ソフトマター工学

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ときなことじ
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ソフトマター工学第 1 回 2019 年 4 月 16 日 ( 火 ) 講義の概要今後の進め方ソフトマターとは?

2 回, 入賞 1 回 ), スノーボード略歴 ( 研究分野 ) 1990 年 : 県立熊本高校卒業 1994 年 : 京都大学工学部卒業 (

金融系シンクタンク, タイヤメーカー ) を経て, 2007 年 : 東京大学大学院博士課程修了 ( 物理工学専攻, ソフトマター物理学 ) 2007

ソフトマター物理学 ) 2007 年 ~2011 年 : 東京大学工学部物理工学科助教 ( ソフトマター物理学 ) 2011 年 ~:

ソフトマター物理学 ) 2014 年 ~15 年 : 東京大学地震研究所客員准教授 2015 年,2016 年 : 招へい教授 (EPFL

1 ソフトマター工学第 1 回 2019 年 4 月 16 日 ( 火 ) 講義の概要今後の進め方ソフトマターとは? 九州大学大学院工学研究院機械工学部門准教授山口哲生 1 自己紹介山口哲生 ( やまぐちてつお ) 47 歳男趣味 : ランニング ( 草レース優勝 2 回, 入賞 1 回 ), スノーボード略歴 ( 研究分野 ) 1990 年 : 県立熊本高校卒業 1994 年 : 京都大学工学部卒業 ( 石油化学科, 理論化学 ) 1996 年 : 東京大学大学院修士課程終了 ( 広域科学専攻, 理論物理学 ) フリーター, サラリーマン ( 金融系シンクタンク, タイヤメーカー ) を経て, 2007 年 : 東京大学大学院博士課程修了 ( 物理工学専攻, ソフトマター物理学 ) 2007 年 :École Supérieure de Physique et de Chimie Industrielles 博士研究員 ( ソフトマター物理学 ) 2007 年 ~2011 年 : 東京大学工学部物理工学科助教 ( ソフトマター物理学 ) 2011 年 ~: 九州大学バイオメカニクス研究センター ( バイオエンジニアリング ) 2012 年 ~: 九州大学大学院工学研究院機械工学部門准教授 ( ソフトマター物理学 ) 2014 年 ~15 年 : 東京大学地震研究所客員准教授 2015 年,2016 年 : 招へい教授 (EPFL (Switzerland), Université de Lyon 1 (France)) 専門分野やわらかい物質 ( ソフトマター ) の物理学統計物理学, 非線形物理学, 地震発生物理学, 接着の科学, トライボロジー, バイオインスピレーション, 2 1

2 本日のおはなし 1. 自己紹介 2. 講義の概要 3. 講義の計画 4. 成績評価の方法 5. 教科書参考図書 6. ソフトマターとは? 7. 本日のまとめ 3 講義の概要この講義では, ソフトマターに関する基礎および工学的応用について紹介する. ソフトマターとは? やわらかい物質の総称 ( 後ほど詳しく説明 ) 物質による分類 : 高分子, コロイド, 液晶, 界面活性剤, 形態による分類 : ゴム, ゲル, オイル, 粉体, 泡, 二重膜, 関節軟骨, 4 2

3 講義の概要ソフトマターの概要を述べた後, ゴム弾性, ゲル, レオロジー, 表面張力濡れ, 接着の各事項を説明する. その後, 工学とソフトマターとの関わりを示す例として, オイル, ゴム, コロイド, 界面活性剤などを取り上げる. 最後に, 地球科学現象, アクティブソフトマター, メカニカルメタマテリアル, オリガミ工学等, 最近関心を持っているいくつかのトピックを紹介する. 5 講義の計画初回 ( 本日 ): 講義の概要, 今後の進め方, ソフトマターとは? 第 2 回 (4 月 23 日 ): 高分子弾性体第 3 回 (5 月 7 日 ): 高分子弾性体 (2) レポート課題 1 第 4 回 (5 月 14 日 ): 高分子弾性体 (3) 第 5 回 (5 月 21 日 ): レオロジー入門第 6 回 (5 月 28 日 ): レオロジー入門 (2) レポート課題 2 第 7 回 (6 月 4 日 ): 界面の熱力学第 8 回 (6 月 11 日 ): 界面の熱力学 (2) 第 9 回 (6 月 18 日 ): 接着の力学レポート課題 3 第 10 回 (6 月 25 日 ): 最近の話題第 11 回 (7 月 2 日 ): 最近の話題 (2) レポート課題 4 第 12 回 (7 月 9 日 ): 最近の話題 (3) 第 13 回 (7 月 23 日, 最終回 ): まとめシラバスとは少しだけ異なります 6 3

講義の進め方パワーポイントの資料や論文などを用いて講義を進める. ただ聞いているだけでは理解が不十分になることが懸念されるため, 数式の導出のところは空白にしておき, 講義中にそれを埋めるようにする. 講義資料は, 下記の設計工学研究室 HP から各自ダウンロードしてもらうようにする. http://www.mech.kyushuu.ac.jp/~design/lecture.

