非熱的揺らぎの空間勾配と排除体積効果に駆動されるマクロな粒子系の非平衡輸送現象

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コロイドや高分子の溶液系において、温度勾配に駆動されて濃度勾配が形成される「ソーレ効果」という現象がよく知られている。さらに、溶質の組み合わせによって、高温領域に物質が凝集する「負のソーレ効果」という現象が近年見出されている[前多・福山、日本物理学会誌 71, 746 (2016)]。本課題では、粉粒体のようなマクロな粒子からなる多粒子系の(相)分離現象について、大粒子が希薄で速度揺らぎの大きい領域に集まりやすい性質を「負のソーレ効果」に類似の現象と考え、粒子の速度揺らぎ (温度)の空間勾配を制御したモデル系を考案した。反発係数の低い領域では運動エネルギーを多く失うので、一度その領域に入ると抜け出づらい。そのため、基本的には大球も小球も低反発領域を好むが、小球の充填率を上げると、低反発領域が小球で埋まり、大球は排除体積効果によって高反発領域に弾き出されるのが実験的に観察された。並行して、離散要素法を用いた数値計算も行い、現在パラメータを振ってデータを収集している。粉粒体の分離現象でよく知られている現象の一つとして、ブラジルナッツ効果がある。異なる種類の粉粒体の混合物を鉛直方向に振動させると粒径の大きい粒子が上昇し粉体層表面に現れる。粉体物理の分野において、速度分布の分散に比例した量を便宜上粉体温度と定義して、粉粒体の運動の揺らぎの大きさの指標として広く用いられている。粉体の速度揺らぎ(粉体温度)が大きいと考えられ、体積の大きい粒子が高温領域にはじき出されていると見ることもできる。温度勾配に駆動される輸送現象が粉粒体の分離現象の本質的なメカニズムとして理解できるかどうか、実験的に検証していく。