Fundamental physics and impact response of hierarchical granular matter

• Project/Area Number: 18H03679
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Medium-sized Section 13:Condensed matter physics and related fields
• Research Institution: Osaka University (2019-2021); Nagoya University (2018)
• Principal Investigator: 桂木 洋光 大阪大学, 理学研究科, 教授 (30346853)
• Project Period (FY): 2018-04-01 – 2023-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2021)
• Budget Amount: ¥43,940,000 (Direct Cost: ¥33,800,000、Indirect Cost: ¥10,140,000); Fiscal Year 2022: ¥5,980,000 (Direct Cost: ¥4,600,000、Indirect Cost: ¥1,380,000); Fiscal Year 2021: ¥11,180,000 (Direct Cost: ¥8,600,000、Indirect Cost: ¥2,580,000); Fiscal Year 2020: ¥7,670,000 (Direct Cost: ¥5,900,000、Indirect Cost: ¥1,770,000); Fiscal Year 2019: ¥6,630,000 (Direct Cost: ¥5,100,000、Indirect Cost: ¥1,530,000); Fiscal Year 2018: ¥12,480,000 (Direct Cost: ¥9,600,000、Indirect Cost: ¥2,880,000)
• Keywords: 粉体 / 階層構造 / 衝突 / 力学特性

Outline of Annual Research Achievements

今年度はまず，昨年度までに行った「片栗粉濃厚懸濁液の衝突応答」「濡れた粉体層の力学特性」「砂山の振動による緩和」および「粉体層への固体弾斜め衝突によるクレーター形成」等の実験に関するデータ解析を進め，論文発表を行った．振動による砂山の緩和については実験と数値計算を組み合わせた物理モデルの発表を行い，斜め衝突に関しては本研究のために新規開発した実験装置に関する技術的論文の発表も行った．これらの成果発表の他，新規データの解析や実験にも取り組んだ．具体的には「斜め衝突による粉体傾斜の緩和モデリング」「凝集粒子粉体層の圧縮試験」「粉体摩擦異常増大の可視化」などに取り組んだ．斜め衝突に関してはこれまでに得た実験データを用いて，衝突による傾斜地形緩和のモデル化について系統的解析を行った．その結果，衝突による傾斜地形緩和も（昨年度までに本研究で開発した）振動による地形緩和と類似のモデルにより説明可能であることが明らかになった．今後，得られた結果の学会等での積極的発表を予定している．凝集粒子粉体層の圧縮試験については，国際共同研究により系統的実験を行った．得られた結果は，凝集粒子による階層粉体とガラスビーズのような通常の粉体の圧縮特性が定性的に大きく異なることを示唆するものとなり，物理的に極めて興味深いと考えている．現状でその違いを生じる物理機構等の詳細について十分に理解できていないが，今後モデリング等の研究を一層進めることで階層粉体の深い理解が得られることが期待される．粉体摩擦異常増大の可視化研究では光弾性粒子（二次元系）を用いて，一昨年度に本研究の成果として得られた三次元系での粉体摩擦の充填率に依存した増大の二次元的直接観察を目指した．その結果，摩擦増大傾向については三次元と二次元の系で同様の振舞いを確認したが，次元に依存するとみられる差異も確認され，その解析の難しさが明らかになった．

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

様々な複雑性を持つ広い意味での階層粉体の諸特性に関する研究について，昨年度までに得た成果の発表と新たな研究への着手について順調に取り組めたと言える．得られた成果の論文発表は概ね想定された通りに進んだが，年度末の学会・研究会等での成果発表は，新型コロナウィルスの影響受けていくつかの学会・研究会が中止となったために十分に行えなかった部分がある．しかし，これは次年度以降の学会発表で代えることが可能であるので，成果発表としては概ね順調に進展しているものと考えている．また，新たな解析や実験についても想定していたような取り組みがほぼ実施できた．階層構造を持つ凝集粒子による粉体をハンドリングする技術についてもおおよそ技術要素を固めることができ，今後様々な研究においてこの凝集粒子を用いる準備体制を確立することにも成功したと言える．この凝集粒子粉体層の圧縮試験ではメキシコの研究グループとの国際共同研究にも取り組むことができ，その取り組みの中で，比較的小規模ではあるが国際研究会を本研究の一部として実施し，関連分野の研究者間の活発な議論を促すこともできた．これは，当初計画では次年度以降に開催を予定していた国際研究会の先取りにも相当するものである．一方で，一部の実験で成果の解析に手こずった部分もあり，細かい進捗に凹凸はあるが，これは研究という活動の性格を考えると不可避なものであると考えている．以上のように，全体として本研究は概ね順調な進捗状況にあると言える．

