2019 Fiscal Year Research-status Report

Mechanism of the strength of naturally occurring networks and its application

Research Project

Project/Area Number	19K06171
Research Institution	Kyushu University
Principal Investigator	巽大輔九州大学, 農学研究院, 准教授 (60293908)
Project Period (FY)	2019-04-01 – 2022-03-31
Keywords	ネットワーク / ゲル / パターン / 非線形現象 / 粘弾性 / ヴィスカスフィンガリング / ひび割れ / セルロース
Outline of Annual Research Achievements	自然界に見られる模様（パターン）とそれが示す特性について系統的に検討する目的で、①ヴィスカスフィンガリングによって形成されるゲル②ひび割れを鋳型として作製したゲルについて、ネットワーク構造と粘弾性の関係について検討を行った。ヴィスカスフィンガリングについては、ネットワーク構造を固定化できるように、低温でゾル、高温でゲル化するメチルセルロース水溶液を試料として用いた。これをレオメーターのプレート間に充填し、上部のプレートを引き上げることで、樹枝状のネットワークを形成させた。その後、装置の温調機能を用いて昇温し、水溶液をゲル化することでネットワークを固定化した。プレート上に形成させた樹枝状ネットワークを、そのままレオメーターを用いて粘弾性測定を行った。ひび割れについては、粘土を一晩乾燥させることによって、異なるひび割れのパターンを形成させた。このひび割れを鋳型とし、セルロース/塩化リチウム・N,N-ジメチルアセトアミド溶液を注入した。その後、それを脱イオン水に浸して溶液をゲル化させた。熱湯を用いて粘土からネットワーク状のゲルを取り出し、その粘弾性測定を行った。それぞれのゲルについて、そのネットワーク構造をカメラで撮影し、得られた画像についてボックスカウント法を用いてフラクタル次元を算出した。ヴィスカスフィンガリングは、枝分かれが顕著になるほど、ネットワーク構造に特有の粘弾性挙動へ移行することが示唆された。ネットワーク弾性率とネットワークの濃度との関係は、両対数プロットで直線関係を示した。すなわち、両者の間にはべき乗則が成り立ち、そのべき数は1から2の範囲であった。一方、ひび割れネットワークについてもべき乗則が成り立つことが示されたが、べき数はおよそ5であった。以上より、本研究で得られた樹枝状ネットワークについて、パターンと粘弾性には相関があることが示された。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason 計画通り、ヴィスカスフィンガリングおよびひび割れのパターンを持ったゲルを調製し、その構造パラメーターであるフラクタル次元の算出および、ゲルの粘弾性の濃度依存性を求めることができた。
Strategy for Future Research Activity	ヴィスカスフィンガリングとひび割れのネットワークパターンのパターンをもつゲルとその粘弾性について検討し、巨視的ネットワークパターンをもったゲルの粘弾性はパターンに依存した変化を示すことが見出された。しかし、巨視的ネットワークパターンのうち粘弾性に反映されるパターンの要因については未解決である。また、刺激（応力）の伝達方向とパターンの広がり方向が一致していない。今後は、これらの点を解決するべく、より一般性のある試料を用い、応力の伝達方向とパターンの広がりが一致するような測定法を試みる。
Causes of Carryover	物品費および人件費・謝金が当初予定よりも実支出額が少なかった。次年度使用額は多額ではないので、当該年度以降分として請求する助成金と合わせ、物品費として使用する。