擬フロッピーモードで解き明かす粒子系の摩擦・変形・形状とレオロジーの関係

伪软盘模式揭示颗粒系统摩擦、变形、形状和流变学之间的关系

基本信息

批准号：
22K03459
负责人：
齊藤国靖
金额：
$ 2.58万
依托单位：
Kyoto Sangyo University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
财政年份：
2022
资助国家：
日本
起止时间：
2022-04-01 至 2027-03-31
项目状态：
未结题

项目摘要

粉体やコロイドなど巨視的な大きさの粒子から成る系（粒子系）は理工学の幅広い分野で研究されており、レオロジーなど粒子系のマクロな物性をミクロな視点で理解することが重要である。これまで数値シミュレーションを用いた理論的・数値的研究においては、全粒子の運動を再現する分子動力学法が大きな役割を果たしてきた。近年、分子動力学法によって粒子系が液体状態からアモルファス固体に変化するジャミング転移について詳しく調べられており、マクロな物性とミクロな粒子構造の関係が解明されつつある。例えば、粒子系の粘性率と弾性率はジャミング転移点近傍で臨界スケーリングに従い、両者は粒子の固有振動と直接関係する。つまり、粒子系のレオロジーは固有振動の状態密度によって完全に理解される様になった。また、粒子系の粘弾性を表す動的弾性率も状態密度によって記述され、塑性についてはソフトモード（ゼロの固有振動数）の発現という形で説明されている。ところで、従来の研究は理想的な状況でのジャミング転移を調べる傾向があり、計算の都合上、摩擦も変形もない完全に球形な粒子モデルを仮定するのが通例である。しかし、実物の粒子は複雑な性質を兼ね備え、それによる状態密度やマクロな物性への影響はまだ十分に研究されていない。事実、理想化された粒子モデルによる弾性率の臨界スケーリングは実験結果と一致しないという問題がある。そこで、本研究の目的は、粒子の性質が状態密度に与える影響を解明し、これによるマクロな物性の変化を統計力学的なアプローチで説明することである。粒子の性質として、①粒子間の摩擦、②粒子自身の変形、③非球形な形状に着目し、マクロな物性として粘性率・弾性率・動的弾性率などレオロジー特性に注目する。特に、①-③の性質を擬フロッピーモードと捉え、状態密度における孤立バンドが粒子系の粘性率・弾性率・動的弾性率に果たす役割を明らかにする。

由粉末和胶体等宏观颗粒组成的系统（颗粒系统）在科学和工程的广泛领域中得到研究，从微观角度理解颗粒系统的宏观物理性质（例如流变学）非常重要。是。到目前为止，重现所有粒子运动的分子动力学方法在使用数值模拟的理论和数值研究中发挥了重要作用。近年来，人们利用分子动力学方法对颗粒系统从液态转变为非晶态固体的干扰转变进行了详细研究，并阐明了宏观物理性质与微观颗粒结构之间的关系。例如，粒子系统的粘度和弹性模量遵循干扰转变点附近的临界缩放，并且两者都与粒子的自然振动直接相关。换句话说，粒子系统的流变学已经完全可以通过自然振动的状态密度来理解。此外，代表颗粒系统粘弹性的动态弹性模量也用态密度来描述，塑性则以软模态（零固有频率）的表达形式来解释。顺便说一下，常规研究倾向于考察理想条件下的干扰转变，并且为了计算方便，通常假设没有摩擦或变形的完全球形粒子模型。然而，真实粒子具有复杂的性质，其对态密度和宏观物理性质的影响尚未得到充分研究。事实上，问题在于理想化粒子模型对弹性模量的临界标度与实验结果不符。因此，本研究的目的是阐明粒子性质对态密度的影响，并使用统计力学方法解释由此产生的宏观物理性质的变化。作为颗粒的性质，我们关注（1）颗粒之间的摩擦力，（2）颗粒本身的变形，以及（3）非球形形状，并且我们关注宏观物理性质，例如粘度、弹性模量等流变性质，和动态弹性模量。特别是，我们将属性①-③视为准软盘模式，并阐明了态密度中的孤立带在粒子系统的粘度、弹性和动态弹性中所起的作用。