2021 Fiscal Year Research-status Report

粉体系と液体系における重力不安定化現象の普遍性解明

Research Project

Project/Area Number	20K14379
Research Institution	Tokyo University of Agriculture and Technology
Principal Investigator	小林和也東京農工大学, 工学(系)研究科(研究院), 特任助教 (00849474)
Project Period (FY)	2020-04-01 – 2024-03-31
Keywords	粉粒体 / 重力不安定性現象 / 物理ゲル / 非平衡物理
Outline of Annual Research Achievements	本研究課題は，砂などの粉体を用いた重力不安定性現象（液体系ではレイリー・テイラー不安定性として知られている）に着目している．重力不安定性現象は，液体系ではこれまでに様々な実験的・理論的な調査が行われており，数々の重要な性質が明らかになっている．その一方で，粉体系では特有の複雑性からあまり理解が進んでいない．そこで本研究では，粉体系と非常に類似した性質を有する系として，固体状態と液体状態に加熱や冷却によって可逆的に転移することができる物理ゲルに着目している．この粉体の沈降挙動に類似している可能性のあるゲル系を詳細に調査し比較することによって，複雑な粉体系のダイナミクスを明らかにすることが目標である．本年度は，従来の実験セットアップを一部改善することによって粉体の充填率制御を可能とし，粉体の充填率が変化した際の界面移動速度や波長等のパラメータの時間変化について，定量的データを得ることに成功した．さらに，ゲル系における重力不安定性現象についても，前年度の実験に引き続き，加熱温度や上下の組み合わせといった条件を系統的に変化させた実験を実施した．これらの結果を詳細に解析した結果，充填率を変化させた粉体と加熱温度を変化させた際のゲル系の結果が一致することを明らかにした．さらに，本研究課題にて得られた研究成果をまとめた論文を執筆・投稿し，査読を経て国際学術誌に掲載された．なお，本論文の情報や具体的な内容に関しては，所属機関などを通してプレスリリースも行った．なお，本研究課題は課題番号[19K23428]と相補関係にあり，高い相乗効果が得られた．
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason 並行して実施した課題番号[19K23428]とは非常に高い相乗効果が得られ，実験セットアップの一部改善などを通して，現在使用している粉体（空気中や水中の沈降）や物理ゲルに関する系統的な実験を実施することができた．特に粉体の充填率が変化した際の界面移動速度や波長等のパラメータの時間変化など，新たな定量的データの取得にも成功した．さらに論文執筆も当初の計画通りに進んでおり，本年度までに得られた研究成果をまとめた論文が国際学術誌に掲載され，さらに，所属機関などを通してプレスリリースも行った．次年度以降はこれらのデータを元にした，さらなる研究進展が見込まれる．これらの状況を踏まえて，おおむね順調に進展していると判断した．
Strategy for Future Research Activity	これまでに粉体実験については，空気中の重力不安定現象に関して当初の想定通りに研究が進められている．また，空気中だけでなく液体中の沈降についても研究を実施することができた．一方で，液体側の粘性制御に関しては十分な検討ができておらず，継続して調査をする必要がある．また，現在使用している粉体粒子の粒子形状は均一ではなく，この影響については検討できていない．これに関しては，ガラスビーズなどの形状が比較的均一な粒子等を利用した実験を実施予定である．これらの実験を通してスケーリング則の導出を目指す．さらに，これまでに得られた重力不安定化のメカニズムに関する知見を応用して，別の粉体流動現象へと適用することも検討している．研究成果について国内外の学会での発表を予定しており，また上記実験結果を踏まえた論文の執筆を計画している．
Causes of Carryover	2020年度，2021年度はそれぞれで研究機関を移動しながら研究活動を行った．さらに，コロナウイルス等の影響もあり，海外からの物品購入がうまくいかないケースや半導体不足等によって実験装置の納期の目処が立たないケースなどがあり，計画通りに助成金の使用ができなかった．2022年度からは新たな研究機関に移動し，研究室も新設することから，本研究課題の進展に必要な物品等を計画的に購入することを予定している．