【研究分野】数理物理・物性基礎

【研究領域課題番号】26400407 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

結晶成長 / パターン形成 / 球晶 / 流動性 / 非線形ダイナミクス / 流体力学 / 非線形動力学

【研究成果の概要】

高粘度薄膜溶液からの球晶成長について、主たる実験系として、有機分子の一つであるアスコルビン酸水溶液に着目し、成長時、準安定状態にある薄膜溶液の流動性を定量的に特徴付けることを目的とし、流動解析を行い、膜厚の変化を測定した。
得られた測定結果を踏まえて、アスコルビン酸水溶液だけでなく、他の球晶成長にも適用可能な、系の詳細に依らない、溶液の流動性を考慮した、高粘度薄膜溶液からの球晶成長に対する簡単な数理モデルを提案した。

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】2014-04-01 - 2017-03-31

【配分額】1,560千円 (直接経費: 1,200千円、間接経費: 360千円)

【研究分野】数理物理・物性基礎

【研究領域課題番号】25610110 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

パターン形成 / 非平衡・非線形物理学 / 結晶成長 / 流体力学

【研究成果の概要】

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。

【研究種目】挑戦的萌芽研究

【研究期間】2013-04-01 - 2014-03-31

【配分額】390千円 (直接経費: 300千円、間接経費: 90千円)

【研究分野】数理物理・物性基礎

【研究領域課題番号】18340115 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

パターン形成 / バクテリア / コロニー / スケーリング / フラクタル / 複雑系 / 対数正規分布 / 細菌 / 結晶成長 / べき乗分布 / 生物物理 / 細菌コロニー / 市町村人口

【研究成果の概要】

自然界、社会に見られるランダムなパターンの構造と統計について主として三つの課題を研究した。1.大腸菌と緑膿菌について環境条件を変えるとコロニーパターンがどのように変化するかのダイヤグラムを確立し、そのうちの周期パターンの菌密度変化を詳しく調べた。2.ランダムパターンの成長界面の自己アフィンフラクタル性を、バクテリアコロニー、地形などを例にして詳しく調べた。3.都道府県人口、市町村人口、私たちの身長・体重などを例にして、複雑系一般の統計性の基本は対数正規分布であることを基礎づけた。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2006 - 2009

【配分額】11,790千円 (直接経費: 10,500千円、間接経費: 1,290千円)

【研究分野】高分子化学

【研究領域課題番号】15655038 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

無機 / 有機複合材料 / バイオミネラリゼーション / 自己組織化 / 炭酸カルシウム / ゲル / パターン形成 / 結晶成長 / 多糖誘導体

【研究成果の概要】

生物がつくり出す貝殻や真珠、骨や歯のような無機/高分子複合体は、我々が容易に模倣できない精緻な構造を有し、すぐれた性質・機能を示す。このようなバイオミネラルの形成プロセス、すなわちバイオミネラリゼーションに倣い、無機/高分子複合体を人工的に、かつ自己組織的に作製できれば、高機能・高性能かつ環境低負荷性の複合材料が得られるはずである。我々は、炭酸カルシウムと有機高分子からなる複合材料をバイオミネラリゼーションに倣った自己組織化プロセスにより構築してきた。本研究では、炭酸カルシウムの結晶化にソフトなゲルを形成する合成高分子を用いて炭酸カルシウムの形態制御を行い、自己組織的にパターン構造を作製することに世界で初めて成功した。
ポリアクリル酸などの水溶性高分子添加物の存在下、プルランのコレステロール誘導体をマトリクスに用いて炭酸カルシウムのパターン構造を形成させた前年度の知見から、マトリクスと水との複合構造がパターン構造形成に深くかかわっていると考えた。そこで、本年度は有機高分子マトリクスとして分子量やケン化度で水との相互作用が変化するポリビニルアルコールを用い、パターン化薄膜の形成を試みた。その結果、周期がマイクロメートルオーダーの同心円状の炭酸カルシウム凹凸パターン薄膜の形成に成功した。このパターン薄膜は光の回折現象により、干渉色を呈することも分かった。また、ポリビニルアルコールマトリクスの加熱処理条件やケン化度によって、薄膜のパターン周期が変化したことから、下地であるマトリクスの構造が結晶成長に影響を及ぼすことが分かった。

【研究種目】萌芽研究

【研究期間】2003 - 2004

【配分額】3,500千円 (直接経費: 3,500千円)

【研究分野】固体物性Ⅰ(光物性・半導体・誘電体)

【研究領域課題番号】10044049 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

形態形成 / 氷結晶 / 形態不安定 / 拡散場 / マリンズ・セカーカ不安定 / 光干渉法 / 分子動力学シュミレーション / 計算機シュミレーション / 表面融解 / 結晶成長 / 界面カイネティクス / パターン形成 / 樹枝状成長 / ファセット成長 / 界面張力 / 異方性 / 計算機シミュレーション

【研究成果の概要】

氷結晶の一方向成長実験を行い、界面と界面近傍のその場観察を行った。従来界面近傍での不純物濃度分布の直接観察は困難であったが、高精度の干渉計を使用することでこれが可能になった。その結果、界面での形態不安定の駆動力となっている組成的過冷却の存在が初めて実験的に検証され、本来線形定常理論であるMullins-Sekerka界面不安定理論が実測による界面臨界濃度を考慮することで、このような系にも適用できることが示された。この実験成果は、本研究の米国側研究分担者であるSekerka教授、Gurtin教授らとの討論を通じて解析が行われた。
一方、自由成長における氷結晶の円盤成長のモデルを構築することに成功し、ベーサル面の成長機構の違いが重要な役割を果たすことが明らかになった。今後、円盤結晶の縁における界面不安定発生のメカニズムの解明が重要な課題となる。これは、従来にない新しい界面不安定発生機構を提案することになる。
分子動力学法による氷結晶表面と氷水界面構造の分子動力学計算機シミュレーションを実施した。これにより、表面融解の生じる初期状態から融点近傍までの氷表面の構造や固液界面での氷結晶成長の分子レベルでの再現に成功した。このような分子レベルでの描像とパターン形成との関連が今後の重要な研究課題となろう。
以上の成果を元に、氷結晶のパターン形成機構に関する理解は飛躍的に進歩した。特に、ファセット面を含む結晶のパターン形成モデル構築の可能性を確かなものにしたことが最大の成果である。
また、本研究期間中に2回の関連する研究会を開催した。いずれも50名ほどの研究者が参加し、極めて有益な討論を実施することができた。今後は、この研究協力で培った国際協力体制をさらに発展させることが重要である。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】1998 - 1999

【配分額】5,600千円 (直接経費: 5,600千円)