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Negative viscosity induced by electroconvection in a nematic liquid crystal

Research Project

Project/Area Number 18H01374
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (B)

Allocation TypeSingle-year Grants
Section一般
Review Section Basic Section 19010:Fluid engineering-related
Research InstitutionOita University

Principal Investigator

長屋 智之  大分大学, 理工学部, 教授 (00228058)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 岩下 拓哉  大分大学, 理工学部, 准教授 (30789508)
Project Period (FY) 2018-04-01 – 2022-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2021)
Budget Amount *help
¥17,940,000 (Direct Cost: ¥13,800,000、Indirect Cost: ¥4,140,000)
Fiscal Year 2021: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000)
Fiscal Year 2020: ¥2,340,000 (Direct Cost: ¥1,800,000、Indirect Cost: ¥540,000)
Fiscal Year 2019: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000)
Fiscal Year 2018: ¥13,520,000 (Direct Cost: ¥10,400,000、Indirect Cost: ¥3,120,000)
Keywords負の粘性 / 電気対流 / 液晶 / レオロジー / 散逸構造
Outline of Annual Research Achievements

代表者らは,電気対流下の液晶の粘性値が負になるという非常識的な現象を発見した。負の粘性状態では,自発的な流れが発生しすることから,負の粘性状態の液晶を” ferroviscous fluid ”命名した。
この現象を初めて観測したのは,MBBAと呼ばれるシッフ塩基系液晶である。負の粘性状態は,電気対流の存在が不可欠であり,一般に誘電異方性が負の液晶に導電性不純物をドープした試料で発現する。R1年度の研究では,MBBAの同族液晶のEBBA液晶においても負の粘性が発現する事を確認し,MBBAとの違いを詳細に調べた。また,同じシッフ塩基系液晶のPBBA,BBBAでの負の粘性の発現を確認した。そこで,R2年度は,PBBA,BBBAでの負の粘性の詳細な特性解析を行った。
PBBA,BBBAは市販されていないため,大分大の氏家教授に合成を依頼した。市販液晶ではない為,誘電異方性と導電率異方性を精密に測定する必要があった。その為,電磁石で液晶の配向を変化させながらLCRメータ-で液晶セルの静電容量を測定する装置を作成した。そして,臭化ブチルアンモニウム(TBBA)を導電性不純物としてPBBA,BBBAにドープした試料の電場下での粘性率測定を行った。PBBA,BBBAともにせん断応力を変化させた時のせん断速度の応答では履歴が観測されたが,その大きさはMBBA,EBBAよりも小さく,負の粘性は発現するものの顕著ではなかった。負の粘性の特性はドープした試料の量に依存して変化することがわかったが,PBBA,BBBAとも加水分解によって試料が著しく劣化する事も判明し,ドープしたTBBAのみの効果によって負の粘性が変化したかは不明であった。
上記の内容を,2nd International Conference on Optics and Photonicsのキーノート招待講演で報告した。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

新型コロナウイルス感染拡大により,教育の業務と大学運営業務に例年よりもはるかに長い時間を要したため,研究を行う時間が十分に取れなかったため。

Strategy for Future Research Activity

シッフ系塩基液晶のMBBA,EBBA,PBBA,BBBAでは負の粘性が発現し,ドープした導電性不純物の量によって特性が変化する事がわかったが,シッフ塩基系液晶は大気中の湿度のために劣化するため,取扱に十分注意が必要である事がわかった。その為,この点に注意して,TBBAをドープしたPBBA,BBBA粘度特性を再度測定する。さらに,ドープする物質によっても粘度特性が変化する事が予測されるので,液晶電気対流の研究で用いられているTBBA以外の導電性不純物の場合についても測定を試みる。また,負の誘電異方性を持つディスプレイ用の液晶に関しても,負の粘性の発現の有無を確認する。
上記の研究の他,負の粘性状態が試料全体で発現するまでの過程について調べる。負の粘性状態によって試料全体にわたって巨視的な自発流れが発現するが,このとき,最初は局所的な自発流れが時間と共に試料の中で揃うことによって巨視的な流れへと変化すると予想している。そこで,局所的な自発流れが巨視的な自発流れへと成長する過程を,顕微鏡観察と画像解析によって実験的に明らかにする。負の粘性状態では,激しい乱流状態になっており,相互相関関数を用いて顕微鏡の視野の中の流れ方向を推測できる可能性が高いので,相関関数を用いた粒子画像流速測定法を適応して,流れ場を矢印で示すソフトウェアを開発し,乱流の流れ場を可視化する。

