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アクティブソフトマテリアルの運動モード、相互作用、そして流体記述の構築

研究課題

研究課題/領域番号 17K05605
研究種目

基盤研究(C)

配分区分基金
応募区分一般
研究分野 生物物理・化学物理・ソフトマターの物理
研究機関東北大学

研究代表者

義永 那津人  東北大学, 材料科学高等研究所, 准教授 (90548835)

研究期間 (年度) 2017-04-01 – 2020-03-31
研究課題ステータス 完了 (2019年度)
配分額 *注記
4,420千円 (直接経費: 3,400千円、間接経費: 1,020千円)
2019年度: 1,300千円 (直接経費: 1,000千円、間接経費: 300千円)
2018年度: 1,560千円 (直接経費: 1,200千円、間接経費: 360千円)
2017年度: 1,560千円 (直接経費: 1,200千円、間接経費: 360千円)
キーワードアクティブマター / ソフトマター / 生物物理 / 流体力学 / 非線形ダイナミックス / 非平衡物理 / 細胞運動 / 相転移 / 液晶 / 非線形 / マランゴニ効果
研究成果の概要

アクティブソフトマテリアルは、自発的に運動する粒子の運動メカニズムや集団運動について研究する分野である。内部に持ったエネルギーを周囲の環境に散逸し、非平衡状態を保ちながら協同的な振る舞いを示す。細胞運動は典型的な例である。アクティブマターのモデルはいくつか提案されているが、流体相互作用が関わる場合、粒子間の相互作用を計算し、集団運動を解析することは困難であった。本研究では、自己駆動粒子間の実効的相互作用を計算し、アクティブマターの集団の流体的な振る舞いを明らかにした。また、細胞運動のモデルを解析して、アクティブストレスの分布の不均一性と自己駆動との関係を明らかにした。

研究成果の学術的意義や社会的意義

アクティブマターは、平衡状態のような自由エネルギーが一般的には存在しないため、その集団の振る舞いを直感的に予想することは困難である。本研究では、実効的な相互作用を計算することで、配向相互作用の有無を解析することができる。また、双極子的なアクティブストレスの不均一性から生じる四重極子的な力の場によって自己駆動が起きることから、どのような分布が自己駆動に重要な役割を果たすのかを明らかにした。最近は、自己駆動粒子を化学反応を用いて実現することが可能になってきており、目的の場所に粒子を輸送するなどのスマート材料の基礎付けとして意義があると考えている。

報告書

(4件)
  • 2019 実績報告書   研究成果報告書 ( PDF )
  • 2018 実施状況報告書
  • 2017 実施状況報告書
  • 研究成果

    (29件)

すべて 2019 2018 2017 その他

すべて 国際共同研究 (3件) 雑誌論文 (7件) (うち国際共著 3件、 査読あり 7件、 オープンアクセス 2件) 学会発表 (15件) (うち国際学会 9件、 招待講演 6件) 図書 (1件) 備考 (3件)

  • [国際共同研究] Bristol University/Sheffield University(英国)

    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
  • [国際共同研究] ブリストル大学(英国)

    • 関連する報告書
      2018 実施状況報告書
  • [国際共同研究] Bristol University(英国)

    • 関連する報告書
      2017 実施状況報告書
  • [雑誌論文] Self-propulsion of an active polar drop2019

    • 著者名/発表者名
      Yoshinaga Natsuhiko
    • 雑誌名

      The Journal of Chemical Physics

      巻: 150 号: 18 ページ: 184904-184904

    • DOI

      10.1063/1.5090790

    • NAID

      130008153191

    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Cell-sized confinement controls generation and stability of a protein wave for spatiotemporal regulation in cells2019

    • 著者名/発表者名
      Kohyama Shunshi、Yoshinaga Natsuhiko、Yanagisawa Miho、Fujiwara Kei、Doi Nobuhide
    • 雑誌名

      eLife

      巻: 8

    • DOI

      10.7554/elife.44591

    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Large-scale chirality in an active layer of microtubules and kinesin motor proteins2018

    • 著者名/発表者名
      Kim Kyongwan、Yoshinaga Natsuhiko、Bhattacharyya Sanjib、Nakazawa Hikaru、Umetsu Mitsuo、Teizer Winfried
    • 雑誌名

      Soft Matter

      巻: 14 号: 17 ページ: 3221-3231

    • DOI

      10.1039/c7sm02298k

    • NAID

      130007736086

    • 関連する報告書
      2018 実施状況報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] From hydrodynamic lubrication to many-body interactions in dense suspensions of active swimmers2018

    • 著者名/発表者名
      Yoshinaga Natsuhiko、Liverpool Tanniemola B.
    • 雑誌名

      The European Physical Journal E

      巻: 41 号: 6 ページ: 76-76

    • DOI

      10.1140/epje/i2018-11683-x

    • 関連する報告書
      2018 実施状況報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Effective diffusion coefficient including the Marangoni effect2018

    • 著者名/発表者名
      Hiroyuki Kitahata and Natsuhiko Yoshinaga
    • 雑誌名

      The Journal of Chemical Physics

      巻: 148 号: 13 ページ: 134906-134906

    • DOI

      10.1063/1.5021502

    • 関連する報告書
      2017 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Hydrodynamic interactions in dense active suspensions: From polar order to dynamical clusters2017