Strategy for Future Research Activity

今後も引き続き様々な複雑性を持つ階層粉体の基礎物理特性の解明に取り組む．具体的には昨年度までに実施した「粉体傾斜地形の衝突による緩和」および「粉体摩擦異常増大の可視化」に関して結果の解析を進め成果発表に取り組む．また「凝集粒子粉体層の圧縮試験」については実験結果の物理モデリングに取り組み，本研究で発見された新規特性の物理機構解明を目指す．また，他プロジェクトと共同開発した粉体層の回転制御装置を用いて，凝集粒子による階層粉体ヒープの形状変化実験も実施する予定としている．今後このように複数の研究プロジェクトの発展的連携についても積極的に着手したいと考えている．これらの進行中研究項目の他に，新たな実験等の開始も計画している．具体的には「凝集粒子粉体層への固体弾衝突実験による衝突抵抗力の解明」「大小様々なサイズの粒子による階層構造を持つ粉体層内での透水・乾燥特性についての実験的研究」「階層構造を持つ粉体流体混合物等の弾性波特性」などの研究トピックに関して検討・準備を進めている．特に衝突抵抗力の解明は，本研究代表者が従来の研究活動において様々なソフトマターの衝突研究を通して経験・知見を持っているものである．そのため，本研究の主要対象の一つである凝集粒子による階層粉体の衝突抵抗力則を明らかにすることは，本研究プロジェクトの中でも中心的成果となる可能性を秘めている．その他，階層粉体中の透水・乾燥特性の解明は，昨年までに取り組んだ濡れた粉体に関する研究の発展的課題としても位置づけられる．ただ，今年度は新型コロナウィルスの影響により，成果の学会・研究会での発表はもとより，共同研究者との打合せや新規の実験系起ち上げにおいても思うように進められない事態となることが多少懸念される．そのような状況の中で，効率的に研究活動を推進する方法についても随時配慮しながら研究を進めていきたいと考えている．

