時空階層性の物理学:単純液体からソフトマターまで

时空层次物理学：从简单液体到软物质

基本信息

批准号：
25000002
负责人：
田中肇
金额：
$ 306.84万
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：
2013
资助国家：
日本
起止时间：
2013 至 2018
项目状态：
已结题

项目摘要

1. 水の物理に関して : (1)水の熱力学・動力学異常について研究を行い、両者が構造秩序変数そのものとそれを隣接分子まで空間的に粗視化したものによりそれぞれあらわされることを見出した。これは、両者の起源がともに局所的な正四面体構造形成に起因していることを強く示唆しており、我々の提唱する2状態モデルを強く支持する結果である。(2)また、水とシリカはともに正四面体構造をとるが、ガラス形成能に関しては、両者は極端に異なる性質を示す。その原因が、水における水素とシリカにおける酸素の空間配列の乱れの度合いの相違からきていることを発見した。2. 液体・液体転移に関して : 亜リン酸トリフェニルにおいて、液体・液体転移の可逆性を初めて明らかにするとともに、ダイナミクスを誘電緩和スペクトル測定により実時間追跡することに成功した。その結果は、我々の提唱する二秩序変数モデルの予測と一致した。3. ガラス転移現象に関して : (1)これまで局所的に安定な構造が未知であった、2成分粒子系において、局所的なパッキング能を定量化することで、隠れた構造秩序構造をあぶりだすことに成功し、温度低下とともに、その構造の相関長が動的不均一性の相関長とコヒーレントに成長することを見出した。これは、過冷却液体の示す遅いダイナミクスの背景に構造秩序の発達があるという、我々の提唱するシナリオを強く支持する結果である。(2)ガラス状態にある物質のエイジング、結晶化について研究を行い、固体ガラス状態において進行する遅い過程が、粒子の連続的な運動ではなく、雪崩的な運動により誘起されることを見出した。さらに、その背景に、粒子間の力のバランスにより自己組織的に形成される力鎖のネットワーク構造があることを見出した。(3)ずり流動下で過冷却液体の粘性が減少するいわゆるシアシニング現象の背景に、液体の構造変化があることを明らかにした。特にずりにより引き延ばされる方向の構造エントロピーが、重要な構造指標であることを発見した。4. 結晶化に関して : (1)水の新しい準安定な氷を発見し、氷の各形成において前駆体として働くことを明らかにした。(2)二つの結晶相への結晶化の競合により結晶化が阻害される原因が、その付近で結晶的な回転対称性の破れの度合いが低下し、そのため界面エネルギコストが上がり結晶核形成に対するエネルギー障壁が上がるためであることを見出した。5. 非線形流動に関して : (1)せん断流れ下にある液体の壁面でのスリップの新しい機構を発見した。(2)高密度な粉体が液体中に分散した系において、その動的な挙動が流体に非圧縮性により大きな影響を受けている証拠を見出した。6. ソフトマターに関して : (1)コロイド分散系の相分離を任意パラメータなしに数値シミュレーションにより再現することに成功するとともに、ドメインの粗大化の新しい法則を発見した。(2)多孔質中の相分離のモルフォロジーを決定する物理機構を明らかにした。(3)コロイドの濃厚分散系に存在すると信じられてきた引力ガラス状態が、実はガラスではなく、空間的な不均一性を持つゲル状態であることを見出した。(4)共焦点レーザ顕微鏡による実験により、ゲル化における運動凍結の起源がガラス化の場合と結晶化の場合があることを明らかにするとともに、それを制御している物理因子を明らかにした。以上のように液体・ソフトマターの時空階層性に関して多くの基本的な問題を解明することに成功した。

