| 研究課題/領域番号 |
20K03874
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| 研究種目 |
基盤研究(C)
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| 配分区分 | 基金 |
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| 応募区分 | 一般 |
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| 審査区分 |
小区分13040:生物物理、化学物理およびソフトマターの物理関連
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| 研究機関 | 東北大学 |
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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)
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| 研究期間 (年度) |
2020-04-01 – 2024-03-31
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| 研究課題ステータス |
完了 (2023年度)
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| 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)
2022年度: 1,300千円 (直接経費: 1,000千円、間接経費: 300千円)
2021年度: 1,560千円 (直接経費: 1,200千円、間接経費: 360千円)
2020年度: 1,560千円 (直接経費: 1,200千円、間接経費: 360千円)
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| キーワード | アクティブマター / 非平衡物理 / 生物物理 / 自己駆動粒子 / 非線形ダイナミックス / 集団運動 / 流体力学 / ソフトマター / 拡散係数 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
アクティブマターは、内部にエネルギー源を持った粒子が自己駆動するメカニズムや、多数の自己駆動粒子が示す集団運動の解明を目指す分野である。これらの現象は多岐にわたり、大腸菌の集団運動のような生命現象から、Janus粒子と呼ばれる異なった性質の表面を持つ粒子でも、自己駆動粒子の集団運動が観測されている。本研究では、アクティブマターの構成方程式はどのように表現されるか。マクロな方程式に現れる係数の計算手法、物理的意味、そして直感的な値の大小を推測するための枠組みを構築する。
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| 研究成果の概要 |
本研究ではactive matterの集団運動の解析を理論と数値シミュレーションを用いて行った。特に、自発的に運動する粒子の微視的なダイナミックスからどのようにマクロな量を結びつけるのかについて注目して研究を行った。まず、細菌の集団運動で、高密度中のアクティブ粒子の実効的な拡散係数と外力に対するマクロな応答について、粒子濃度依存性について、数値シミュレーションによる計算と平均場による解析を行った。また、実験結果とも定性的によい一致を得ることができた。また、機械学習を用いて、粒子のダイナミックスから粗視化を行って、マクロな方程式の係数を推定する研究も行った。
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| 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、非平衡状態でエネルギーを消費し環境に散逸しながら秩序を持った集団運動を実現するシステムである。平衡系とは異なり、アクティブマターには自由エネルギーのような最小化するものが一般には存在しないため、自由エネルギーを積分することによってマクロな支配方程式を得ることは困難である。本研究では、ダイナミックスからどのようにマクロな方程式の係数を得ることができるのかについて理解を深めるために行った。本研究で行ったような機械学習の手法と組み合わせてマクロな方程式が系統的に導出できるようになれば、階層性のある現象についての理論的・計算科学的解析手法が広がるのではないかと考えている。
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