大規模計算機シミュレーションによる絡み合い高分子液体の非線形ダイナミクスの研究

2002 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 12640372
• 研究機関: 京都大学
• 研究代表者: 小貫 明 京都大学, 大学院・理学研究科, 教授 (90112284)
• 研究分担者: 北村 光 京都大学, 大学院・理学研究科, 助手 (60335297) ; 山本 量一 京都大学, 大学院・理学研究科, 講師 (10263401)
• キーワード: 高分子 / 分子動力学シミュレーション / シア(せん断)流 / レオロジー / ダイナミクス / 非線形 / 非平衡 / 絡み合い

研究概要

工学的応用の重要性から、高分子液体のレオロジーに関してはこれまで既に膨大な量の研究がなされている。特に単純分子にはない高分子特有の鎖の間の絡み合い効果の理解が最近の高分子物理学の発展につながった。一方で過冷却・ガラス状高分子のレオロジーはたとえ絡み合いがない場合でも粘弾性の効果と変形にたいする非線形効果が著しい。しかし基本的な現象の整理すらほとんどなされておらず、微視的レベルでのメカニズムの理解が必要とされている。さらにより複雑な非線形・非平衡領域のダイナミクスに関しては理論的理解が明らかに不足しており、計算機シミュレーションによる微視的物理過程への洞察が重要である。
我々は大規模な分子動力学シミュレーションを行い、短い鎖状分子からなる過冷却液体と、絡み合いのある比較的長い鎖からなるメルトのダイナミクスとレオロジーを調べた。過冷却の場合、線形領域でストレス緩和関数G(t)が比較的短い時間においてモノマー間の斥力相互作用の存在によってstretched exponential的に振る舞い、長時間でようやく鎖のエントロピーが支配的になりRouse関数に漸近することを明確に示した。せん断変形に対する過冷却液体の過渡的応答が理論的挙動と大きく異なるのは前者の存在による。さらに非線型領域での応答について調べ、鎖の緩和時間が著しく大きくなる過冷却・ガラス状態では非常に弱いせん断速度に対しても高分子鎖の変形が容易に大きくなり、これがレオロジーに強烈な非線形挙動を引き起こすこと、さらに個々の鎖は不規則な回転運動をしていることを予見した。絡み合いのある長い高分子の場合について、世界で初めてシミュレーションによって直接絡み合い点を可視化することに成功した。せん断下での絡み合い鎖の運動の様子をアニメーション化し、その著しい非線形レオロジーのメカニズムの理解に貢献した。

研究成果

• [文献書誌] A.Onuki: "Nonlinear strain theory of plastic flow in solids"J. Phys. Condens. Matter. 15. S891-S901 (2003)
• [文献書誌] A.Onuki: "Boiling leading to self-organized convection near the gas-liquid critical point"Physica A. 314. 419 (2002)
• [文献書誌] R.Yamamoto, A.Onuki: "Dynamics and Rheology of a Supercooled Polymer melt in Shear Flow"J. Chem. Phys.. 117. 2359-2367 (2002)
• [文献書誌] A.Furukawa, A.Onuki: "Convective heat transport in compressible fluids"Phys. Rev. E. 66. 016302-1-016302-14 (2002)
• [文献書誌] A.Onuki: "Ginzburg-Landau Theory of Jahn-Teller Phase Transitions"J. Phys. Soc. Jpn.. 70. 3479-3482 (2001)
• [文献書誌] Y.Chiwata, A.Onuki: "Thermal Plumes and Convection in Highly Compressible Fluids"Phys. Rev. Lett.. 87. 144301-1-144301-4 (2001)
• [文献書誌] A.Onuki, A.Furukawa: "Phase Transitions in Binary Alloys with Elastic Inhomogeneity"Phys. Rev. Lett. 86. 452-455 (2001)
• [文献書誌] R.Yamamoto: "Simulating particle dispersions in nematic liquid-crystal solvents"Phys. Rev. Lett.. 87. 075502-1-075502-4 (2001)
• [文献書誌] A.Onuki: "Self-Organized Superfluid States in Gravity and Heat Flow"J. Low Temp. Phys.. 151. 117-126 (2000)
• [文献書誌] R.Yamamoto, A.Onuki: "Large scale long-lived heterogeneity in the dynamics of supercooled liquids"AIP conference proceedings. CP519. 151-157 (2000)
• [文献書誌] R.Yamamoto, A.Onuki: "Large scale long-lived heterogeneity in the dynamics of supercooled liquids"Int. J. Mod. Phys. C. 10. 1553-1561 (2000)
• [文献書誌] R.Yamamoto, A.Onuki: "Dynamics of Highly Supercooled Liquids far from Equilibrium"J. Phys. ; Cond. matt.. 12. 6323-6334 (2000)
• [文献書誌] R.Yamamoto, W.Kob: "Replica-exchange molecular dynamics simulation for supercooled liquids"Phys. Rev. E. 61. 5473-5476 (2000)
• [文献書誌] R.Yamamoto, K.Kim: "Heterogeneity and finite size effects in the dynamics of supercooled liquids"Journal de Physique IV. 10. 15-20 (2000)
• [文献書誌] K.Kim, R.Yamamoto: "Apparent finite-size effect in the dynamics of supercooled liquids"Phys. Rev. E. 61. R41-R44 (2000)
• [文献書誌] Akira Onuki: "Phase Transition Dynamics"Cambridge University Press. 714 (2002)