Report

(3 results)
  • 2020 Annual Research Report
  • 2019 Annual Research Report
  • 2018 Annual Research Report

Research Products

(23 results)

All 2021 2020 2019 2018 Other

All Journal Article (4 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results,  Peer Reviewed: 4 results) Presentation (17 results) (of which Int'l Joint Research: 6 results,  Invited: 3 results) Remarks (2 results)

  • [Journal Article] Observation of stochastic resonance in a liquid-crystal light valve with optical feedback induced by colored noise in the driving voltage2020

    • Author(s)
      Goto Yoshitomo、Shishibe Atsuya、Orihara Hiroshi、Residori Stefania、Nagaya Tomoyuki
    • Journal Title

      Physical Review E

      Volume: 102 Pages: 06270210627027-06270210627027

    • DOI

      10.1103/physreve.102.062702

    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Negative viscosity of liquid crystals in the presence of turbulence: Conductivity dependence, phase diagram, and self-oscillation2020

    • Author(s)
      F. Kobayashi, Y. Sasaki, S. Fujii, H. Orihara, T. Nagaya
    • Journal Title

      Physical Review E

      Volume: 101 Pages: 1-10

    • DOI

      10.1103/physreve.101.022702

    • NAID

      120006814288

    • Related Report
      2019 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Negative viscosity of a liquid crystal in the presence of turbulence2019

    • Author(s)
      Orihara Hiroshi、Harada Yuko、Kobayashi Fumiaki、Sasaki Yuji、Fujii Shuji、Satou Yuki、Goto Yoshitomo、Nagaya Tomoyuki
    • Journal Title

      Physical Review E

      Volume: 99

    • DOI

      10.1103/physreve.99.012701

    • NAID

      120006585974

    • Related Report
      2018 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] A Pseudo-neuron Device and Firing Dynamics of Their Networks Similar to Neural Synchronizing Phenomena Between Far Local Fields in the Brain2018

    • Author(s)
      Yano Tomoyuki、Goto Yoshitomo、Nagaya Tomoyuki、Tsuda Ichiro、Nara Shigetoshi
    • Journal Title

      Advances in Cognitive Neurodynamics

      Volume: vol. 4 Pages: 109-117

    • DOI

      10.1007/978-981-10-8854-4_14

    • Related Report
      2018 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Presentation] 電場誘起のMBBA同族液晶の負の粘性2021

    • Author(s)
      小林史明, 氏家誠司, 折原宏, 長屋智之
    • Organizer
      日本物理学会第78回年次大会
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] Discovery of negative viscosity state in liquid crystals under an electric field2020

    • Author(s)
      Tomoyuki Nagaya and Hiroshi Orihara
    • Organizer
      2nd International Conference on Optics and Photonics
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] 電気対流によって誘起されるシッフ塩基液晶の負の粘性2020

    • Author(s)
      長屋智之,津田洋介,氏家誠司,後藤善友,小林史明,折原宏
    • Organizer
      西日本非線形研究会
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] 液晶電気対流下における液晶のレオロジー2019

    • Author(s)
      津田洋介,後藤善友,小林史明,折原宏,長屋智之
    • Organizer
      日本物理学会 2019年秋季大会(物性)
    • Related Report
      2019 Annual Research Report
  • [Presentation] 液晶 EBBA の負性粘度により誘起された自励振動2019

    • Author(s)
      小林史明,佐々木裕司,藤井修治,折原 宏,長屋智之
    • Organizer
      第 67 回レオロジー討論会
    • Related Report
      2019 Annual Research Report
  • [Presentation] イオンをドープした液晶 EBBA における負の粘性2019

    • Author(s)
      小林史明,佐々木裕司,藤井修治,折原 宏,長屋智之
    • Organizer
      第 67 回レオロジー討論会
    • Related Report
      2019 Annual Research Report
  • [Presentation] 有色ノイズがMBBA 液晶の負の粘性発現に及ぼす効果2019

