| 研究課題/領域番号 |
19K14614
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| 研究機関 | 九州大学 |
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研究代表者 |
江端 宏之 九州大学, 先導物質化学研究所, 学術研究員 (90723213)
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| 研究期間 (年度) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| キーワード | 粉粒体 / パターン形成 / 相分離 |
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| 研究実績の概要 |
外界からのエネルギー流入と内部でのエネルギー散逸が絶えず起こる非平衡散逸系では、熱平衡系では見られない時空間構造を自発的に形成することが出来る。熱揺らぎの影響を受けない散逸粒子の集合である粉粒体では、異なる種類の粒子は機械的駆動力により相分離し、動的秩序を形成することがある。この時、粒子が持つ散逸の強さの違いが、分離と構造形成の実現に重要であると考えられている。しかし、粉粒体の混合・分離を一般的に予測するのに必要な物理量は未だ明らかにされていない。本研究では粉粒体の相分離現象の水平加振実験系を構築し、分離による構造形成の非侵襲な内部測定を行っている。本実験においては、粒子の比重差の影響を除くため、ガラスビーズとガラスフリットを使用している。この時、バンド形成を起こすためには流動性の低いガラスフリットの粒径がガラスビーズより小さい必要がある。今年度はまず、水平加振の振動数、粉粒体の粒径を変え、相分離によるバンド形成の相図を作成した。その結果、加振の振動数が大きくなるにつれて、バンド未形成、バンドの生成消滅、分裂するバンド、ストライプ状のバンドへと分岐することが分かった。このような分岐カスケードは反応拡散系のグレイスコットモデルにおけるパターン形成の分岐に類似している。また、ガラスビーズの粒径が大きくなるほど、分裂するバンドが現れるために必要な振動数が大きくなり、バンドが現れにくくなることが分かった。次に高速度カメラを使用し、バンドの生成・消滅時の粉粒体層の流動状態の測定を行った。その結果、表層にある流動性の高いガラスビーズの層が流動により、ガラスフリッタを巻き上げ、ガラスフリッタのバンドが生成されていることが分かった。さらに、流動性の低いガラスフリッタのバンドが形成されることで、表層の流動が抑えられ、偏析によりガラスビーズが再度表層に現れてバンドが消滅することが分かった。
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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
２０１９年度は擬二次元容器において水平振動の振幅と周波数、粒子の組み合わせを系統的に変えて、バンド形成について相図を作成する予定であった。また、回転粘度計を新規に購入し、垂直加振装置と回転粘度計を組み合わせ、流動化状態での粉粒体の粘性を測定し、粘性がバンド形成に与える影響を検討することを予定していた。以上の予定を踏まえ、２０１９年度は粉粒体の相分離現象の水平加振実験系を確立し、分離による構造形成の非侵襲な内部測定を系統的に行うことができた。これまで、水平加振におけるバンド形成に必要な条件が分かっていなかったが、バンド形成を起こすためには流動性の低いガラスフリットの粒径がガラスビーズより小さい必要があることが分かった。また、水平加振の振動数を変えることで、バンド未形成、バンドの生成消滅、分裂するバンド、ストライプ状のバンドへとカスケード的に分岐することを示し、相図を作成した。さらに、高速度カメラを使用した粉粒体層の流動状態の測定から、バンドの生成・消滅のプロセスを調べた。さらに、新規に購入した粘度計により、粉粒体の粘性の粒径依存性の測定を開始している。また、垂直加振機と粘度計を組み合わせ、流動状態での粉粒体の粘性測定の実験装置の立ち上げを行っている。これまで、粒径の大きい粒子ほど粘性が高いことが分かって来ており、バンドの生成・消滅のプロセスとの関係を検証している。以上の結果より、予定通り研究を進めることができている。
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| 今後の研究の推進方策 |
これまでの研究により、エネルギー注入に関わる加振振動数、粒子の粒径、流動性がバンドの分岐にどのように影響を与えるかが明らかになってきている。さらに、高速度カメラを使用した粉粒体層の流動状態の測定から、生成・消滅するバンドのメカニズムが明らかになってきている。特に、粘度計によるレオロジー測定と生成・消滅するバンドのダイナミクスの測定から、ガラスビーズの粒径が大きいほど、偏析の効果が大きくなり、ガラスビーズ・ガラスフリッタ間の粘性差が小さくなることが分かった。そのため、ガラスビーズの粒径が大きくなるほどバンドが形成されにくくなることが予想されるが、これはこれまで得られた相図の結果と一致する。今後の研究ではさらに、バンド形成の相図に基づき、バンドの形成と不形成、単調緩和と分裂パターンなど、ダイナミクスの転移点近傍において、分離界面形成とバンド形成のダイナミクスを詳細に調べる。マーカー粒子を使用した粉体層内部の流れ場の測定と、分離界面の揺らぎの時間発展の測定を行い、分離界面の不安定化の性質を明らかにする。また、流動状態での粉粒体の粘性測定を系統的に行い、ガラスビーズ・ガラスフリッタ間の粘性差がバンド形成の相図と比較する。粒径が同じで、粘性のみ異なる組み合わせや、同種粒子で粒径が異なる組み合わせについても検討する。これまでに得られた結果から偏析の効果とガラスビーズ・ガラスフリッタ間の粘性差の効果を取り入れた現象論的なバンド形成のモデルを作成することを目指す。最終的には流動層について薄膜近似を使うことで、粉粒体のレオロジーを考慮した流体力学に基づく相分離界面の時間発展方程式を導く。モデルと実験において、界面不安定化の分岐点近傍の性質を比較することで理論の検証を行い、分離現象に本質的な物理量を明らかにすることを目指す。
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