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コロイドゲルの物性研究:非平衡・平衡ゲルの弾性、塑性、振動、音波輸送

研究課題

研究課題/領域番号 22K03543
研究種目

基盤研究(C)

配分区分基金
応募区分一般
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
研究機関東京大学

研究代表者

水野 英如  東京大学, 大学院総合文化研究科, 助教 (00776875)

研究期間 (年度) 2022-04-01 – 2025-03-31
研究課題ステータス 交付 (2023年度)
配分額 *注記
3,510千円 (直接経費: 2,700千円、間接経費: 810千円)
2024年度: 520千円 (直接経費: 400千円、間接経費: 120千円)
2023年度: 1,170千円 (直接経費: 900千円、間接経費: 270千円)
2022年度: 1,820千円 (直接経費: 1,400千円、間接経費: 420千円)
キーワードコロイド粒子ゲル / 粒子間散逸 / 泡 / エマルジョン / 粘弾性 / 振動状態 / 有効媒質理論 / 非平衡ゲル / フラクタル構造 / 弾性 / 分子振動 / ガラス / 不規則系 / 固体物性 / 分子シミュレーション
研究開始時の研究の概要

不規則系とは、粒子が不規則な状態で固まった物質を指す。その代表例としてガラスとゲルが存在する。ガラスでは粒子が高密度でギュウギュウな状態で固まっている。一方で、ゲルでは粒子が引力相互作用でネットワーク状に繋がりスカスカな状態で固まっている。これまでの不規則系の研究において、高密度不規則系であるガラスの固体物性(弾性、振動特性など)の理解が大きく発展した。そこで、本研究ではガラス研究で培った知見や解析手法を用いて、低密度不規則系のゲルの固体物性を明らかにする。

研究実績の概要

本研究はコロイド粒子ゲルの固体物性を明らかにすることを目的としている。これまでに非平衡ゲルの固体物性を明らかにした。引き続き本年度では、平衡ゲルの固体物性を理解する予定であった。実際に分子動力学シミュレーションを用いて平衡ゲルを再現することに成功した。ところが研究を進めるにあたり、粒子ゲルではフラクタル構造とともに粒子間散逸の効果が重要になってくる認識を得た。粒子間散逸の程度によって生成されるフラクタル構造が異なるとともに、固体物性自身も変わってくる。そこで、まずは粒子間散逸がアモルファス固体の物性に与える影響を理解することを優先すべきであると判断した。粒子間散逸が特に重要になるアモルファス系は泡やエマルジョンであるので、そこで本年度は泡やエマルジョンの固体物性を理解することを目標に設定した。繰り返しになるが、粒子間散逸の効果の理解は、元々の目標であったコロイド粒子ゲルの固体物性の理解に直接的に寄与するものである。したがって、本年度は泡やエマルジョンに焦点を当てて研究を実施し、以下の成果を得た。
(1)泡の粒子モデル(調和ポテンシャルで相互作用する粒子系)の分子動力学シミュレーションを実施して、粘弾性特性、音波伝搬特性を調べた。その結果、粒子間散逸がある系は、それが無いガラスとは大きく異なる物性を示すことを明らかにできた。特に、anomalous viscous lossと呼ばれる異常粘弾性特性が、粒子間散逸によってもたらされることを明らかにした。
(2)ガラスの粘弾性特性、音波伝搬特性を説明する理論に「粒子間散逸」の効果を導入して、泡を記述する理論へと拡張した。拡張した理論は(1)のシミュレーション結果を説明するものである。
(3)さらに、ガラスの固体物性理論として成功を収めている「有効媒質理論」を拡張して、泡の粘弾性特性を説明することに成功した。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

本研究では、非平衡ゲルと平衡ゲルの2つのタイプのコロイド粒子ゲルの固体物性を明らかにすることを目標に掲げている。これまでに非平衡ゲルの固体物性を明らかにすることができた。特に、同じ不規則な固体であっても、ゲルはガラスとは大きく異なる物性をもつことを示すことができて、インパクトある成果を残すことができている。もう一方の平衡ゲルの研究に入る前に、本年度は粒子間散逸の効果を研究した。その結果、粒子間散逸がもたらす特有の固体物性を明らかにできた。またガラスの理論に粒子間散逸の効果を組み込み拡張することに成功した。

今後の研究の推進方策

平衡ゲルの固体物性の研究を行う。
(1)ファンデルワールスポテンシャルに長距離斥力が働く粒子系を用いて分子動力学シミュレーションを行い、平衡ゲルを生成する。
(2)生成した平衡ゲルに対して、構造解析、弾性率解析、振動解析を行い、平衡ゲルのフラクタル構造、固体物性(弾性率、振動特性)を明らかにしていく。
(3)得られた結果を下にして、平衡ゲルと非平衡ゲルの違い、あるいは平衡ゲルとガラスの違いに着目しながら、平衡ゲルの固体物性を理解していく。
(4)粒子間散逸の効果に着目して、平衡ゲルと非平衡ゲルの固体物性を総括する。

報告書

(2件)
  • 2023 実施状況報告書
  • 2022 実施状況報告書
  • 研究成果

    (20件)

すべて 2024 2023 2022

すべて 雑誌論文 (10件) (うち査読あり 9件、 オープンアクセス 2件) 学会発表 (10件) (うち国際学会 5件、 招待講演 6件)

  • [雑誌論文] Scale Separation of Shear-Induced Criticality in Glasses2024

    • 著者名/発表者名
      Oyama Norihiro、Kawasaki Takeshi、Kim Kang、Mizuno Hideyuki
    • 雑誌名