    • Author(s)
      野中祐輝, 氏家誠司, 津田洋介, 小野澤晃, 後藤善友, 長屋智之, 小林史明, 折原宏
    • Organizer
      第 125 回日本物理学会九州支部例会
    • Related Report
      2019 Annual Research Report
  • [Presentation] 液晶電気対流によって誘起される MBBA 同族液晶の負の粘性2019

    • Author(s)
      津田洋介, 氏家誠司, 小野澤晃, 後藤善友, 長屋智之, 小林史明, 折原宏
    • Organizer
      第 125 回日本物理学会九州支部例会
    • Related Report
      2019 Annual Research Report
  • [Presentation] イオンをドープしたEBBAの電場下における自発流れの発生2019

    • Author(s)
      小林史明, 佐々木裕 司, 藤井修治, 長屋智之, 折原 宏
    • Organizer
      2019年 日本液晶学会討論会
    • Related Report
      2019 Annual Research Report
  • [Presentation] Negative Viscosity of a Liquid Crystal in the Presence of Electroconvection2019

    • Author(s)
      Tomoyuki Nagaya and Hiroshi Orihara
    • Organizer
      4th International Mini-Symposium on Surface Forces
    • Related Report
      2018 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Observation of Stochastic Resonance Induced by Dichotomous Noise in a Liquid Crystal Light Valve with Optical Feedback2019

    • Author(s)
      Yoshitomo Goto, Tomoyuki Nagaya and Hiroshi Orihara
    • Organizer
      American Physical Society March Meeting 2019
    • Related Report
      2018 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 電気対流によって誘起される液晶の負の粘性2018

    • Author(s)
      長屋智之,折原宏
    • Organizer
      大阪府立大学ニュー・フロンティア材料研究会 第310回講演会
    • Related Report
      2018 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] Negative Viscosity Induced by Electroconvection in MBBA2018

    • Author(s)
      Tomoyuki Nagaya, Yuko Harada, Yuji Sasaki, Shuji Fujii, Yousuke Tsuda, Yoshitomo Goto and Hiroshi Orihara
    • Organizer
      27th International Liquid Crystal Conference(ILCC2018)
    • Related Report
      2018 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Stochastic Resonance induced by Dichotomous Noise in a Liquid Crystal Light Valve with Optical Feedback2018

    • Author(s)
      Yoshitomo Goto, Tomoyuki Nagaya and Hiroshi Orihara
    • Organizer
      27th International Liquid Crystal Conference(ILCC2018)
    • Related Report
      2018 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Observation of Orientational Fluctuations below a Bifurcation to Electroconvection in a Chiral Nematic Liquid Crystal2018

    • Author(s)
      Fumiaki Kobayashi, Yuji Sasaki1, Yoshiki Hidaka, Tomoyuki Nagaya and Hiroshi Orihara
    • Organizer
      27th International Liquid Crystal Conference(ILCC2018)
    • Related Report
      2018 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 光フィードバック下の液晶光バルブにおける2値ノイズによる確率共鳴2018

    • Author(s)
      後藤善友, 猪部篤矢, 折原 宏, 長屋智之
    • Organizer
      2018年液晶学会討論会
    • Related Report
      2018 Annual Research Report
  • [Presentation] 電場によって誘起された液晶乱流の性質2018

    • Author(s)
      小林史明, 佐藤 耀, 佐々木裕司, 藤井修治, 折原 宏, 長屋智之
    • Organizer
      2018年液晶学会討論会
    • Related Report
      2018 Annual Research Report
  • [Remarks] ひらめきときめきサイエンス「実験を通じて学ぶ液晶の科学」を2019/11/10に実施

    • URL

      http://zairyo.susi.oita-u.ac.jp/nagayalab/hirameki2019HP/index.html

    • Related Report
      2019 Annual Research Report
  • [Remarks] 実験と工作で体験するカオスと液晶の科学

    • URL

      http://zairyo.susi.oita-u.ac.jp/nagayalab/hirameki2018HP/index.html

    • Related Report
      2018 Annual Research Report

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Published: 2018-04-23   Modified: 2021-12-27  

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