| 研究課題/領域番号 |
17K05613
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| 研究機関 | 広島大学 |
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研究代表者 |
田中 晋平 広島大学, 総合科学研究科, 准教授 (40379897)
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| 研究期間 (年度) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| キーワード | 自己駆動 / 間欠運動 / 反応拡散 / 表面張力 |
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| 研究実績の概要 |
平成２９年度には、自己駆動液滴系のメカニズム解明のための実験およびシミュレーション研究を行った。実験では、液滴を展開した状態の気液界面に外部からの空気を緩やかに吹き付ける実験により、液滴集団がこの空気によって清浄化された界面に引きつけられることを明らかにした。この結果は、液滴集団が界面張力によって駆動されていることを強く示唆している。また、液滴に含まれる色素の量によって、液滴の運動様式が異なることも明らかにした。この結果を説明するには未だ実験が足りないが、この新たに発見された不純物効果は、液滴の蒸気圧が運動に影響を与えていることを示唆している。
これらの実験結果を踏まえて、液滴集団の振動的振る舞いを説明しうるモデルの一つとして、反応拡散モデルを提案した。このモデルでは、液滴から解け出した有機溶媒によって周囲の界面張力が低下し、それによる界面張力の勾配によって液滴が駆動される。また、液滴間に働くキャピラリー引力を、重ね合わせ近似のもとで定式化し、モデルに取り入れた。さらに、液滴間に短距離の斥力を仮定し、これら３種類の力のもとでの液滴運動を数値シミュレーションによって詳細に調べた。その結果、界面張力と溶解した有機溶媒濃度の関係に、シグモイド型の単純な関数を仮定したとき、界面張力が低濃度の有機溶媒に反応しない範囲が大きいほど、液滴またはそのクラスターに間欠的な運動が誘起され、クラスター全体が振動的運動を開始することが分かった。またシミュレーションによる実験の再現は速度相関関数によっても確認することができた。これらの結果から、液滴の間欠運動が、クラスターの振動的振る舞いと強く関係していることを明らかにすることができた。
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| 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
当初計画にある外部からの摂動を用いたクラスター振動のメカニズム解析には、実験的にある程度成功しており、今後の研究によってより詳細な情報を得ることができると期待している。また、液滴粒子からの有機溶媒の溶出の重要性も、実験、シミュレーションの双方から明らかにすることができ、当初計画どおりに研究が進捗していると考えている。当初計画から遅れている研究は、液滴周囲の場の可視化であるが、これについても実験装置の構築はほぼ終了しており、予備実験を開始する段階にある。この実験が遅れている理由は、液滴粒子の非常に遅い運動に追随した微小な流動を追跡できる可視化粒子の選定が難しいことである。今後いくつかの可視化粒子を試験し、最適なものを選択した上で本実験を開始する予定である。一方で数値シミュレーションの方は計画よりも進捗しており、結果を投稿できる段階にある。以上を総合して、上記の進捗状況判断とした。
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| 今後の研究の推進方策 |
研究計画は概ね計画通り進捗しており、今後も計画通り研究を遂行する予定である。特に今年度は遅れている液滴周囲の場の可視化実験に力を入れ、液滴が運動する際の周囲の環境との相互作用を明らかにする。この情報によって、液滴集団の複雑な時空間パターンがどのように発生しているのか、そのメカニズムを解明することが可能になると考えている。
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| 次年度使用額が生じた理由 |
次年度使用額が生じた理由は、年度末に支出を予定していた学会参加旅費を、他の資金から捻出することができたためである。この分については、平成30年度の物品費と合わせてガラス器具等の実験消耗品の購入のために使用する。
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