      Physical Review Letters

      巻: 132 号: 14 ページ: 1-6

    • DOI

      10.1103/physrevlett.132.148201

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Instantaneous normal modes of glass-forming liquids during the athermal relaxation process of the steepest descent algorithm2024

    • 著者名/発表者名
      Shimada Masanari、Shiraishi Kumpei、Mizuno Hideyuki、Ikeda Atsushi
    • 雑誌名

      Soft Matter

      巻: 20 号: 7 ページ: 1583-1602

    • DOI

      10.1039/d3sm01104f

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Arrhenius temperature dependence of the crystallization time of deeply supercooled liquids2024

    • 著者名/発表者名
      Takaha Yuki、Mizuno Hideyuki、Ikeda Atsushi
    • 雑誌名

      Physical Review Research

      巻: 6 号: 1

    • DOI

      10.1103/physrevresearch.6.013040

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Microrheology near jamming2023

    • 著者名/発表者名
      Hara Yusuke、Mizuno Hideyuki、Ikeda Atsushi
    • 雑誌名

      Soft Matter

      巻: 19 号: 31 ページ: 6046-6056

    • DOI

      10.1039/d3sm00566f

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Shear-induced criticality in glasses shares qualitative similarities with the Gardner phase2023

    • 著者名/発表者名
      Oyama Norihiro、Mizuno Hideyuki、Ikeda Atsushi
    • 雑誌名

      Soft Matter

      巻: 19 号: 32 ページ: 6074-6087

    • DOI

      10.1039/d3sm00512g

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] ガラスとゲルの固体物性:構造,弾性,分子振動からみた本質的な違い2023

    • 著者名/発表者名
      水野英如
    • 雑誌名

      分子シミュレーション研究会会誌アンサンブル

      巻: 25 ページ: 116-124

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Johari-Goldstein beta relaxation in glassy dynamics originates from two-scale energy landscape2023

    • 著者名/発表者名
      Shiraishi Kumpei、Mizuno Hideyuki、Ikeda Atsushi
    • 雑誌名

      Proceedings of the National Academy of Sciences

      巻: 120 号: 14 ページ: 2215153120-2215153120

    • DOI

      10.1073/pnas.2215153120

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Low-frequency vibrational states in ideal glasses with random pinning2022

    • 著者名/発表者名
      Shiraishi Kumpei、Hara Yusuke、Mizuno Hideyuki
    • 雑誌名

      Physical Review E

      巻: 106 号: 5 ページ: 054611-054611

    • DOI

      10.1103/physreve.106.054611

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Phonon transport properties of particulate physical gels2022

    • 著者名/発表者名
      Mizuno Hideyuki、Hachiya Makoto、Ikeda Atsushi
    • 雑誌名

      The Journal of Chemical Physics

      巻: 156 号: 20 ページ: 204505-204505

    • DOI

      10.1063/5.0090233

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Computational Simulations of the Vibrational Properties of Glasses2022

    • 著者名/発表者名
      Mizuno Hideyuki、Ikeda Atsushi
    • 雑誌名

      Low-Temperature Thermal and Vibrational Properties of Disordered Solids: A Half-Century of Universal “Anomalies” of Glasses

      巻: Chapter 10 ページ: 375-433

    • DOI

      10.1142/9781800612587_0010

    • ISBN
      9781800612570, 9781800612587
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [学会発表] Non-Newtonian Rheology of Supercooled Liquids Near the Glass Transition2023

    • 著者名/発表者名
      Hideyuki Mizuno
    • 学会等名
      The 6th International Conference on Molecular Simulation (ICMS2023)
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Two-step shear thinning in deeply supercooled liquids2023

    • 著者名/発表者名
      Hideyuki Mizuno
    • 学会等名
      Komaba Mini-Workshop
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Elastic and vibrational properties of particulate physical gels2023

    • 著者名/発表者名
      Hideyuki Mizuno
    • 学会等名
      9th International Discussion Meeting on Relaxations in Complex Systems (9IDMRCS)
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Dynamics of the Gaussian Core Model in Sheared States2023

    • 著者名/発表者名
      Hideyuki Mizuno
    • 学会等名
      28th International Conference on Statistical Physics (Statphys28)
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] ジャミング点近傍の粘弾性と音波散乱2023

    • 著者名/発表者名
      水野 英如
    • 学会等名
      日本物理学会 2024年春季大会
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] 過冷却液体の構造不均一性と動的不均一性:深層学習による空間相関の抽出2023

    • 著者名/発表者名
      水野 英如
    • 学会等名
      液体・ガラスへのデータ 駆動アプローチ -グラフニューラルネットワークとその周辺-
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 過冷却液体の非ニュートンレオロジー: 2段階シアシニング2023

    • 著者名/発表者名
      水野 英如
    • 学会等名
      日本物理学会 第78回年次大会(2023年)
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] Vibrational properties of particulate physical gels2023

    • 著者名/発表者名
      Hideyuki Mizuno
    • 学会等名
      XVI International Workshop on COMPLEX SYSTEMS
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] ガラス物理の最近の進展2023

    • 著者名/発表者名
      水野英如
    • 学会等名
      第148回NGF若手懇談会
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] ガラスの限界安定性:ガラスの脆さを物理学で理解してみよう2022

    • 著者名/発表者名
      水野英如
    • 学会等名
      第36回分子シミュレーション討論会
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書

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公開日: 2022-04-19   更新日: 2024-12-25  

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