结晶化に伴って粉状の粒子が见せる特异な挙动 粒子间衝突に付随するエネルギー损失の役割
ゴム球の粉末粒子でみられた液相と固体相が共存した状态
乱雑な构造を持つ液体相（明るい色の粒子）と6回対称の秩序を持つ固体相（暗い色の粒子）の共存状态（面积分率＝0.74、无次元化した加速度＝3.0）を示している。
© 2015 Yuta Komatsu, Hajime Tanaka.
東京大学生产技术研究所の田中肇教授、同大学院工学系研究科物理工学専攻修士課程大学院生小松侑太氏の研究グループは、小麦粉や薬の粉などに代表される粉末状粒子の平面内における结晶化について研究を行い、非弾性的なゴム球粒子は、弾性的なスチール球粒子と異なり、液体相と固体相の共存を経て结晶化することを明らかにしました。本知見は、統計物理学に限らず、食品科学、薬品科学の基礎?応用研究に役立つと期待されます。
私たちの身の回りには、砂粒、米粒、锭剤などの様々な粉体が存在します。粉体は外からエネルギーを注入することによって初めて运动することができます。运动している粉末状の粒子が衝突する际、その衝突によって运动エネルギーが大きく失われるゴム球のような非弾性的な粒子と运动エネルギーがほとんど失われないスチール球のような弾性的な粒子とが存在します。しかし、前者のような非弾性的な粉体粒子の自己组织化については、多くの粉体がそのような性质を持つにもかかわらず、理解が进んでいませんでした。
今回、研究グループは上下に振动する2枚の板に粉末状の粒子を2次元的に闭じ込めて、粉末状の粒子がパッキング密度の上昇に伴い结晶化する様子を调べました。粉末状の粒子としては、弾性的な粒子としてスチール球を、非弾性的な粒子としてゴム球を用いました。その结果、両者では结晶化の様式が大きく异なり、ゴム球の粒子は液相と固体相の2相が共存する不连続な転移が起こることを発见しました。また、液相と固体相が共存する状态では、液相の方が固体相より有効温度が高いことが明らかになりました。
「今回、外部からのエネルギー注入により运动する粉体の自己组织化には、粒子间の衝突に伴う运动エネルギーの损失が重要な役割を演じることが示されたと言えます」と田中教授は话します。「また、従来知られている热平衡系の场合とは全く异なる液相と固体相の共存条件が成り立っていることが明らかになりました」と続けます。
これらの结果は、粉体の集団运动や、生物に代表される自ら动き回る粒子系が自発的に复雑なシステムを形成する自己组织化を理解する上で重要な知见となるものと期待されます。
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论文情报
, "Roles of energy dissipation in a liquid-solid transition of out-of-equilibrium", Physical Review X Online Edition: 2015/08/26 (Japan time), doi:10.1103/PhysRevX.5.031025.
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