時空階層性の物理学:単純液体からソフトマターまで

时空层次物理学：从简单液体到软物质

• 批准号: 25000002
• 负责人: 田中 肇
• 金额: $ 306.84万
• 依托单位: The University of Tokyo
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Specially Promoted Research
• 财政年份: 2013
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2013 至 2018
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-25000002/
• 关键词: 時空階層性; 単純液体; ソフトマター; 共同体機能発現; 協同的機能発現; 水の熱力学異常; 液体・液体転移; ガラス転移; 結晶化; 非線形流動; 動的結合

1. 水の物理に関して : (1)水の熱力学・動力学異常について研究を行い、両者が構造秩序変数そのものとそれを隣接分子まで空間的に粗視化したものによりそれぞれあらわされることを見出した。これは、両者の起源がともに局所的な正四面体構造形成に起因していることを強く示唆しており、我々の提唱する2状態モデルを強く支持する結果である。(2)また、水とシリカはともに正四面体構造をとるが、ガラス形成能に関しては、両者は極端に異なる性質を示す。その原因が、水における水素とシリカにおける酸素の空間配列の乱れの度合いの相違からきていることを発見した。2. 液体・液体転移に関して : 亜リン酸トリフェニルにおいて、液体・液体転移の可逆性を初めて明らかにするとともに、ダイナミクスを誘電緩和スペクトル測定により実時間追跡することに成功した。その結果は、我々の提唱する二秩序変数モデルの予測と一致した。3. ガラス転移現象に関して : (1)これまで局所的に安定な構造が未知であった、2成分粒子系において、局所的なパッキング能を定量化することで、隠れた構造秩序構造をあぶりだすことに成功し、温度低下とともに、その構造の相関長が動的不均一性の相関長とコヒーレントに成長することを見出した。これは、過冷却液体の示す遅いダイナミクスの背景に構造秩序の発達があるという、我々の提唱するシナリオを強く支持する結果である。(2)ガラス状態にある物質のエイジング、結晶化について研究を行い、固体ガラス状態において進行する遅い過程が、粒子の連続的な運動ではなく、雪崩的な運動により誘起されることを見出した。さらに、その背景に、粒子間の力のバランスにより自己組織的に形成される力鎖のネットワーク構造があることを見出した。(3)ずり流動下で過冷却液体の粘性が減少するいわゆるシアシニング現象の背景に、液体の構造変化があることを明らかにした。特にずりにより引き延ばされる方向の構造エントロピーが、重要な構造指標であることを発見した。4. 結晶化に関して : (1)水の新しい準安定な氷を発見し、氷の各形成において前駆体として働くことを明らかにした。(2)二つの結晶相への結晶化の競合により結晶化が阻害される原因が、その付近で結晶的な回転対称性の破れの度合いが低下し、そのため界面エネルギコストが上がり結晶核形成に対するエネルギー障壁が上がるためであることを見出した。5. 非線形流動に関して : (1)せん断流れ下にある液体の壁面でのスリップの新しい機構を発見した。(2)高密度な粉体が液体中に分散した系において、その動的な挙動が流体に非圧縮性により大きな影響を受けている証拠を見出した。6. ソフトマターに関して : (1)コロイド分散系の相分離を任意パラメータなしに数値シミュレーションにより再現することに成功するとともに、ドメインの粗大化の新しい法則を発見した。(2)多孔質中の相分離のモルフォロジーを決定する物理機構を明らかにした。(3)コロイドの濃厚分散系に存在すると信じられてきた引力ガラス状態が、実はガラスではなく、空間的な不均一性を持つゲル状態であることを見出した。(4)共焦点レーザ顕微鏡による実験により、ゲル化における運動凍結の起源がガラス化の場合と結晶化の場合があることを明らかにするとともに、それを制御している物理因子を明らかにした。以上のように液体・ソフトマターの時空階層性に関して多くの基本的な問題を解明することに成功した。

