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メインコンテンツにスキップ グローバルメニューにスキップ | フッターにスキップ メニューボタン 対象者別 ">入学希望の方">卒業生の方">地域・一般の方">企業・メディアの方">在学生">教職員 探す アクセス Language JP EN TOPニュース・イベント【研究発表】粉粒体材料における硬さと靱性のメカニズムを解明〜強度と靱性を持った粉粒体材料の新規開発に期待〜https://www.tmu.ac.jp/news/topics/36310.html 2024.01.11 【研究発表】粉粒体材料における硬さと靱性のメカニズムを解明〜強度と靱性を持った粉粒体材料の新規開発に期待〜 報道発表 １　概要 　砂場の砂のように、乾燥した粉粒体 （砂や粉の総称）は崩れやすい一方で、湿潤した粉粒体は強度が大幅に向上することが経験的に知られています。均一に濡れた粉粒体材料における巨視的な材料強度の発現機構は知られていますが、より現実に近い不均一に濡れた粉粒体では実験的な研究が少ないため、材料強度の発現機構は未だにわかっていませんでした。　東京都立大学大学院理学研究科物理学専攻の栗田玲教授、藤尾穂香氏（研究当時：大学院生）、横田瑶氏（研究当時：大学院生）、谷茉莉氏（研究当時：東京都立大学大学院理学研究科物理学専攻 助教、現在：京都大学大学院理学研究科 助教）らの研究グループは、濡れ性が時間に対して安定なシリコーンオイルで被覆された砂粒に着目し、この砂と普通の砂を混合することで相互作用の不均一性を制御できるモデル系を構築しました。その結果、混合比が６０％以上でのヤング率 （注１）の急激な上昇は剛性（注２）のパーコレーション転移（注３）によるものであること、結合ネットワークの再形成により変形能の高い壊れにくい材料になることがわかりました。残りの４０％は他の粉粒体を用いても機能性は変わらないことから、殺菌作用の強い粒子を混合するなどの工夫が可能であることを示しており、新奇粉粒体材料の開発が期待されます。また、このモデル系は、引力相互作用や剛性パーコレーションの効果が未だ不明であるガラス、エマルション、泡沫などのジャミング系（注４）の特性の理解につながることが期待されます。 ■本研究成果は、１月９日（現地時間）付けでNature Publishing Groupが発行する英文誌Communications Physicsに発表されました。本研究の一部は、学術振興会科学研究費補助金（基盤B No.20H01874）の支援を受けて行われました。   ２　ポイント 濡れた粉粒体材料において、強度と靱性を兼ね備えた材料開発は強く望まれていました。 濡れ性が時間に対して安定なシリコーンオイルで被覆された砂粒を用いたモデル系を構築しました。 濡れた粉粒体における強度の起源は、剛性パーコレーションであることを解明しました。 濡れた粉粒体における靱性の起源は、結合ネットワークの再形成であることを解明しました。 強度と靱性を兼ね備えた新奇機能性粉粒体材料の開発が期待されます。   ３　研究の背景 　コンクリートやセメントなどの粉粒体材料は、建築物や道路など様々な場所で利用されています。このような材料は重い物質を支えるため、高強度であることが必須となっています。一方、地震などの大きな振動において、単に強度が大きいだけでは、ひび割れが生じ、一気に崩壊してしまいます。ひび割れに対して粘り強さ（靱性）も同時に発現できる粉粒体材料が強く求められてきましたが、メカニズムがわからないためになかなか実現できずにいます。　粉粒体とは、熱揺らぎが無視できるほど大きな粒子の集まりの系のことをいいます。乾燥した粉粒体は、支える力がないため、崩れて砂山となります。一方、水分を適量に含む湿潤した粉粒体では、砂の間を水が架橋し、お互いの砂を引き合います。この引力相互作用によって砂の城を作れるほど、湿潤した粉粒体では強度が大幅に向上することが経験的に知られています。また、湿潤した粉粒体は亀裂が入ってもなかなか進展しない靱性の高い状態です。これまで理想的に均質に濡れた粉粒体材料における巨視的な材料強度は理論的に求められてきましたが、現実に近い不均一に濡れた粉粒体材料は、条件を整えることが困難であり、実験が困難でした。そのため、現実系における材料強度、特に靱性の発現機構は未だにわかっていませんでした。   ４　研究の詳細 ・不均一に濡れた粉粒体のモデル系の構築  　近年、シリコンオイルコーティングされた砂が子供用玩具として販売されています。濡れた砂の場合は、液体の重力や蒸発の影響により、安定的な相互作用を保つことが難しく、さらに不均一な状況を制御することは困難です。一方で、この子供用玩具の砂の場合には、経年変化が少なく、安定的に力学特性を制御することができます。このコーティングされた砂と通常の硅砂を混合させ、混合比による力学特性の変化（図１）を調べました。 図1　コーティングされた砂の混合比が(a)0.0、(b)0.3、(c)0.5のときの様子。白線は50 mmに相当。   ・ヤング率の上昇 　図２(a)のように、各混合比で作成した粉粒体ブロックを圧縮し、そのときの圧縮率に対する反発力を測定しました。図２(b)は、圧縮率に対する反発力の大きさを示しています。圧縮率が小さいときの傾きから、ヤング率を計算することができます。図２(c)はヤング率の混合比α依存性を示しています。α ∼ 0.6でヤング率が急激に大きくなり、α ≥ 0.6 でほぼ一定となることがわかりました。　混合比による粉粒体材料の内部構造の変化を調べるため、数値シミュレーションも行いました。図３(a)と(b)はα = 0.5とα = 0.6における剛性状態のクラスターの量を表しています。クラスターの大きさを色で表現しており、紫色はクラスターが小さく、黄色では大きなクラスターになります。α = 0.5では、領域全体が紫色となっており、小さいクラスターが点在している状態です。一方、α = 0.6では、領域全体に大きなクラスターが広がり、パーコレーションしています。図３(c)はシミュレーションで測定したヤング率の混合比依存性で、実験とよく一致しています。このことから、α = 0.6におけるヤング率の上昇は、剛性クラスターがパーコレーションしたため、と結論づけられました。 図２　(a)ヤング率の測定方法。各混合比で作成した粉粒体ブロックを上から圧縮し、その反発力を測定する。(b)応力と歪みの関係。歪みが小さい領域の傾きからヤング率を計算した。(c)混合比とヤング率の関係。混合比が0.6を超えると、急激にヤング率が大きくなる。   図３　(a)混合比が0.5の剛性クラスターの分布。(b) 混合比が0.6の剛性クラスターの分布。色はクラスターの大きさを示している。混合比が0.6になるとクラスターが系全体に広がる。(c)シミュレーションで求めたヤング率と混合比の関係。   ・靱性のメカニズム 　靭性を調べるために、各混合比で作成した粉粒体ブロックを大きく圧縮したときの様子を観察しました。図４(a)はα = 0.7の粉粒体ブロックを圧縮率０％、１０％、１５％で圧縮した場合の画像です。圧縮率１５％においても亀裂なく圧縮されています。通常のコンクリートでは、数％の圧縮で亀裂が入り、崩壊してしまうことから大きな靱性を持っていることがわかります。図４(b)は粒子周りの結合数𝑍の確率分布の変化を示しています。圧縮すると、大きな𝑍にシフトしている様子がわかります。これは圧縮に伴って、コーティング砂が衝突し、新たな結合を作ることを意味しています。実際に、新たに結合した砂の割合と結合が切れた割合を調べたのが図４(c)です。圧縮していくと、新たな結合（赤）がまず増加し、その後、切れる結合数（青）が増えていくことがわかりました。コンクリートのように固められた砂では、新たな結合を作ることはできません。これらのことから、圧縮した時に新たな結合が形成されることで亀裂が入らず、変形できることがわかりました。すなわち、濡れた砂の靱性の起源は、結合ネットワークの再形成であることがわかりました。  　 図４　(a)混合比が0.７の圧縮実験。左から圧縮率が０％、１０％、１５％。(b) 粒子周りの結合数𝑍の確率分布の変化。圧縮と共に左にシフトしている。(c) 新たに結合した砂の割合（赤）と結合の切れた割合（青）。   ５　研究の意義と波及効果 　今回の研究では、湿潤した粉粒体の強度上昇メカニズムと靱性発現メカニズムについて、詳細に調べることができました。混合比が６０％を超えるところで、剛性パーコレーションが起こり、強度が上昇します。さらに、大きく圧縮変形したときに結合が切れるだけでなく、再結合することによって、亀裂が入ることなく変形できることを示しました。興味深いことに混合比が６０％と１００％ではほとんど物性が変化しませんでした。このことから４０％は他の機能性粉粒体、例えば殺菌作用を持つ粒子や熱吸収粒子などに置き換えることが可能です。また、ゲルに類似したメカニズムは、コーティングを改良しゲルを模倣することで、優れた機械的特性を持つ材料を開発することにつながります。強度が高く、靱性も高く、さらに機能性を持った新奇粉粒体材料の開発が期待されます。　さらに、学術的にも引力相互作用や剛性パーコレーションの効果がいまだ不明であるガラス、エマルション、泡沫などのジャミング系の特性の理解につながることが期待されます。   【用語解説】 （注1）　ヤング率：構造の硬さの指標の一つで、圧縮歪みに対する反発力の大きさを決める。１次元であれば、バネ定数と同じとなる。 （注2）　剛性：微小な力が加わっても変化しない構造のこと。例えば、正方形は斜めに力を加えると変形するが、対角に一本支えが入ると、変形しなくなる。 （注3）　パーコレーション：ネットワークが系全体につながること。 （注4） 　ジャミング系：粒子などが高密度に充填された系であり、構造変形する時に必ず有限な力を必要とする系のこと。   