マランゴニ対流と反応拡散場に駆動される液滴の運動・変形ダイナミクス

马兰戈尼对流场和反应扩散场驱动的液滴运动和变形动力学

• 批准号: 19J00365
• 负责人: 小谷野 由紀
• 金额: $ 2.58万
• 依托单位: Tohoku University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2019
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2019-04-25 至 2022-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-19J00365/
• 关键词: 自己駆動運動; 液滴; 界面活性; アクティブマター; 界面

本研究課題では反応拡散場によって駆動される自発運動系をいくつか取り扱って研究を行ってきたが、今年度は特に、基板の上の液滴が化学物質を放出することで周囲の表面張力を変化させ、表面張力勾配によって液滴自身が駆動される系を対象とした。前年度までは、一つの液滴の運動速度や変形などの特性を数値的に調べ、また、一様な液膜が不安定化する様子を線形安定性解析によって説明した。今年度は、一様な液膜が線形不安定性によって多数の液滴に分裂したのちに、自己駆動運動によって衝突・合体するメカニズムについて詳しく調べた。線形不安定化によって一様液膜の高さがばらつくと、液膜の厚みが大きいところではラプラス圧が支配的になるため、高さ方向に関してパラボラ形状の液滴が多数生じる。初期に生じる液滴のサイズは最も線形不安定な波長によって決定されるため、システムサイズが与えられると初期に生じる液滴の個数もおよそ決定される。生じた液滴は自発的に自己駆動運動を行うが、液滴同士が衝突すると合体し、大きな液滴を形成する。数値的に調べた範囲では液滴が自発的に分裂することはなく、液滴の総個数は時間とともに単調減少していく。以上のようなダイナミクスは、液滴の存在する場所・しない場所の相分離構造が自発的に生じ、時間とともに粗大化する様子と捉えることもできる。相分離構造が粗大化するダイナミクスとしては例えばスピノーダル分解が有名であるが、それとは異なり、自発運動によってドメインの衝突・合体が起こるためにタイムスケールが速い相分離となる。具体的な相分離のタイムスケールは、気体分子運動論的な衝突確率と、液滴の個数・サイズ・密度の関係から理論的に導くことができ、数値計算の結果をよく再現することも確認された。

该研究主题是在由反应扩散场驱动的几个运动系统上进行的，但是今年，我们专注于底物释放化学物质上的液滴，改变周围表面张力的系统，其中液滴本身是由表面张力梯度驱动的。直到上一年，还检查了单滴（如运动速度和变形）的特征，并使用线性稳定性分析来解释均匀液体膜的不稳定性。今年，我们详细研究了由于线性不稳定性而均匀的液体膜分成许多液滴的机制，然后通过自动驱动运动碰撞并聚集。当均匀液膜的高度因线性不稳定性而变化时，拉普拉斯压力在液体厚度很大的区域占主导地位，因此许多具有抛物线形状的液滴出现在高度方向上。最初生成的液滴的大小由最线性不稳定的波长确定，因此最初生成的液滴的数量也大约是给定的系统大小。由此产生的液滴自发地自动驱动运动，但是当液滴碰撞时，它们会结合并形成大液滴。在数值检查中，液滴不会自发分裂，并且液滴的总数随着时间的流逝而单调地减少。上述动力学也可以看作是一种状态，在这种状态下，相位分离结构在不存在液滴的地方自发出现，并且随着时间的流逝而粗糙。 Spinodal分解是一种动态，在这种动态中，相位分离结构变得更粗糙，但与此不同，由于运动的运动，域的碰撞和合并发生，从而导致了快速的时间尺度相分离。相位分离的特定时间尺度可以从理论上得出来自气体分子动力学的碰撞概率与液滴的数量，大小和密度之间的关系，并且也已证实，数值计算的结果得到了很好的复制。

项目成果

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Self-propelled motion of the camphor float with n-fold rotational symmetry

n次旋转对称樟脑浮子的自航运动

• DOI: 10.3389/fphy.2022.858791
• 发表时间: 2022
• 期刊: Frontiers in Physics
• 影响因子: 3.1
• 作者: 今倉 暁;相原 研輔;保國 惠一;佐藤寛之，竺筱晶;Hiroyuki Kitahata and Yuki Koyano
• 通讯作者: Hiroyuki Kitahata and Yuki Koyano

Imperfect bifurcation in the rotation of a propeller-shaped camphor rotor

• DOI: 10.1103/physreve.103.012202
• 发表时间: 2021-01-04
• 期刊: PHYSICAL REVIEW E
• 影响因子: 2.4
• 作者: Koyano, Yuki;Kitahata, Hiroyuki
• 通讯作者: Kitahata, Hiroyuki

Autonomous elastic microswimmer

自主弹性微型游泳器

• DOI: 10.1209/0295-5075/133/34001
• 发表时间: 2021
• 期刊: EPL (Europhysics Letters)
• 作者: Era Katsutomo;Koyano Yuki;Hosaka Yuto;Yasuda Kento;Kitahata Hiroyuki;Komura Shigeyuki
• 通讯作者: Komura Shigeyuki

Bifurcation structure in a self-rotating camphor particle system

自旋转樟脑颗粒系统中的分叉结构

• 发表时间: 2021
• 作者: Shin Dongbin;Latini Simone;Schafer Christian;Sato Shunsuke A.;Baldini Edoardo;De Giovannini Umberto;Hubener Hannes;Rubio Angel;小林和也，栗田玲;Yuki Koyano
• 通讯作者: Yuki Koyano