2020 Fiscal Year Research-status Report
Variety of the memory retention ability in the memory effect of paste
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20K03886
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| Research Institution | Nihon University |
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Principal Investigator |
中原 明生 日本大学, 理工学部, 教授 (60297778)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
狐崎 創 奈良女子大学, 自然科学系, 教授 (00301284)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | 記憶効果 / レオロジー / 破壊の制御 / 塑性流体 / コロイド |
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| Outline of Annual Research Achievements |
高濃度コロイドサスペンション（ペースト）は塑性変形の形で揺れや流れなどの動きを記憶し、その記憶に従って乾燥させた時に割れやすい方向が決まる。例えばペーストを揺らしてから乾燥させると揺れた方向に垂直に割れやすく、流れたペーストは流れた方向に沿って割れやすい。ペーストが動きを記憶できるのは揺れや流れの際にミクロに異方的なクラスターが形成されるためなので、コロイド粒子間にどのような力が働くかが重要な要因となる。
ペーストを流す流路にスリットがあると、スリット通過前は流れに平行に割れやすく、スリット通過後は流れに垂直に割れやすくなる現象が実験で得られた。分子動力学法を用いたシミュレーションによると一様な剪断流の中ではコロイド粒子のクラスターが流れの方向に沿って伸びた異方的な構造になることが示された。スリット通過前は流れが加速されるので流れの方向に沿って伸びたクラスターになるが、スリット通過後は流れが減速されるためにクラスターにブレーキがかかる形で進行方向に対し垂直に広がってしまい、流れに垂直に割れやすくなっていると考えられる。このメカニズムは今後SPring-8でX線CTを用いた非破壊構造解析を行って検証していく。
水中で帯電している炭酸カルシウムなどのコロイド粒子は揺れは記憶できても流れの中ではクラスターを形成できず流れを記憶できないが、糖類などの紐状の高分子を適度に添加することで流れを記憶できることがわかった。さらに糖の添加量が多すぎると逆効果になり再び流れを記憶できなくなることも実験で確認された。この実験結果から、紐状の高分子の両端がコロイド粒子に吸着することで粒子間引力を引き起こしクラスターの形成を促進するためであり、加量が多すぎると逆にコロイド粒子の表面が高分子に覆われてしまうので逆に粒子間引力が働かず、その結果クラスターが形成できくなると考えるのが妥当であることが分かった。
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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
流れたペーストは流れの方向に沿って割れやすいが、ペーストを流す流路にスリットがあると、スリット通過前は流れに平行に割れやすく、スリット通過後は流れに垂直に割れやすくなることが実験によって分かった。分子動力学法を用いたシミュレーションによると一様な剪断流の中ではコロイド粒子のクラスターが流れの方向に沿って伸びた異方的な構造になる。この結果を踏まえると、スリット通過前は流れが加速されるので流れの方向に沿って伸びたクラスターになるが、スリット通過後は流れが減速されるためにクラスターにブレーキがかかる形で進行方向に対し垂直に広がってしまい、流れに垂直に割れやすくなったと考えられる。SPring-8でX線CTを用いた非破壊構造解析を行ってこの考えを検証する予定であったが、コロナ禍で国内出張が許可されにくい状況となってしまったので、次年度にコロナ禍の状況が改善すれば速やかに測定を行いたい。
ペーストに高分子を添加することでペーストのメモリー効果に変化が生じるか調べる実験も行った。本来水中で帯電しているコロイド粒子は流れの中ではクラスターを形成できず流れを記憶できないが、糖類などの紐状の高分子を適度に添加することで流れを記憶できることがわかった。さらに添加量が多すぎると逆効果になり、流れを記憶できなくなることも実験で確認された。高分子を添加するとペーストが流れを記憶できるようになる要因として当初は枯渇相互作用のためと考えられたが、この実験結果から、紐状の高分子の両端がコロイド粒子に吸着することで粒子間引力を引き起こしクラスターの形成を促進するためであり、加量が多すぎると逆にコロイド粒子の表面が高分子に覆われてしまうので逆に粒子間引力が働かず、その結果クラスターが形成できくなると考えるのが妥当であることが分かった。添加した糖の量でメモリー効果を調整できるので、工学的な応用が大いに期待できる。
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| Strategy for Future Research Activity |
ペーストを流す流路にスリットがあると、スリット通過前は流れに平行に割れやすく、スリット通過後は流れに垂直に割れやすくなる現象が実験で得られたので、その要因を解明するために、コロナ禍の状況が改善されれば速やかにSPring-8でX線CTを用いた非破壊構造解析を行う。その際、更なる可視化のためにもミクロな棒状のマーカー粒子をペーストに添加する手法も検討する。
ペーストの中には揺れても流れても進行方向に垂直に割れる珍しいペーストがあることも分かったので、コロイド粒子の形状や粒子間の相互作用やクラスター構造を調べることで、この現象の解明を行う。このペーストを流す流路にスリットを置く実験も行い、スリットの前後でも進行方向に垂直に割れやすいのか確認する。
コロイド粒子と混ぜる溶媒を変えると、これまで揺れなどを記憶していたペーストが記憶できなくなったり、逆にこれまで記憶できなかったペーストが記憶できるようになったりすることも分かってきた。溶媒中でのコロイド粒子間の相互作用が溶媒とコロイド粒子の種類の組み合わせによって変化するからだと考えられる。溶媒として水、エタノール、低粘性シリコンオイルなどの数種類の揮発性溶媒を用いて比較することで系統的な実験を行い、ペーストのメモリー効果への影響を調べる。
ペーストは揺れや流れを記憶するだけでなく、磁性を持つ場合は磁場を記憶し印加した磁場の方向に沿って割れやすくなる。それぞれの外場の記憶のメカニズムは異なるので、複数の外場を同時にもしくは順次受けたペーストがそれらをどう記憶するかは興味深い問題であり、その結果得られる記憶の重ね合わせや書き換え現象のメカニズムを解明する。
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| Causes of Carryover |
本研究では、研究代表者の中原（日本大学）と研究分担者の狐崎（奈良女子大学）が相互の研究室を訪問して共同で実験を行い、SPring-8でX線 CTを用いてペーストの内部構造の非破壊構造解析を行う予定であったが、コロナ禍のために国内出張が難しい状況であったので、令和２年度の使用ができなかった。そのため、コロナ禍の状況が改善すれば令和３年度にそれらの計画を実施したい。
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Research Products
(6 results)
