| 研究課題/領域番号 |
21J21061
|
|---|
| 配分区分 | 補助金 |
|---|
| 研究機関 | 大阪大学 |
|---|
研究代表者 |
小井手 祐介 大阪大学, 基礎工学研究科, 特別研究員(DC1)
|
|---|
| 研究期間 (年度) |
2021-04-28 – 2024-03-31
|
| キーワード | 界面活性剤 / ミセル / 高分子 / 分子シミュレーション / 抵抗低減 |
|---|
| 研究実績の概要 |
本年度は、本研究課題の目標達成に向けて、2つの研究テーマに取り組んだ。1つ目は、一様せん断流中での界面活性剤ミセルの分裂のせん断速度依存性の解明である。これまでの研究において、高せん断速度の一様せん断流中では、ミセルの分裂が頻繁に生じることは明らかとなっていたが、その統計的性質やせん断速度依存性については未解明な点があった。そこで、本年度は、ミセルの会合数に着目して条件付けた解析や個々のミセルを追跡するプログラムを開発することで、ミセルの大きさに依存した分裂の頻度を定量的に評価することに成功した。さらに、分子シミュレーションのデータからミセルの最長緩和時間を評価する手法を開発することで、様々なパラメータにおけるミセルの分裂のせん断速度依存性を統一的に整理した。具体的には、様々な温度における大規模分子シミュレーションを実行し、それらの結果が最長緩和時間を考慮することで体系的に理解できることを発見した。つまり、個別のパラメータに限定された結果ではなく、ミセルの動力学に関する一般的かつ基礎的な知見へと昇華させることに成功した。2つ目は、非定常一様せん断流中での高分子鎖の伸長および緩和機構の解明である。本課題の目標である乱流中でのミセルと渦の相互作用の解明に向けて、本研究では、ミセルに比べて取扱いが容易な高分子に焦点を当てることで問題を単純化した。大規模分子シミュレーションと理論を組み合わせることで、時間変動する流れ場における高分子鎖の動力学に関する基礎的な知見を獲得した。
|
| 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
界面活性剤ミセルの最長緩和時間を評価する手法を開発することで、流れ場中のミセルの動力学を議論する土台を確立することができた。これにより、これまで系統的な理解が得られていなかった流れによるミセルの分裂現象を見通しよく理解することに成功した。また、高分子の伸長と緩和に関しても、大規模分子シミュレーションだけでなく、理論や簡易的なモデルを用いた数値実験を活用することで、今後、乱流中での高分子のふるまいを議論する基盤を築くことができた。以上の理由から、おおむね順調に進展していると判断した。
|
| 今後の研究の推進方策 |
3つの研究課題を通して研究を推進する予定である。 1)界面活性剤と高分子は、乱流抵抗低減において、定性的には類似した役割を担うと考えられている。そこで、高分子を単純化したモデルであるバネビーズモデルの乱流中でのふるまいを調査する。特に、乱流中には、大小様々な大きさの渦が存在することを考慮し、どの大きさの渦がバネビーズモデルの伸長に最も寄与するのかを明らかにする。これにより、乱流の秩序構造が明らかとなった現代の視点から、改めて抵抗低減の物理機構に迫る。 2)先ほど述べたように、高分子と界面活性剤ミセルはどちらも乱流抵抗低減を実現するが、微視的な観点から見ると、両者は異なる。高分子は共有結合によって鎖状構造を実現するのに対し、界面活性剤ミセルの形成は、分子間相互作用に基づくため、溶液中では、分裂と再結合を繰り返す。さらに、これまでの研究により、十分大きな速度勾配を伴う流れ場中では、ミセルの分裂が促進されることが明らかになった。そこで、今年度は、流れ場中での再結合の性質を明らかにすることを目指す。流れ場中での再結合の様式やその速度の変化を明らかにすることで、これまで蓄積した分裂に関する知見と融合し、流れ場中でのミセルのふるまいを明らかにする。 3)界面活性剤ミセル特有のその他の特徴として形状の流れに対する依存性が挙げられる。界面活性剤は、自己組織化によって球状、棒状、ひも状 など多彩な形状を示す。今後は、分岐構造等の複雑形状を評価する手法を開発し、ミセルの形状と流れの強さの関係を解明することを目指す。
|