Research Products

• [Int'l Joint Research] Benemerita Univ. Autonoma de Puebla(メキシコ)
• [Int'l Joint Research] Indian Institute of Technology Guwahati(インド)
• [Int'l Joint Research] Technische Universitat zu Braunschweig(ドイツ)
• [Journal Article] A novel experimental setup for an oblique impact onto an inclined granular layer (2020)
  • Author(s): S. Takizawa, R. Yamaguchi, and H. Katsuragi
  • Journal Title: Rev. Sci. Instrum. Volume: 91
  • DOI: 10.1063/1.5127087
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Scaling laws for the oblique impact cratering on an inclined granular surface (2020)
  • Author(s): S. Takizawa and H. Katsuragi
  • Journal Title: Icarus Volume: 335
  • DOI: 10.1016/j.icarus.2019.113409
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Laboratory experiment and discrete-element-method simulation of granular-heap flows under vertical vibration (2019)
  • Author(s): Tsuji Daisuke、Otsuki Michio、Katsuragi Hiroaki
  • Journal Title: Phys. Rev. E Volume: 99 Pages: 062902-062902
  • DOI: 10.1103/physreve.99.062902
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Bouncing of a projectile impacting a dense potato-starch suspension layer (2019)
  • Author(s): K. Egawa and H. Katsuragi
  • Journal Title: Phys. Fluids Volume: 31
  • DOI: 10.1063/1.5095678
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Physical constraints on sand crab burrows: mechanical properties of wet sand explain the size and spatial distributions of burrows on beaches (2019)
  • Author(s): A. Shinoda, S. Fujiwara, H. Niiya, and H. Katsuragi
  • Journal Title: PLOS ONE Volume: 14
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0215743
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Experimental Study of Stability and Strength of a Horizontal Tunnel in Wet Granular Layer: Empirical Forms of Strength to Discuss the Mechanical Stability of Crab Burrows (2019)
  • Author(s): 篠田 明友子, 藤原 慎一, 新屋 啓文, 桂木 洋光
  • Journal Title: Funtai Kogakkaishi Volume: 56 Issue: 4 Pages: 194-202
  • DOI: 10.4164/sptj.56.194
  • NAID: 130007633974
  • ISSN: 0386-6157, 1883-7239
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Packing-dependent granular friction exerted on a rod withdrawn from a granular layer: the role of shear jamming (2019)
  • Author(s): T. Furuta, S. Kumar, K. Anki Reddy, H. Niiya and H. Katsuragi
  • Journal Title: New J. Phys. Volume: 21
  • DOI: 10.1088/1367-2630/ab00c8
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Impact-induced collapse of an inclined wet granular layer (2019)
  • Author(s): S. Takizawa, H. Niiya, T. Tanabe, H. Nishimori, and H. Katsuragi,
  • Journal Title: Physica D Volume: 386-387 Pages: 8-13
  • DOI: 10.1016/j.physd.2018.08.002
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Impact-induced energy transfer and dissipation in granular clusters under microgravity conditions (2018)
  • Author(s): H. Katsuragi and J. Blum
  • Journal Title: Phys. Rev. Lett. Volume: 121
  • DOI: 10.1103/physrevlett.121.208001
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Void structure stability in wet granular matter and its application to crab burrows and cometary pits (2018)
  • Author(s): A. Shinoda, S. Fujiwara, H. Niiya, and H. Katsuragi
  • Journal Title: Sci. Rep. Volume: 8
  • DOI: 10.1038/s41598-018-33978-8
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Shape dependence of resistance force exerted on an obstacle placed in a gravity-driven granular silo flow (2018)
  • Author(s): H. Katsuragi, K. Anki Reddy, and K. Endo
  • Journal Title: AIChE J. Volume: 64 Pages: 3849-3856
  • DOI: 10.1002/aic.16205
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Presentation] ダスト凝集体および階層粉体への固体弾衝突実験 (2020)
  • Author(s): 桂木洋光，J. Blum
  • Organizer: 第36回Grain Formation Workshop
• [Presentation] 傾斜粉体層への斜め衝突クレータリングのスケーリング解析 (2019)
  • Author(s): 滝澤真太，桂木洋光
  • Organizer: 第９回ソフトマター研究会
• [Presentation] 非ブラウン粒子懸濁液への固体弾衝突とその跳ね返り (2019)
  • Author(s): 江川嘉寿也，桂木洋光
  • Organizer: 日本物理学会2019年秋季大会
• [Presentation] Scaling of oblique impact cratering onto inclined granular layer (2019)
  • Author(s): 滝澤真太，桂木洋光
