オプティカル・レオメトリー技術を応用した非ニュートン流体の流動応力解析装置の開発

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所定の変調をレーザ光に加え、この光が試料内を通過する際に受ける偏光の状態を測定することにより試料の光に対する異方性を明らかにし、試料の物性を求める研究手法をオプティカル・レオメトリーという。本研究課題はこの手法を用いて2次元流路内で流動する非ニュートン流体の流動により励起せれる応力場を測定する装置を開発するものである。本研究課題は、偏光解析の基礎理論の解析、オプティカル・プローブの設計・製作、流路の製作、データ収集および解析プログラムの作成、検証実験の手順で行われた。オプティカル・プローブには製作が容易で低コストの回転半波長板式を採用した。この回転半波長板型変調器は半波長板をモータにより高速で回転させ、1回転の間に変化する試料を通り抜けた光の強度により各種光学的特性を明らかにするものであり、パーソナルコンピュータがあれば他の高価なロックインアンプ等の測定器を用意する必要がないという特徴を有している。また、複雑な光学軸の調整が不要であり実用的である。この装置による光学特性のサンプリング周波数は波長板の回転数とコンピュータの計算能力に支配されるが、作製された装置では機械的なトラブルとソフトウェアの問題により10〜20Hz程度のサンプリング周波数しか達成できなかった。実用的には100Hz程度の能力は必要であり、今後の課題として残った。試料としては管状ミセルを生成し、ずり流動化と顕著な法線応力効果を示すCTAB/NaSal系界面活性剤水溶液を使用した。2次元流路として2次元ポアゾイユ流れおよび2次元縮小流れを作り出す平行平板型流路の作成を予定していたが、時間的な問題でより容易に準備できる平行円板型流路に変更した。作製された実験装置により検証実験を行い、界面活性剤のCouette流れにおける第1法線応力差を明らかにし、本装置の有効性を示した。2次元ポアゾイユ流れおよび2次元縮小流れに関する研究は今後の課題である。