4 講義の進め方パワーポイントの資料や論文などを用いて講義を進める. ただ聞いているだけでは理解が不十分になることが懸念されるため, 数式の導出のところは空白にしておき, 講義中にそれを埋めるようにする. 講義資料は, 下記の設計工学研究室 HP から各自ダウンロードしてもらうようにする. 前日までにアップする予定. 質問などあればいつでも ( 講義前中後 ) 可能. こちらから理解の程度を探る質問をするかもしれない. 講義の冒頭で, 前回の内容を確認する問題を出すかもしれない. 7 成績評価の方法 ( 昨年度 ) 試験は実施しない. 出席点 + レポートで成績を評価する. 毎回出席をとる ( 氏名学籍番号を書いてもらう ). 第 3 回, 第 6 回, 第 9 回, 第 11 回の講義の際に, 内容に因んだレポート問題を課し, それを加点の材料とする. ( レポートで差別化を図る ) 出席 :60 点, レポート :40 点 8 4

第 3 回, 第 6 回, 第 9 回, 第 11 回の講義の際に, 内容に因んだレポート問題を課す.

点とし, 未提出とみなす. 9 参考図書教科書は指定しないが, 以下の図書を一読することを薦める.

5 成績評価の方法 ( 今年度 ) 試験は実施しない. 出席点 + レポートで成績を評価するが, 出席は取らない. 第 3 回, 第 6 回, 第 9 回, 第 11 回の講義の際に, 内容に因んだレポート問題を課す. 出席 :40 点, レポート :60 点 (15 点満点 X 4) 注意事項 : 友人同士の議論や共同実験を奨励する. ただし, 結果を共有する場合は, 写真図などを作成した全員の氏名をレポートに記載のうえ, 文章はかならず各々が作成すること. 他人の文章をコピーペーストしたことが発覚した場合には, 他人のもの ( オリジナル ) も含めて 0 点とし, 未提出とみなす. 9 参考図書教科書は指定しないが, 以下の図書を一読することを薦める. 1. 科学は冒険講談社ブルーバックスピエール=ジルドジェンヌ他著, 西成, 大江訳 2. ソフトマター物理学入門土井正男著岩波書店 3. 表面張力の物理学 D. ケレ著, 奥村剛訳, 吉岡書店 4. ヤモリの指ピーターフォーブス著吉田三知世訳, 早川書房 5. ムースの物理学イザベルカンタ他著梶谷武居竹内山口訳奥村監訳, 吉岡書店 10 5

6 ソフトマターとは? ソフトマター = ソフト ( やわらかい )+ マター ( 物質 ) (cf. ダークマター = ダーク ( 暗黒 )+ マター ( 物質 )) ソフトマターとは, 高分子, コロイド, 液晶, 界面活性剤などからなるやわらかい物質の総称. フランスの Pierre-Gilles de Gennes が彼のノーベル物理学賞授賞式 (1991) で紹介したことから, 広く名称が知られるようになった. Pierre-Gilles de Gennes ( ) 11 ソフトマターとは?(2) A. 高分子 (polymer) モノマーと呼ばれる分子が共有結合によって長く繋がってできたひも状の分子. モノマーの数は数 100 から数万, ときには数千万になることもある. 高分子の例ポリエチレン ( ビニール袋の材料 ),DNA 直線 ( 直鎖 ) 状の高分子 (a) だけでなく, 分岐高分子 (b) や, 網目状高分子 (c) も存在する. 12 6

ソフトマターとは?(3) B. コロイド (colloid) 固体 ( あるいは液体 ) の微小な粒子 ( または液滴 ) を ( 他の ) 液体中に分散させた物質. 微粒子の大きさは数 nm から 1μm 程度であり, それを構成する原子に比べてはるかに大きい. 分散している粒子を分散質, それを取り囲んでいる液体を分散媒という.

