指数（1/3または１）とは異なり、1/2となることを発見した。
（２）力学的トポロジーと流動：平均場理論と粒子ベースのモデルを併用して、異種細胞の競合について新たな機構を見出した。この粒子ベースモデルには細胞分裂を制御するために細胞周期制御が組み込まれており、細胞死（アポトーシス）の頻度や、細胞が増殖を停止する特性圧力が異なる異種細胞の混合系を扱うことができる。また、固体の記述におけるラグランジュ・オイラー描像の相違に着目して、固体における波数依存の散逸機構に関して、固体と・液体の本質的な違いに迫る基礎的に重要な発見をした。
（３）相互作用ネットワークトポロジーに基づくアモルファス物質の物性解明：これまで、ガラス状態にある物質のエイジングや脱硝を防ぐために、温度を下げその進行を遅らせるアニール法などにより熱力学的に安定化する方法が行われてきた。我々は、コロイド分散系のガラス状態について、粒子の局所密度を均一化するという全く新しい方法で、非常に高い安定性を実現することに成功した。この原理は、ガラス状態を「力学的に均一化」する、すなわち、粒子間にかかる力がどの粒子に対しても釣り合った力学的に均一状態にするという力学的安定化法であり、従来の熱力学的な安定化法とは本質的に異なる全く新しい物理原理を提供する。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
新しい相分離粗大化則の発見について:これまでに相分離構造の自己相似的成長について、３つの古典的な基本法則が知られていた。今回それらに加えて、数十年ぶりに４つめの相分離に関する基本法則を発見したといえる。この新たな成長則は、コロイド分散系、タンパク質溶液、リオトロピック液晶系などの様々なソフトマターから、単純な一成分液体にわたる幅広い物質群の気体・液体相分離に普遍的に現れることも明らかとなった。この成果は、相分離の基本法則の新たな発見のみならず、相分離を用いた多孔質構造材料の構造制御などの応用面でも大きな波及効果が期待される。この成果は、将来教科書に記載されるような大きな成果であると考えている。
新しい原理に基づくガラスの安定化について：ガラス構造のエイジングは、ガラスの長期安定性にかかわる極めて重要な問題である。これまでガラス状態の安定化には、アニール法や表面拡散を利用して構造の安定化を図る蒸着法などに代表される「熱力学的な安定化」が用いられてきたが、本研究により、「力学的な安定化」という全く新しい道が示されたと言える。この発見は、ガラス状態の安定性に、熱力学的自己組織化だけでなく力学的な自己組織化が大きく関わっていることを示しており、非平衡なガラス状態を力学的に安定化させるための新たな物理的な原理を提供したと言える。またこの結果は、密度の超均一性と、時間的に変化しない安定なガラス状態との間に深い関係があることを示している。この発見は、熱力学的に非平衡なガラスを機械的に安定化させるための新たな基本原理を提供するのみならず、超安定なガラスを実現するための新たな道を拓くものと期待される。
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| Strategy for Future Research Activity |
（１）ソフトマターの力学的組織化と力学的最適設計：コロイド分散系、高分子溶液系の相分離シミュレーションと実験を比較検討することで、多体的流体力学的相互作用の役割、粗大化の機構を明らかにする。とくに、高分子系の粘弾性相分離に関して、分子の一次元的な連結性が多体的流体力学的相互作用を介して及ぼす、粘弾性相分離の粗大化機構への影響を中心に研究を行う予定である。また、ステッド機能付きの共焦点レーザ顕微鏡を用い、コロイド分散系の相分離に対する相互作用範囲の影響について研究を行う。また、重力下でのコロイドゲルの崩壊のダイナミクスに一粒子レベルで実験的に迫ることで、ゲルの力学的不安定化の機構を微視的レベルで解明したいと考えている。
（２）力学的トポロジーと流動：ずり変形と体積緩和の結合に着目して、粗視化モデルに基づき、シアバンド現象、破壊現象について研究を行うとともに、疲労破壊の機構解明も目指す。また、流体力学シミュレーションを通じて、アクティブサスペンションの異常粘性に果たす流体力学的相互作用の役割、アクティブマターの流体を介した自己組織化の機構を明らかにする予定である。
（3）相互作用ネットワークトポロジーに基づくアモルファス物質の物性解明：過渡的力学平衡下でのアモルファス構造の自己組織化について、理論的・数値的な研究を行い、弾性・破壊特性、比熱・熱伝導特性などとの関係を調べる。また、乱雑構造の中でも、水素結合や共有結合により形成されるネットワーク構造のトポロジーは、水、シリコン、シリカ、カルコゲナイドなど極めて重要な材料の物性と深く関わっている。そこで、熱力学的構造化により形成された正四面体構造が、運動量保存則の下でどのように力学的自己組織化するのかについて、分子動力学シミュレーションを用いて研究する予定である。
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