Challenge from mechanical self-organization to elucidate the physical properties of non-equilibrium soft matter / amorphous material

来自机械自组织的挑战阐明非平衡软物质/非晶材料的物理性质

基本信息

批准号：
20H05619
负责人：
田中肇
金额：
$ 311.08万
依托单位：
The University of Tokyo
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Specially Promoted Research
财政年份：
2020
资助国家：
日本
起止时间：
2020-07-30 至 2025-03-31
项目状态：
未结题

项目摘要

（１）ソフトマターの力学的組織化と力学的最適設計：コロイド分散系や単純な一成分からなる流体が気体相と液体相に相分離する際にみられる、ネットワーク状の相分離構造の成長過程を、大規模なシミュレーションにより研究した。その結果、二つの相における粒子の密度が大きく異なり、混み合った相と希薄な相の間で粒子の動きが大きく異なる場合、混み合った相で形成されるネットワーク構造の特徴的なサイズが時間の冪で、自己相似的に成長すること、さらには、この冪乗則の指数（成長指数）が、これまで知られていた相分離の指数（1/3または１）とは異なり、1/2となることを発見した。（２）力学的トポロジーと流動：平均場理論と粒子ベースのモデルを併用して、異種細胞の競合について新たな機構を見出した。この粒子ベースモデルには細胞分裂を制御するために細胞周期制御が組み込まれており、細胞死（アポトーシス）の頻度や、細胞が増殖を停止する特性圧力が異なる異種細胞の混合系を扱うことができる。また、固体の記述におけるラグランジュ・オイラー描像の相違に着目して、固体における波数依存の散逸機構に関して、固体と・液体の本質的な違いに迫る基礎的に重要な発見をした。（３）相互作用ネットワークトポロジーに基づくアモルファス物質の物性解明：これまで、ガラス状態にある物質のエイジングや脱硝を防ぐために、温度を下げその進行を遅らせるアニール法などにより熱力学的に安定化する方法が行われてきた。我々は、コロイド分散系のガラス状態について、粒子の局所密度を均一化するという全く新しい方法で、非常に高い安定性を実現することに成功した。この原理は、ガラス状態を「力学的に均一化」する、すなわち、粒子間にかかる力がどの粒子に対しても釣り合った力学的に均一状態にするという力学的安定化法であり、従来の熱力学的な安定化法とは本質的に異なる全く新しい物理原理を提供する。

（1）软物质的力学组织和力学优化设计：胶体分散体系或简单的单组分流体相分离为气相和液相时观察到的网络状相分离结构的生长过程。通过广泛的模拟进行了研究。因此，如果两相中的颗粒密度显着不同，并且拥挤相和稀疏相之间的颗粒运动显着不同，则拥挤相中形成的网络结构的特征尺寸将随时间变化。我发现2. （2）机械拓扑和流动：结合平均场理论和基于粒子的模型，我们发现了不同类型细胞之间竞争的新机制。这种基于粒子的模型结合了细胞周期控制来控制细胞分裂，并且能够处理异质细胞的混合系统，这些细胞的细胞死亡（细胞凋亡）频率和细胞停止增殖的特征压力不同。此外，通过关注拉格朗日-欧拉图在固体描述中的差异，他在固体中与波数相关的耗散机制方面取得了根本性的重要发现，接近了固体和液体之间的本质区别。（3）基于相互作用网络拓扑阐明非晶材料的物理性质：迄今为止，为了防止玻璃态材料的老化和反硝化，人们已经使用通过降低温度和减缓热力学稳定材料的方法来稳定材料。退火等工作已取得进展。我们使用一种全新的均匀颗粒局部密度的方法，成功地实现了胶体分散体系玻璃态的极高稳定性。该原理是一种机械稳定方法，可以“机械均化”玻璃态，即创建一种机械均匀的状态，其中施加在颗粒之间的力对于每个颗粒来说是平衡的，并且它提供了一种本质上不同的全新物理原理来自热力学稳定方法。