7 ソフトマターとは?(3) B. コロイド (colloid) 固体 ( あるいは液体 ) の微小な粒子 ( または液滴 ) を ( 他の ) 液体中に分散させた物質. 微粒子の大きさは数 nm から 1μm 程度であり, それを構成する原子に比べてはるかに大きい. 分散している粒子を分散質, それを取り囲んでいる液体を分散媒という. コロイドの例牛乳, 絵の具, 化粧品固体微粒子からなるコロイドは, 低濃度液状 ( ゾル ) 高濃度固体状 ( ゲル ) のように状態が変化する. Ex. 絵の具が乾くとカチカチになる. 牛乳に酢を入れると固形分が凝集する. 13 ソフトマターとは?(4) C. 液晶 (liquid crystal) 液体と結晶の中間的な性質をもった物質の状態. 例 : 棒状分子 (a) 結晶配向も重心位置も規則的 (b),(c) 液晶配向は規則的, 重心位置はランダム (d) 等方性液体配向も重心位置もランダム 14 7

ソフトマターとは?(5) D. 界面活性剤 (surfactant) 水と油のどちらの液体にも溶ける物質.

また, 水や油の中に存在するときには, ミセルと呼ばれる会合体 ( 自分で集まってできた構造 ) を作る.

(6) E. 粉体 (granular matter) 粉, 粒などの集まったもの ( 集合体 ).

8 ソフトマターとは?(5) D. 界面活性剤 (surfactant) 水と油のどちらの液体にも溶ける物質. 水と油との界面がある場合には, そこに集まることで界面を安定化することができる. また, 水や油の中に存在するときには, ミセルと呼ばれる会合体 ( 自分で集まってできた構造 ) を作る. 例 : 洗剤水の中に油汚れがあると, それらの界面に入り込んで界面を安定化 ( 面積を広げようと ) する. その結果, 油が微細化して水の中に分散し, 油汚れが落ちる. 例 2: 細胞膜水の中に脂質でできた二重膜を形成することで, 細胞内部を外的環境から隔てることができる. 15 ソフトマターとは?(6) E. 粉体 (granular matter) 粉, 粒などの集まったもの ( 集合体 ). 粉 ( 粒 ) の間の空間 ( 空隙 ) を占める媒質も含めて一つの集合体と考える. 個々の粉, 粒は固体であるが, 集合体としては流体 ( 液体 ) のように振る舞う場合がある. 砂の振る舞いは一つの例と言える. 例土砂, セメント, 小麦粉, コロイド, 磁性流体, 磁気テープなどに塗布する磁性の ( 超 ) 微粉末, コピー機のトナー, 土星の輪 16 8

9 ソフトマターとは?(7) F. 交通流 (traffic flow), 群れ車や人の集団も ( アクティブな ) 粉体とみなせるという意味で, ソフトマターである. アクティブソフトマターと呼ばれる. 例車の流れ, 群集, 鳥の群れ, 渋滞渋滞に関する研究分野は渋滞学と呼ばれ, 様々な分野から関心をもたれている. 西成著渋滞学 17 少し考えてみてください身の回りにあるソフトマターをいくつか挙げてみましょう. たとえば, いま : 自分の体 ( 高分子, 界面活性剤 ), 衣服, 靴, 消しゴム, 液晶, 朝 : 布団, 歯磨き粉, 洗顔フォーム, 牛乳, パン, コンタクトレンズ, 通学時 : タイヤ, 椅子, ゴムブッシュ, 植物, 交通渋滞, 大学 : 野菜, うどん, ゼリー, ソフトクリーム, 果物, 人混み, 夜 : 液晶テレビ, こんにゃく, ちくわ, シャンプー, ボディーソープ, 9

10 やわらかさの指標やわらかさ ( かたさ ) はどうやって知るの? 対象となる系 ( 物体 ) にある大きさの変形 ( 伸び ) を与え, それにかかる力を測定する, または, ある大きさの力を加え, 変形の大きさを測定する. F 硬いやわらかい例 : バネの硬さ ( バネ定数 k) の測定 k = F X ( フックの法則 ) X : バネの変形の大きさ ( 入力 ) F : バネに加わる力の大きさ ( 出力 ) 傾き k = バネ定数図 : バネの力と伸びの関係 X バネ定数は, バネの太さや長さによって変化してしまうため, 物質のやわらかさを表現するのに適していない. 弾性率という量を用いる. 19 弾性率 ( ヤング率 )E [Pa] σ = F : 物体に加わる応力 A ε = X : 物体に加わるひずみ L とすると, E = σ ε と定義される. やわらかさの指標 F 断面積 A もともと L の長さの柱が X 伸びるバネ定数 k と弾性率 E との関係は, k = F = σa = E A X εl L ( バネ定数は, 面積に比例し長さに反比例 ) cf. 電気抵抗 R 1/R = σ A L ゲルの弾性率は, 金属と比べて 6~8 桁も小さい! 弾性率 [Pa] 金属 E ~ 岩石プラスチック 10 9 ゴム 10 6 ゲル水 ( 液体 )

