マランゴニ効果を利用したアクティブマター系の構築と解析

2017 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 15K05199
• 研究機関: 千葉大学
• 研究代表者: 北畑 裕之 千葉大学, 大学院理学研究院, 准教授 (20378532)
• 研究期間 (年度): 2015-04-01 – 2018-03-31
• キーワード: マランゴニ効果 / 表面張力 / 樟脳 / 自己駆動粒子 / 対称性 / 分岐現象 / アクティブマター / 流体効果

研究実績の概要

本研究では、非平衡条件下で自発的に運動するアクティブマターに関して、対称性の観点から一般的な理論の枠組みを構築することを目的とした。そのために、物理化学系を用いた実験モデル系を作成し、数値計算を交えて研究を進めてきた。27年度、28年度においては、樟脳・水系を用いて、マランゴニ効果により表面に浮かべた物質が移動する系の実験と解析、その効果を実効的な拡散とみなす理論的枠組みの構築、1次元系に閉じ込められた樟脳粒の往復運動についての実験およびモデリングを行ってきた。この延長として29年度においては以下の成果が得られた。
(1) これまでの研究の延長として、樟脳粒を水面に固定した状態におけるマランゴニ対流を考え、対流により輸送される樟脳分子を実効的拡散係数を用いて表す理論的枠組みを構築し、国際誌に投稿、掲載された。
(2) 28年度からの延長として、2つの樟脳粒を剛体棒でつないだ形状の回転子の運動について議論し、理論解析、数値解析、実験による対応を確認した。この結果は、国際誌に投稿、掲載された。
(3) これまでの研究の延長として、2次元の円形の領域内に閉じ込められた樟脳粒の運動について議論した。この際には実効的な拡散係数を用いてモデリングし、樟脳濃度場および樟脳粒の位置についての微分方程式を少変数の常微分方程式に縮約した。その結果、円形領域に閉じ込められた樟脳粒は、中心を通る往復運動ではなく、円周に沿った回転運動を示しやすいことが明らかとなった。また実験によってもその理論的解析の妥当性が明らかとなった。現在、国際誌に投稿するために準備中である。

研究成果

• [国際共同研究] ポーランド科学アカデミー(ポーランド)
  • 国名: ポーランド
  • 外国機関名: ポーランド科学アカデミー
• [国際共同研究] フリッツハーバー研究所(ドイツ)
  • 国名: ドイツ
  • 外国機関名: フリッツハーバー研究所
• [雑誌論文] Interaction of non-radially symmetric camphor particles (2018)
  • 著者名/発表者名: Shin-Ichiro Ei, Hiroyuki Kitahata, Yuki Koyano, Masaharu Nagayama
  • 雑誌名: Physica D 巻: 366 ページ: 10-26
  • DOI: 10.1016/j.physd.2017.11.004
  • 査読あり
• [雑誌論文] Period of oscillatory motion of a camphor boat determined by the dissolution and diffusion of camphor molecules (2018)
  • 著者名/発表者名: Ryoichi Tenno, You Gunjima, Miyu Yoshii, Hiroyuki Kitahata, Jerzy Gorecki, Nobuhiko Jessis Suematsu, Satoshi Nakata
  • 雑誌名: Journal of Physical Chemistry B 巻: 122 ページ: 2610-2615
  • DOI: 10.1021/acs.jpcb.7b11903
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Distinguishing the dynamic fingerprints of two- and three-dimensional chemical waves in microbeads (2018)
  • 著者名/発表者名: Masakazu Kuze、Hiroyuki Kitahata、Oliver Steinbock、Satoshi Nakata
  • 雑誌名: Journal of Physical Chemistry A 巻: 122 ページ: 1967-1971
  • DOI: 10.1021/acs.jpca.7b12210
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Reciprocating motion of a self-propelled rotor induced by forced halt and release operations (2018)
  • 著者名/発表者名: Satoshi Nakata, Katsuhiko Kayahara, Hiroya Yamamoto, Paulina Skrobanska, Jerzy Gorecki, Akinori Awazu, Hiraku Nishimori, Hiroyuki Kitahata
  • 雑誌名: Journal of Physical Chemistry C 巻: 122 ページ: 3482-3487
  • DOI: 10.1021/acs.jpcc.7b12089
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Effective diffusion coefficient including the Marangoni effect (2018)
  • 著者名/発表者名: Hiroyuki Kitahata, Natsuhiko Yoshinaga
  • 雑誌名: Journal of Chemical Physics 巻: 148 ページ: 134906/1-8
  • DOI: 10.1063/1.5021502
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Self-Propelled Motion of Monodisperse Underwater Oil Droplets Formed by a Microfluidic Device (2017)
  • 著者名/発表者名: Ueno Naoko、Banno Taisuke、Asami Arisa、Kazayama Yuki、Morimoto Yuya、Osaki Toshihisa、Takeuchi Shoji、Kitahata Hiroyuki、Toyota Taro
  • 雑誌名: Langmuir 巻: 33 ページ: 5393～5397
  • DOI: 10.1021/acs.langmuir.7b00092
  • 査読あり
• [雑誌論文] Achilles' heel of a travelling pulse subject to a local external stimulus (2017)
  • 著者名/発表者名: Kei Nishi、Shogo Suzuki、Katsuhiko Kayahara、Masakazu Kuze、Hiroyuki Kitahata、Satoshi Nakata、Yasumasa Nishiura
  • 雑誌名: Physical Review E 巻: 95 ページ: 062209/1-8
  • DOI: 10.1103/PhysRevE.95.062209
  • 査読あり
• [雑誌論文] Unidirectional motion of a camphor disk on water forced by interactions between surface camphor concentration and dynamically changing boundaries (2017)
  • 著者名/発表者名: Jerzy Gorecki, Hiroyuki Kitahata, Nobuhiko J. Suematsu, Yuki Koyano, Paulina Skrobanska, Marian Gryciuk, Maciej Malecki, Takahiro Tanabe, Hiroya Yamamoto, Satoshi Nakata
  • 雑誌名: Physical Chemistry Chemical Physics 巻: 19 ページ: 18767～18772
  • DOI: 10.1039/c7cp03252h
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Relationship between the size of camphor driven rotor and its angular velocity (2017)
  • 著者名/発表者名: Yuki Koyano, Marian Gryciuk, Paulina Skrobanska, Maciej Malecki, Yutaka Sumino, Hiroyuki Kitahata, and Jerzy Gorecki
  • 雑誌名: Physical Review E 巻: 96 ページ: 012609/1-8
  • DOI: 10.1103/PhysRevE.96.012609
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Hydrodynamic effects in oscillatory active nematics (2017)
  • 著者名/発表者名: Alexander S. Mikhailov, Yuki Koyano, Hiroyuki Kitahata
  • 雑誌名: Journal of the Physical Society of Japan 巻: 86 ページ: 101013/1-9
  • DOI: 10.7566/JPSJ.86.101013
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] 界面活性剤の輸送に伴う振動的対流現象 (2017)
  • 著者名/発表者名: 北畑裕之，小谷野由紀，南齋勉，井川学
  • 学会等名: 日本物理学会2017年秋季大会
• [学会発表] Hydrodynamic coupling between active matters and pattern formation (2017)
  • 著者名/発表者名: Hiroyuki Kitahata
  • 学会等名: International Symposium on Fluctuation and Structure out of Equilibrium 2017
  • 国際学会 / 招待講演
• [備考] 北畑裕之のページ
  • URL: http://nonlinear.s.chiba-u.jp/~kitahata/