1. Water physics related: (1) Water thermodynamics and dynamics anomaly research in the middle of the process, the structure of the order of the number of adjacent molecules in the space of the coarse view of the number of adjacent molecules in the space. The origin of the tetrahedral structure is related to the origin of the tetrahedral structure. (2)The formation of tetrahedral structures is related to the extreme properties of tetrahedral structures. The reason for this is that the water element is separated from the acid element, and the spatial arrangement of the acid element is separated from the water element. 2. Liquid/liquid migration related to: liquid/liquid migration reversibility; liquid/liquid migration reversibility The results are consistent with our predictions. 3. The relationship between these phenomena is as follows: (1) The stable structure of the structure is unknown, the particle system of two components is quantitative, and the structural order is successful. The results of this study are as follows: 1. The development of the structural order of the supercooled liquid (2)The state of matter, crystallization, research, solid state, continuous motion of particles, avalanche motion, etc. In addition, the background, the force between particles, the formation of their own organization, the force lock, the structure, and so on. (3)The viscosity of supercooled liquid decreases under the background of the phenomenon, and the structure of the liquid changes. In particular, the structure of the structure of the extension direction, important structural indicators of the development of the 4. Crystallization is related to: (1) the formation of new quasi-stable water, and the formation of precursor water. (2)The reason why crystallization is hindered by the competition of crystallization phase is that the symmetry of crystallization phase is low, and the interface of crystallization phase is high, so that the crystal nucleus is formed. 5. Non-linear flow is related to: (1) the wall of the liquid is broken and new mechanisms are discovered. (2)High density powders are dispersed in liquids, and dynamic fluids are affected by high pressure. 6. The following are the main aspects of this paper: (1) A new method for coarsening phase separation of dispersed systems is proposed. (2)The physical mechanism that determines the phase separation in porous materials is now clear. (3)The existence of a dense dispersion system in space can be explained by the existence of gravitational forces and spatial heterogeneity. (4)The origin of motion freezing in confocal micromirrors and the crystallization of physical factors in confocal micromirrors The above mentioned problems are related to the spatiotemporal hierarchy.

项目成果

液体の構造秩序化とそのインパクト : 剛体球液体から水まで

液体的结构排序及其影响：从刚性球体液体到水

• 发表时间: 2018
• 作者: Le Van Lich;Takahiro Shimada;Jie Wang;Kairi Masuda;Tinh Quoc Bui;Van-Hai Dinh;Takayuki Kitamura;高橋城志，Hadi Tjandra，尾形哲也，菅野重樹;田中 肇
• 通讯作者: 田中 肇

分子ガラスの冷却誘起破壊

分子玻璃的冷却诱导断裂

• 发表时间: 2018
• 作者: 徳村雅弘;小谷健輔;益永茂樹;北井賢吾・小林美加・田中肇
• 通讯作者: 北井賢吾・小林美加・田中肇

Illumination-induced motion of Janus particle in binary mixtures

二元混合物中 Janus 粒子的光照诱导运动

• 发表时间: 2018
• 作者: Takashi Sumigawa;Takahiro Shimada;Shuhei Tanaka;Hiroki Unno;Naoki Ozaki;Shinsaku Ashida;and Takayuki Kitamura;伊藤浩子，小野寺真一，齋藤光代，丸山 豊，金 广哲，勝見 武;Takeaki Araki and Ania Maciolek
• 通讯作者: Takeaki Araki and Ania Maciolek

歪み誘起不安定機構による線形粘弾性体の疲労破壊シミュレーション

使用应变诱发失稳机制的线性粘弹性体疲劳断裂模拟

• 发表时间: 2016
• 作者: 黒谷雄二;田中肇
• 通讯作者: 田中肇

Essential Difference in the Dynamics between Strong and Fragile Glass-formers

强玻璃形成体和脆玻璃形成体动力学的本质区别

• 发表时间: 2016
• 作者: T. Shimada;J. Wang;Y. Araki;M. Mrovec;C. Elsässer;T. Kitamura;K. Kataoka;A. Furukawa
• 通讯作者: A. Furukawa