1。关于水的物理：（1）我们对水的热力学和动态异常进行了研究，并发现两者都是由结构阶变量本身表达的，甚至通过空间方式将它们粗糙颗粒化成邻近的分子。这强烈表明，这两个起源都归因于局部四面体结构的形成，这是强烈支持我们提出的两态模型的结果。（2）尽管水和二氧化硅都有常规的四面体结构，但在形成玻璃的能力方面，这两种特性具有截然不同的特性。我们发现原因是由于二氧化硅中水和氧气中氢和氧气中氢的空间破坏程度的差异所致。 2。关于液体/液体过渡：首次在Triphenyl磷酸盐中揭示了液体/液体过渡的可逆性，并使用介电弛豫光谱测量实时成功地跟踪了动力学。结果与我们对两阶变量模型的建议预测一致。 3。关于玻璃过渡现象：（1）在以前未知的局部稳定结构的两个组分粒子系统中，我们通过量化局部包装能力，成功地暴露了隐藏的结构结构，并发现随着温度下降，结构的相关长度随着结构的相关长度而与动态异质性的相关长度相干地增长。这结果强烈支持我们提出的方案，在这种情况下，结构顺序的发展是超冷液体表现出的缓慢动态的背后。（2）我们对玻璃状态下材料的衰老和结晶进行了研究，发现在固体玻璃状态下进展的缓慢过程是由雪崩运动而不是颗粒的连续运动引起的。此外，发现其背景是力链的网络结构，这些结构是由粒子之间力平衡自组织的。（3）已经揭示了所谓的剪切现象下液体的结构变化，其中超冷液体的粘度在剪切流下降低。我们发现，剪切伸展的方向的结构熵是重要的结构指标。 4。关于结晶：（1）我们在水中发现了新的亚稳态冰，并揭示了它在每种冰层形成中都是前体。（2）发现，结晶成两个晶体之间的竞争抑制了结晶的原因是，结晶分解的程度在附近降低，从而导致界面能量成本的增加和结晶成核的能量障碍。 5。关于非线性流量：（1）在剪切流下的液体壁上滑倒的新机制。（2）我们发现证据表明，在将高密度粉末分散在液体中的系统中，其动态行为受到流体不可压缩性的极大影响。 6。关于软物质：（1）我们通过数值模拟而无需任何任意参数就成功地重现了胶体分散体的相分离，并发现了域的重新定律。（2）已经阐明了确定多孔材料相位分离形态的物理机制。（3）我们发现，据信在胶体丰富的分散体中存在的有吸引力的玻璃状态实际上不是玻璃状态，而是具有空间异质性的凝胶状态。（4）使用共聚焦激光显微镜的实验表明，凝胶化运动的起源可能是玻璃化或结晶，并揭示了控制其的物理因素。如上所述，关于液体和软物质的时空等级性质，已经成功解决了许多基本问题。

项目成果

期刊论文数量（311）

专著数量（0）

科研奖励数量（0）

会议论文数量（0）

专利数量（0）

Assessing the role of static length scales behind glassy dynamics in polydisperse hard disks

DOI：
10.1073/pnas.1501911112
发表时间：
2015-06-02
期刊：
PROCEEDINGS OF THE NATIONAL ACADEMY OF SCIENCES OF THE UNITED STATES OF AMERICA
影响因子：
11.1
作者：
Russo, John;Tanaka, Hajime
通讯作者：
Tanaka, Hajime

Mean-field dynamic criticality and geometric transition in the Gaussian core model

高斯核心模型中的平均场动态临界性和几何转变

DOI：
10.1103/physreve.93.042602
发表时间：
2016
期刊：
PHYSICAL REVIEW E
影响因子：
2.4
作者：
Daniele Coslovich;Atsushi Ikeda and Kunimasa Miyazaki
通讯作者：
Atsushi Ikeda and Kunimasa Miyazaki

Common microscopic structural origin for water’s thermodynamic and dynamic anomalies

水的热力学和动力学异常的常见微观结构起源

DOI：
10.1063/1.5055908
发表时间：
2018
期刊：
The Journal of Chemical Physics
影响因子：
0
作者：
Shi Rui;Russo John;Tanaka Hajime
通讯作者：
Tanaka Hajime

Equilibrium phase diagram of a randomly pinned glass-former

DOI：
10.1073/pnas.1500730112
发表时间：
2014-12
期刊：
Proceedings of the National Academy of Sciences
影响因子：
0
作者：
M. Ozawa;W. Kob;A. Ikeda;K. Miyazaki
通讯作者：
M. Ozawa;W. Kob;A. Ikeda;K. Miyazaki

Bristol University(英国)

布里斯托大学（英国）

DOI：
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通讯作者：
土屋範芳

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发表时间：
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发表时间：
2015
期刊：
影响因子：
0
作者：
道川武紘;上田佳代;竹内文乃;木下誠;林宏巳;市瀬孝道;新田裕史;田中肇;齋藤遼一・平野伸夫・土屋範芳・梶原竜哉・宍倉美里・赤塚貴史;畑　憲治・川上和人・可知直毅;Hao Zhang;齋藤光代・小野寺真一・金広哲・谷口正伸・清水裕太
通讯作者：
齋藤光代・小野寺真一・金広哲・谷口正伸・清水裕太