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合2019年大会
• [Presentation] Viscoelastic characterization of a solid projectile impact onto a dense potato starch suspension (2019)
  • Author(s): 江川嘉寿也，桂木洋光
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合2019年大会
• [Presentation] 凝集体粒子群の微小重力下での衝突膨張 (2019)
  • Author(s): 桂木洋光，J. Blum
  • Organizer: 粉体工学会 2019年度春期研究発表会
• [Presentation] 微粒子凝集粉体の衝突ダイナミクス (2019)
  • Author(s): 桂木洋光
  • Organizer: 粉体工学会 「計算粉体力学研究会」（第57回）
  • Invited
• [Presentation] 2次元粉体層からの棒引き抜きによる応力鎖構造の実験的研究 (2019)
  • Author(s): 大久保文暁，桂木洋光
  • Organizer: 日本物理学会 第75回年次大会
• [Presentation] 衝突クレータリングによる粉体斜面崩壊に関する実験的研究 (2019)
  • Author(s): 大村知美，滝澤真太，桂木洋光
  • Organizer: 日本物理学会 第75回年次大会
• [Presentation] 小規模衝突による傾斜地形緩和に関する実験的研究 (2019)
  • Author(s): 大村知美，滝澤真太，桂木洋光
  • Organizer: 第９回ソフトマター研究会
• [Presentation] 小規模衝突による傾斜地形緩和に関する実験的研究 (2019)
  • Author(s): 大村知美，滝澤真太，桂木洋光
  • Organizer: 日本惑星科学会 2019年秋季講演会
• [Presentation] 地球惑星科学におけるクレーター形成実験に用いる10～100m/s可変の衝突実験装置の設計法と3Dプリンティング技術活用による開発について (2019)
  • Author(s): 山口隆正，滝澤真太，桂木洋光
  • Organizer: 日本機械学会 2019年度年次大会
• [Presentation] Probing viscoelasticity of dilatant fluid by solid projectile impact (2019)
  • Author(s): K. Egawa and H. Katsuragi
  • Organizer: American Physical Society March Meeting 2019
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Cratering and collapse of an inclined granular layer by oblipue impact of a spherical projectile (2019)
  • Author(s): S. Takizawa, R. Yamaguchi, and H. Katsuragi
  • Organizer: American Physical Society March Meeting 2019
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Granular flow dynamics in a vibrating system from multiple points of view: Laboratory experiments, continuum modeling, and numerical simulations (2019)
  • Author(s): D. Tsuji, M. Otsuki, and H. Katsuragi
  • Organizer: American Physical Society March Meeting 2019
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 階層粉体クラスターの微小重力下での衝突誘起膨張のエネルギースケーリング (2019)
  • Author(s): 桂木洋光，J. Blum
  • Organizer: 日本物理学会第74回年次大会
• [Presentation] 傾斜粉体層への斜め衝突クレータリング (2018)
  • Author(s): 滝澤真太，桂木洋光
  • Organizer: 第14回衝突研究会 研究集会「天体の衝突物理の解明 (XIV) 」
• [Presentation] Solid projectile impact onto a porous dust aggregate consisting of micrometer-sized particles (2018)
  • Author(s): H. Katsuragi
  • Organizer: Southern Workshop on Granular Materials 2018
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Granular flow driven by vibration and its application to the crater relaxation process on a small planet (2018)
  • Author(s): D. Tsuji, M. Otsuki, and H. Katsuragi
  • Organizer: AGU fall meeting 2018
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Large frictional drag by shear-induced solidification of granular layer (2018)
  • Author(s): T. Furuta, S. Kumar, K. Anki Reddy, H. Niiya and H. Katsuragi
  • Organizer: Physics of Jammed Matter
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Cratering and collapse by oblique impact onto an inclined granular layer (2018)
  • Author(s): S. Takizawa and H. Katsuragi
  • Organizer: Physics of Jammed Matter
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Probing viscoelasticity of dilatant fluid by solid projectile impact (2018)
  • Author(s): K. Egawa and H. Katsuragi
  • Organizer: Physics of Jammed Matter
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Granular flow dynamics under a vibrating system (2018)
  • Author(s): D. Tsuji, M. Otsuki, and H. Katsuragi
  • Organizer: Physics of Jammed Matter
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Jamming-originated large frictional force exerted on a rod withdrawn from granular layer (2018)
  • Author(s): 古田尊経，新屋啓文，桂木洋光
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合2018年大会
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] ぬれた粉体層中の横穴構造の安定性と砂浜のカニの巣穴の力学特性 (2018)
  • Author(s): 篠田明友子，藤原慎一，新屋啓文，桂木洋光
  • Organizer: 粉体工学会 2018年度春期研究発表会
• [Presentation] 粉体層からの棒引き抜き抵抗とシアー・ジャミング (2018)
  • Author(s): 古田尊経，新屋啓文，桂木洋光
  • Organizer: ガラス転移と関連分野の最先端研究
• [Funded Workshop] Discussion meeting on Granular dynamics & Planetary terrain (2019)