2015 Fiscal Year Annual Research Report
Developments and applications of accurate simulation methods for micro particles and organisms
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26247069
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
山本 量一 京都大学, 工学研究科, 教授 (10263401)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
安田 修悟 兵庫県立大学, その他の研究科, 准教授 (70456797)
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| Project Period (FY) |
2014-06-27 – 2017-03-31
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| Keywords | ソフトマター / アクティブマター / シミュレーション / コロイド / 流体力学 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
ソフトマター（高分子・液晶・コロイド・ゲル・界面活性剤などの複雑で柔らかい物質の総称）は機能性材料の宝庫であるが、その複雑なマルチスケール（ミクロnm～メソμm)の階層構造のため、分子動力学法や計算流体力学法など既存の単一スケールシミュレーション法では歯が立たない。ミクロ階層の影響を統計力学的にメソ階層に反映する粗視化シミュレーション法や、両者を数値的に連結するマルチスケールシミュレーション法が有効であり、申請者らが過去１０年間開発に取り組んだ微粒子分散系の直接計算法（SPM）はその成功例である。本研究ではその方法を更に発展させ、これまで適用が困難であった複数相の界面や境界が重要となる現実的な問題に対して複数階層その場シミュレーションを実現し、材料・プロセス開発の基礎技術として確立する。
平成２７年度は「自己推進微生物（マイクロスイマー）のダイナミクス」について、申請者等がこれまでに開発した微粒子分散系に対する粗視化シミュレーション手法をベースとし、複数相の界面や境界をそのまま顕に扱うためのその場シミュレーション法を開発した。水中を泳動する微生物には多種多様な種類があり、その構造の違いにより運動性も異なる。シミュレーションでもこの違いを反映した議論をすべきであるが、バクテリアの鞭毛などの微生物の微細な構造を再現したモデルでは、液体中に存在する１個の微生物の運動すらまともにシミュレーションすることは出来ない。ましてや周囲の流体を通して相互作用する微生物集団のシミュレーションを行うことなどは不可能で、これを実現するためには微生物が持つ本質を失うことなくモデルの大胆な簡略化が求められる。
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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
シミュレーションによる材料設計やプロセス設計という工学的な応用に取り組む際に大きな阻害要因になるのが適切な境界条件の設定である。ソフトマターの物性を基礎科学的な立場から研究する場合、小さな基本セルを空間的に繰り返して構成する周期境界条件が通
常用いられる。高分子液体の流動など非線形性の強い問題や、荷電コロイド分散系など相互作用のレンジが大きい場合などでは、現実の境界条件の下で起こる現象を理想化された周期境界条件の結果から正しく予測することは容易ではない。そのような問題では、現実
的な境界条件の下でシミュレーションを行うことが本質的に重要である。本研究では現実的な問題への応用を目的としており、個別の境界条件の下でのソフトマター材料の挙動をシミュレーション可能とする。具体的には、電子インクなどの新しい材料技術を用いた表
示デバイスの開発や、インクジェット技術を応用した電子基板の製造など新しいデバイス製造プロセスの開発など、複数相の界面や境界が重要となるためにこれまでの周期境界条件ベースのシミュレーションの適用が困難な問題に対して、全系その場シミュレーション
を実現する。
シミュレーション法を開発するため、条件設定のための対象モデリングの検証を行ったが、当初の予想に反し対象モデリングと実験データとの比較において検討内容に不十分な点のあることが判明し、条件設定が予想以上に困難な事が判明した。その結果、条件設定を6カ月延長して行ったうえで数値計算を行う必要が生じた。その後，平成２８年度に必要な検討を追加実施することでこの遅れを取り戻すことに成功し、パイプ状の空間に拘束された状況における導入に成功しした。これまでの成果によって、研究は順調に進展している。
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| Strategy for Future Research Activity |
現実の微生物の持つ複雑な状況をアクティブコロイドとしていったん簡略化し、本質を突いた小数のパラメータで集団運動の様子を整理し直すことで、詳細なモデルでは見えない本質に迫ることが出来る。物理学では多用される常套手段であるが、生物学的な研究対象でも大いに有効であることを示すことが、本研究の最終的な目標である。そのためのツールとして、粗視化シミュレーション法とマルチスケールシミュレーション法の２つのアプローチを相補的に検討し、応用範囲の広いその場シミュレーション技術を開発している。
平成２８年度は、前年度までに開発した「自己推進微生物に対するその場シミュレーション手法」を用いて、モデル微生物分散系の大規模シミュレーションを実施する。通常の周期境界条件はもちろん，それ以外の任意の外部境界条件の下で発現する多種多様な微粒子の集団運動を研究対象とし、その背後に存在するメカニズムの理解を目的とする。その過程では、データの可視化や仮想現実技術を駆使し、大規模シミュレーションで得られたデ
ータの解析を効果的に行う。また第三者が利用できるシミュレーションツールとして、本研究の成果を我々自身が開発したコロイド分散系のための直接数値計算法(ソフトウェア名KAPSEL)に統合し、一般公開を行う。
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