    • 著者名/発表者名
      Natsuhiko Yoshinaga and Tanniemola B. Liverpool
    • 雑誌名

      Phys. Rev. E

      巻: 96 号: 2

    • DOI

      10.1103/physreve.96.020603

    • 関連する報告書
      2017 実施状況報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Simple Models of Self-Propelled Colloids and Liquid Drops: From Individual Motion to Collective Behaviors2017

    • 著者名/発表者名
      Natsuhiko Yoshinaga
    • 雑誌名

      J. Phys. Soc. Jpn.

      巻: 86 号: 10 ページ: 101009-101009

    • DOI

      10.7566/jpsj.86.101009

    • NAID

      210000134525

    • 関連する報告書
      2017 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [学会発表] Model Selection of PDE for Targeted Crystalline Patterns2019

    • 著者名/発表者名
      Natsuhiko Yoshinaga
    • 学会等名
      A3 Soft Matter Workshop 2019
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Collective behaviours of dense active suspensions: the role of hydrodynamic lubrication2019

    • 著者名/発表者名
      Natsuhiko Yoshinaga
    • 学会等名
      CECAM Workshop Emerging behaviour in active matter: computational challenges
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Geometric control of wave instability in Min oscillations2019

    • 著者名/発表者名
      Natsuhiko Yoshinaga
    • 学会等名
      Tohoku-Lorraine Conference 2019
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Cell-sized confinement controls generation and stability of a protein wave for spatiotemporal regulation in cells2019

    • 著者名/発表者名
      Natsuhiko Yoshinaga
    • 学会等名
      ReaDiNet 2019, Mathematical analysis for biology and ecology
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Model Selection of PDE for Targeted Crystalline Patterns2019

    • 著者名/発表者名
      Natsuhiko Yoshinaga
    • 学会等名
      IPAM Workshop II: Interpretable Learning in Physical Sciences
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] アクティブ液晶液滴の自発運動2019

    • 著者名/発表者名
      義永 那津人
    • 学会等名
      日本物理学会2019年秋季大会
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
  • [学会発表] 流体力学を伴う液滴の自発運動と相互作用2018

    • 著者名/発表者名
      義永 那津人
    • 学会等名
      日本応用数理学会 2018年度年会
    • 関連する報告書
      2018 実施状況報告書
  • [学会発表] キネシンによって駆動された微小管の集団回転運動2018

    • 著者名/発表者名
      義永 那津人
    • 学会等名
      日本物理学会2018年秋季大会
    • 関連する報告書
      2018 実施状況報告書
  • [学会発表] Min たんぱく質における波の形成と空間形状2018

    • 著者名/発表者名
      義永 那津人
    • 学会等名
      数理研 第15回 生物数学の理論とその応用 -次世代の数理科学への展開-
    • 関連する報告書
      2018 実施状況報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Dynamics of defects in active nematic liquid crystals2018

    • 著者名/発表者名
      Natsuhiko Yoshinaga
    • 学会等名
      CSIAM 2018 Annual Meeting
    • 関連する報告書
      2018 実施状況報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Geometric control of wave instability in Min oscillations2018

    • 著者名/発表者名
      Natsuhiko Yoshinaga
    • 学会等名
      APEF2018
    • 関連する報告書
      2018 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 空間形状によるMinたんぱく質の非線形波のコントロール2018

    • 著者名/発表者名
      義永 那津人
    • 学会等名
      日本物理学会第73回年次大会
    • 関連する報告書
      2017 実施状況報告書
  • [学会発表] Active Soft Materials: Self-propelled motion and its collective behaviours of colloids and liquid drops2017

    • 著者名/発表者名
      Natsuhiko Yoshinaga
    • 学会等名
      Modeling and Numerical Analysis of Nonlinear Phenomena: Fluid Dynamics, Motion of Interfaces, and Cell Biology
    • 関連する報告書
      2017 実施状況報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Geometric Control of Wave Instability in Min Oscillations2017

    • 著者名/発表者名
      Natsuhiko Yoshinaga
    • 学会等名
      International Symposium on Fluctuation and Structure out of Equilibrium 2017 (SFS2017)
    • 関連する報告書
      2017 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 空間形状によるMinたんぱく質の非線形波のコントロール2017

    • 著者名/発表者名
      義永 那津人
    • 学会等名
      第55回日本生物物理学会年会
    • 関連する報告書
      2017 実施状況報告書
  • [図書] Self-organized Motion: Physicochemical Design based on Nonlinear Dynamics2019

    • 著者名/発表者名
      Natsuhiko Yoshinaga and Shunsuke Yanunaka
    • 総ページ数
      372
    • 出版者
      Royal Society of Chemistry
    • ISBN
      9781788011662
    • 関連する報告書
      2018 実施状況報告書
  • [備考] 研究代表者による研究内容に関するwebページ

    • URL

      http://www.wpi-aimr.tohoku.ac.jp/~yoshinaga/

    • 関連する報告書
      2019 実績報告書 2018 実施状況報告書 2017 実施状況報告書
  • [備考] ResearcherID

    • URL

      http://www.researcherid.com/rid/G-3067-2011

    • 関連する報告書
      2018 実施状況報告書 2017 実施状況報告書
  • [備考] ResearchGate

    • URL

      https://www.researchgate.net/profile/Natsuhiko_Yoshinaga

    • 関連する報告書
      2018 実施状況報告書 2017 実施状況報告書

URL: 

公開日: 2017-04-28   更新日: 2022-02-22  

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