ソフトマターの構造形成：形成過程と不安定化のダイナミクス

软物质的结构形成：形成过程和失稳动力学

• 批准号: 13J09898
• 负责人: 荒井 俊人
• 金额: $ 1.28万
• 依托单位: The University of Tokyo
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2013
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2013-04-01 至 2015-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-13J09898/
• 关键词: コロイド; 相転移; 結晶化; 融解; ガラス化; ソフトマター; 非平衡物理; 複雑流体

荷電コロイドは，長距離静電斥力により安定化されたWigner 結晶と呼ばれる秩序構造をとることがある．この結晶状態は，電荷により安定化された結晶構造であり，通常の剛体球系に比べはるかに低い体積分率で結晶が形成されるという特徴を持つ．このような荷電系は生体内で電荷を持った分子が多い点から，その秩序化を実験・理論的に検討することが重要であるのみならず，対イオンの濃度の自由度が相互作用の大きさに影響を与える点で物理学的にも興味深い系である．また，剛体球系ではHCP構造およびFCC構造が安定相として知られるが，荷電系ではこれに加え，BCC構造も低体積分率で安定に存在することが知られている．そのため，結晶化や融解過程へ新たな知見を与えることを目的とした。本研究では，荷電コロイドを用いてその秩序化や結晶の融解過程を実験およびシミュレーションを用いることで調べた．まず，共焦点顕微鏡を用いてWigner結晶の形成過程を3次元的に調べることで，結晶化の際には結晶相の選択に液体中の中距離配向秩序が大きく影響を与えることを突き止めた．次に体積分率を変化させた場合にバルクの安定相が変化する相境界付近で結晶化が大きくスローダウンすることを見出し，その原因が各結晶形がフラストレートすることで生じていることが示唆された．また，このような系について静電相互作用を遮蔽することで，結晶から液体への相転移を引き起こし，融解のダイナミクスを3次元的に調べた．その結果，融解の核となる欠陥構造や臨界核の大きさなどを実験的に調べることに成功した．尚，このような荷電系を適切に扱うことのできるシミュレーション手法の確立も行った。

When charged, the long-distance electrostatic repulsion stabilizes the Wigner crystal and creates an orderly structure. The crystalline state is characterized by charge stabilization, crystalline structure, and generally rigid spherical systems with low volume fraction and crystalline formation. The charged system is composed of molecules with charge in the body, which are divided into many points, and the order of the molecules is realized. The theoretical analysis is important, the concentration of the molecules is free, and the interaction is large. The physics is interesting. The HCP structure and FCC structure of rigid spherical system are stable phase, the charged system is stable phase, the BCC structure is stable phase with low volume fraction. Crystallization and melting process are new to the world. In this study, we found that the process of crystallization and melting of charged crystals was regulated by the application of the process. The formation process of Wigner crystals is a three-dimensional tuning process. The crystal phase is selected during crystallization. The intermediate distance alignment order in the liquid is greatly influenced by the confocal micromirrors. In the case of secondary volume fraction change, the stable phase change is closer to the crystallization phase, and the crystallization phase change is closer to the crystallization phase. This is a system of electrostatic interaction shielding, crystallization, phase shift, melting, and three-dimensional modulation. As a result, the melting of the core and the formation of the critical core are successful. In addition, the charge system is properly established.

项目成果

Structural Features of Colloidal Wigner Crystals : a Confocal Microscopy Study

胶体维格纳晶体的结构特征：共焦显微镜研究

• 发表时间: 2013
• 作者: S. Arai;H. Tanaka
• 通讯作者: H. Tanaka

荷電コロイドを用いたWigner結晶の融解挙動

使用带电胶体的维格纳晶体的熔化行为

• 发表时间: 2013
• 作者: 荒井俊人;田中肇
• 通讯作者: 田中肇

荷電コロイド系の結晶化 : 壁面からの1軸的成長

带电胶体系统的结晶：从壁表面单轴生长

• 发表时间: 2014
• 作者: 田村 彰;山本 哲也;本田 善央;天野 浩;Joquim Silvestre;荒井俊人・田中肇
• 通讯作者: 荒井俊人・田中肇

Anomalous Drying Dynamics of a Polymer Solution on a Substrate

基材上聚合物溶液的异常干燥动力学

• DOI: 10.1140/epje/i2013-13063-6
• 发表时间: 2013
• 期刊: European Physical Journal E
• 影响因子: 1.8
• 作者: 粕谷昌宏;粕谷昌宏;粕谷昌宏;粕谷昌宏;粕谷昌宏;粕谷昌宏;勝野 弘子;勝野 弘子;勝野 弘子;勝野 弘子;S. Arai and M. Doi
• 通讯作者: S. Arai and M. Doi

荷電コロイド系における長距離斥力による秩序構造形成

带电胶体系统中长程斥力形成有序结构

• 发表时间: 2013
• 作者: 荒井俊人;田中肇
• 通讯作者: 田中肇