Discovery Sagaサイレントキーワード俯瞰

パターン形成 / 非平衡・非線形物理学 / 結晶成長 / 流体力学

本研究は、薄膜状になったアスコルビン酸水溶液からの溶媒蒸発による球晶成長で見られる成長モードの動的転移、パターン形成についての研究であり、特に、環境の湿度による溶液の粘度変化、結晶成長に伴う溶液の流動性、流動性が引き起こす膜厚の変化に着目して、実験、ならびに、数理モデリングを行った。
具体的には、（１）光ピンセット法を用いた、薄膜状アスコルビン酸水溶液の粘度測定、（２）アスコルビン酸水溶液に数ミクロンのビーズを入れ、球晶成長時の溶液中でのビーズの運動を観察して溶液の流れを可視化、（３）高粘性薄膜状溶液からの球晶成長に対する溶液の流動性を考慮した理論の構築を行った。

界面運動 / 粉粒体 / シミュレーション / パターン形成 / 統計物理学 / 非平衡・非線形物理学 / 数理モデル

多粒子系における系の界面運動と粒子の集団運動との競合を理解するために、水-粉粒体混合系の乾燥に伴う水-空気境界の運動により得られる迷路状パターンの特徴付けを行った。我々の実験およびフェーズ・フィールドモデルに粉粒体の運動方程式を結合したモデルによるシミュレーションの結果、パターンのフラクタル性(自己相似性・自己アフィン性)および運動的性質が粉粒体の混合量に応じて変化することが確認された。

非平衡・非線形物理学 / 統計物理学 / ソフトマターの物理 / 粘着 / 剥離 / 粘弾性 / 非線形システム / パターン形成

粘着現象は粘着物質と物体との接着・変形・物体からの分離・破壊といった動力学的挙動としてとらえることができる。このような動力学的挙動を示す粘着物質は、その力学的物性として粘弾性を有し、長時間の変形に対しては粘性液体のように、短時間の変形では弾性固体のように振舞い、その弾性率は変形時間が長くなるにつれて単調に減少することが知られている。それゆえ、例えば、粘着テープの剥離において、粘着物質の粘弾性のみを考慮すれば、剥離に必要な力は剥離速度に対して単調に増加すると考えられる。ところが、実際の剥離挙動は常に単調であるとは限らず、ある速度領域では剥離力が振動するといった非単調性が現れる。剥離挙動が非単調になる原因の一つとしで、剥離中に変形した粘着物質による形態形成の安定性が挙げられる。我々は、剥離挙動の非単調性を特徴づける目的で以下の研究を行ってきた。
先ず我々は、粘着テープの剥離による粘着物質の変形および変形した粘着物質によって形成されるパターンに着目し、粘着テープを水平に置かれた基板に貼り、システムの硬さを制御するため、バネと粘着テープの一端を連結し、バネを基板と垂直方向に引き上げ、テープの剥離を行った。剥離の際、剥離速度とバネ定数をコントロールパラメータにして、基板からテープをはがす際に必要な荷重を測定した。また剥離後、テープに残された粘着物質の形態を観察した。
研究の成果として、粘着テープを一定の速度で引き剥がしたときの剥離挙動およびパターン形成について調べた実験の結果、条件によって現れる様々な剥離挙動を動的相図によって特徴づけることができた。そして、変形した粘着物質によって形成されるトンネル構造の安定性を表す状態変数を導入し、状態変数が剥離先端内に一次元的に並んでいると考えて、その集団運動として剥離挙動が理解できることを示した。