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。

已经在科学和工程领域的广泛领域中研究了由宏观较大的颗粒（例如粉状和胶体）组成的系统（粒子系统），从微观的角度来理解粒子系统的巨粒性能很重要。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起着重要作用。近年来，已经详细研究了通过分子动力学从液体转变为无定形固体的干扰过渡，并且正在阐明巨物理特性与微粒结构之间的关系。例如，粒子系统的粘度和弹性模量遵循临界缩放点附近的临界缩放点，这两者都与颗粒的自然振动直接相关。换句话说，粒子系统的流变学已被自然振动状态的密度完全理解。弹性的动态模量也代表了粒子系统的粘弹性，也用状态的密度来描述，并以软模式表达（零的固有频率）的表达形式解释了可塑性。顺便说一句，常规研究倾向于研究理想情况下的干扰过渡，为了进行计算便利，通常假设一个完全没有摩擦或变形的球形粒子模型。但是，实际颗粒具有复杂的特性，并且尚未对状态和巨物理特性的密度产生影响。实际上，存在一个问题，即通过理想化的粒子模型对弹性模量的临界缩放不符合实验结果。因此，这项研究的目的是阐明粒子特性对状态密度的影响，并使用统计机械方法来解释由此引起的巨摩托理特性的变化。颗粒的特性是：1）颗粒之间的摩擦，2）颗粒本身的变形和3）非球形形状，以及诸如粘度，弹性模量和动态模量之类的流变特性集中在宏观特性上。特别是，①-③的特性被视为伪粘合模式，并且显而易见，隔离条带在状态密度中的作用显而易见。