2021 Fiscal Year Research-status Report
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20K03872
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| Research Institution | Hokkaido University |
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Principal Investigator |
折原 宏 北海道大学, 工学研究院, 教授 (30177307)
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2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 負の粘性 / 液晶 / 乱流 / シミュレーション |
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| Outline of Annual Research Achievements |
負の粘度を持つ流体の探索は古くから行われていたが、最近申請者らは電場を印加した液晶においてレオメーターを用いて負の粘性を初めて観測することに成功した。この発見は、負の粘性を持つ流体に関する新たな学問分野の開拓およびその応用へとつながると期待できる。本研究では、負の粘性の発生機構をシミュレーションと実験により解明することを目的とする。
昨年度の研究では、レオメーターを用いなくても、２枚の透明電極付きの平行平板の間に挟んだ液晶に電場を印加すると渦等の自発流れが発生することが明らかになった。さらに、自発流れを引き起こす項を加えた２次元ナビエストークス方程式によりこのような自発流れを再現することができた。
昨年度観察した自発流れは欠陥の移動を画像処理により間接的に求めたものであったが、今年度は微粒子を液晶中に分散させてその軌跡を観察した。その結果、実際に自発流れが存在し、微粒子の軌跡から求めた速度と画像処理により求めた速度が一致することを示した。また、昨年度は印加電場に交流を用いていたが、直流も印加すると渦のパターンが大きく変化することが分かった。これは、直流印加により電極からイオンが液晶中に注入されているためと考えられる。シミュレーションでこの現象が説明できないかを検討している。
今年度は３次元のシミュレーションに着手した。液晶の配向場、流れの速度場および電場を変数とする方程式をオンサーガーの変分原理より導出し、有限要素法による数値計算を行った。まず、散逸構造として良く知られている液晶電気対流に適用し、ロールが生成されることを確認した。さらに、流れが速くなると欠陥が生成されることも再現できた。
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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
計算方法を格子ボルツマン法から有限要素法に変更したため、多少の遅れが生じたが、
現在液晶の配向場、流れの速度場および電場を変数とする方程式の数値計算ができるようになっている。最終年度までには当初の目的を達成できる予定である。
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| Strategy for Future Research Activity |
市販の有限要素法のシミュレーターを使用することにより、液晶の配向場、流れの速度場および電場を変数とする方程式を数値的に解くことが可能になった。これにより電場下で欠陥が現れると、欠陥の周りは配向が急激に変化しているので、導電率異方性によりその近傍にイオンが集積し、その結果、流れが生じることが分かった。液晶乱流は、このようなイオンの集積と流れによるものと考えられるので、シミュレーションによりその機構を詳しく調べる。また、実験では電場下で多数の欠陥が観測されるので、シミュレーションで多数の欠陥（液晶乱流）を発生させる手法を検討し、実験結果を再現する。負の粘性の起源は液晶乱流の巨視的対称性が破れることによって生じると予想されるので、これが正しいかを大きな系において実際に応力を計算して検証する予定である。
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| Causes of Carryover |
コロナ禍により予定していた出張を中止したことによる。研究の過程で新たにソフトウェアが必要になったので、それを購入する費用に充てる。
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