11 ソフトマターの特徴やわらかいことで何が起こるか? 弱い力で大きく変形する. 弱い力とは : 外力, 重力, 表面張力, 化学力など素粒子の間に働く 4 種類の力 ( 重力, 電磁力, 弱い力, 強い力 ) のひとつではない! ソフトマターの物理学は, 物性物理学の主役である金属や半導体とは異なり, さまざまな弱い力によってうまれる物質の構造や運動, 機能を研究する学問分野である. ソフトマター物理学を研究するメリット一見分かっているようでいて, 実は未解明な現象が多い! 見ていて面白い! ソフトマターの特徴 (2) 機能 ( 動き ) としての特徴系に力を加えると, 集団としての形で一斉に動き出す. その結果, 以下の特徴が現れる. (1) 非線形性通常の物質では, 加えた力に比例した変形の応答が現れる ( 線形弾性 ), または加えた力に比例した流動 ( ニュートン粘性 ) が現れるが, ソフトマターでは, 力と変形流動の関係が多くの場合非線形となる. 例 : ゴム弾性, シアシニングせん断速度 - せん断応力曲線応力線形弾性, ニュートン粘性ひずみ, あるいはひずみ速度ゴムの 1 軸伸張における応力 - ひずみ曲線 22 11

ソフトマターの特徴 (3) (2) 非平衡性物質に一定の外場を加えると, ある時間 ( 緩和時間 ) を経た後に平衡状態に落ち着く. 通常の液体では 10-9 秒程度と非常に短いが, ソフトマターでは 1 秒 ~10 6 秒にもなりうる. したがって, ソフトマターでは平衡状態から離れる ( 非平衡状態 ) にあることが多く, その動的挙動が重要になってくる.

12 ソフトマターの特徴 (3) (2) 非平衡性物質に一定の外場を加えると, ある時間 ( 緩和時間 ) を経た後に平衡状態に落ち着く. 通常の液体では 10-9 秒程度と非常に短いが, ソフトマターでは 1 秒 ~10 6 秒にもなりうる. したがって, ソフトマターでは平衡状態から離れる ( 非平衡状態 ) にあることが多く, その動的挙動が重要になってくる. 応力引張絡み合った高分子変位を保持 1/e 高分子溶融体ニュートン流体緩和時間時間 23 本日のまとめソフトマターとは, 高分子, コロイド, 液晶, 界面活性剤などからなるやわらかい物質の総称. 最近では, 交通流や動物の群れなどもソフトマターの研究対象として扱われている. ソフトマターは, 構成要素が大きいだけでなく, 構成要素が小さくても自己組織的に大きな集団を形成することにより, 全体としてゆっくりとした運動をすることになる. ソフトマターの変形流動では, 非線形性や非平衡性が顕著に現れる

13 講義の計画初回 ( 本日 ): 講義の概要, 今後の進め方, ソフトマターとは? 第 2 回 : 高分子弾性体第 3 回 : 高分子弾性体 (2) 第 4 回 : 高分子弾性体 (3) 第 5 回 : レオロジー入門第 6 回 : レオロジー入門 (2) 第 7 回 : 界面の熱力学第 8 回 : 界面の熱力学 (2) 第 9 回 : 接着粘着の力学第 10 回 : 最近の話題第 11 回 : 最近の話題 (2) 第 12 回 : 最近の話題 (3) 第 13 回 : まとめゴム弾性, ゲルの物性粘弾性, 非ニュートン流体力学表面張力, 界面張力接着, 破壊, レオロジー粉体, 交通流, アクティブソフトマター, タフポリマー, メタマテリアルなどおつかれさまでした 25 13

レオロジーの準備その 1: 変形と流動せん断変形せん断以外の変形の例 : 一軸伸長変形一般には変形はテンソルで記述されるが, せん断変形だけ知っていればレオロジーの論文の大半は読める x d せん断ひずみ ( 変形量の指標 ) γ = x /d ( 変形速度の指標 ) ( 単位なし ) dγ

レオロジーの準備その 1: 変形と流動せん断変形せん断以外の変形の例 : 一軸伸長変形一般には変形はテンソルで記述されるが, せん断変形だけ知っていればレオロジーの論文の大半は読める x d せん断ひずみ ( 変形量の指標 ) γ = x /d ( 変形速度の指標 ) ( 単位なし ) dγ おもしろレオロジー (+ レオロジーとプラスチック CAE) 京大化研まとめレオロジーとは何か? 物質のひずみとの関係を調べる学問弾性率 = / ひずみ, = / 現象論レオロジー : 物質挙動を / ひずみで定量化興味ぶかいレオロジー挙動の例理想液体と理想固体の間に様々な挙動がある. 以下は例. がの増加で低下する降伏以上の外力で流れる塑性流体と弾性率が時間変化する粘弾性流体レオロジーとプラスチック