マイクロ流路を流れる微粒子の慣性集約挙動に関する数値実験研究

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マイクロ流路内を高速で流れる微粒子が，流体力学的な相互作用で自己組織化し整列する現象について，数値シミュレーションを用いて研究を行った．2020年度は，2つのテーマに関して得られた結果を査読誌上で公表し，本採択課題の申請書に記載していた研究目標を概ね達成することができた．一つは，マイクロ流路内で微粒子が流体の作用で自己組織化するメカニズムを数値シミュレーションで明らかにしたことである．先行研究では，解像度の低い実験的手法で限られたデータしかなく推測的な議論がなされていたに過ぎなかったが，数値シミュレーションによる高解像での解析により決定的なエビデンスを示すことができた．もう一つは，微粒子間の流体力学的な相互作用を強くすることで集約挙動がどのように変わるかを数値シミュレーションで示したものである．申請書には「粒子濃度が高いときに見られる非集約挙動のメカニズムを明らかにする」と書かれていたものである．従来の実験的手法では，2粒子間の流体相互作用を強制的に制御することは不可能であるため，粒子濃度が高い流れ領域での粒子挙動の解析は不可能であった．数値シミュレーションではそのような非現実的な操作が簡単に行えることから，ストレートフォワードな方法で非集約挙動の原因を明らかにした．さらにその過程で，粒子濃度が集約挙動のスピードを変化させることが判明した．論文として公開されてはいないものの，実験研究者との議論を通じて粒子濃度によって集約のスピードが変わることを伝え聞いていた．その現象をはじめてデータとして発表することができた．