【発表論文】 ＜タイトル＞ “Gel-like mechanisms of durability and deformability in wet granular systems” ＜著者名＞ Honoka Fujio、 Hikari Yokota、 Marie Tani and Rei Kurita ＜雑誌名＞ Communications Physics ＜DOI＞ DOI: 10.1038/s42005-023-01518-0   ６　問合せ先 （研究に関すること） 東京都立大学大学院 理学研究科 教授 栗田 玲TEL：042-677-2505　E-mail: &＃107;&＃x75;&＃114;&＃x69;t&＃x61;@&＃x74;&＃x6d;u&＃46;&＃97;&＃99;.&＃x6a;&＃112;   （大学に関すること） 東京都公立大学法人東京都立大学管理部 企画広報課 広報係TEL：042-677-1806　E-mail: &＃105;&＃110;&＃x66;&＃x6f;&＃64;&＃x6a;&＃x6d;j&＃46;&＃x74;&＃109;u&＃46;&＃x61;c&＃x2e;j&＃112;   東京都立大学大学院理学研究科物理学専攻　教授　栗田玲 -- 報道発表資料(572KB)  元のページに戻る 最新のニュース 2024.05.29 お知らせ 【重要】2024年度前期　一般学生　授業料減免申請 追加申請受付について 2024.05.24 お知らせ 【研究発表】一度の激しい運動がその後の身体活動量と体温を下げ体重を増やしてしまう 2024.05.17 お知らせ 【研究発表】溶液と固体の状態で円偏光を発光するキラルな亜鉛錯体の開発に成功－溶液と個体とで円偏光の回転方向が反転　新たな発光デバイスへの応用に期待－ 2024.05.16 お知らせ 【研究発表】過去77年間の小笠原諸島の植生変化を解明 －過去の人為的攪乱の履歴が、生態系の復元可能性に影響－ 2024.05.13 お知らせ 【研究発表】電気を流し、室温強磁性を示す希土類酸化物を発見－スピントロニクス材料としての応用に期待－ Page top 大学について学部・大学院教育の特長研究・産学公連携国際展開・留学学生生活・キャリア入試案内キャンパス・施設案内ニュース・イベントHOT TOPICS教員紹介 入学希望の方卒業生の方地域・一般の方企業・メディアの方在学生教職員 お問い合わせ関連リンクサイトマップサイトポリシープライバシーポリシーソーシャルメディアポリシーWEBマガジンメトロノワ調達・契約情報 ©2024 Tokyo Metropolitan Public University Corporation Follow Us都立大X都立大Channel Open/Close大学についてOpen/Close大学の目的・使命学長メッセージ学長メッセージ ＜メディア＞TMU Vision 2030Open/Close大学概要沿革組織図センター・機構学生数教職員数学則・規則施設概要設置認可申請書等東京都立大学の評価活動について数字で見る東京都立大学動画で見る東京都立大学シンボルマーク大学の校歌Open/Close教育情報の公表大学の教育研究上の目的・３ポリシー教育の3つのポリシー（学部）教育の3つのポリシー（大学院）教育研究上の基本組織アセスメント・ポリシー大学院（専門職大学院を除く）の学位論文審査基準授業に関すること成績評価基準、卒業・修了認定基準等メディア掲載Open/Close学部・大学院人文社会学部法学部経済経営学部理学部都市環境学部システムデザイン学部健康福祉学部Open/Close大学院 研究科・専攻一覧人文科学研究科法学政治学研究科経営学研究科理学研究科都市環境科学研究科システムデザイン研究科人間健康科学研究科大学院分野横断プログラム再編前の学部・大学院Open/Close教育の特長Open/Close革新的なカリキュラム基礎科目群教養科目群基盤科目群キャリア教育・インターンシッププログラム文理の枠を超えた履修推奨科目副専攻グローバル教育教職課程・学芸員養成課程文理教養プログラム学びのスタイル副専攻教職課程・学芸員養成課程教育基盤強化事業Open/Close教育改革推進事業首都大学東京 教育改革推進事業 FD活動都立大の教学IR ~Institutional Research~ベスト・ティーチング・アワードOpen/Close研究・産学公連携Open/Close研究センター、リサーチコア宇宙理学研究センター生命情報研究センター水道システム研究センター子ども・若者貧困研究センターソーシャルビッグデータ研究センター金融工学研究センター水素エネルギー社会構築推進研究センター医工連携研究センター量子物質理工学研究センターエネルギーインテグリティーシステム研究センター島嶼火山・都市災害研究センターコミュニティ･セントリック･システム研究センター言語の脳遺伝学リサーチコアサービスロボットインキュベーションハブリサーチコア（略称：serBOTinQ)高度研究東京都立大学 若手研究者等選抜型研究支援特別栄誉教授等制度・特別招聘教授制度共同研究・受託研究・学術相談・特定研究寄附金知的財産大学等発ベンチャー支援産学公連携スペース TMU Innovation Hub研究力強化推進プロジェクトローカル5G環境を活用した最先端研究都立大の先端研究に迫る傾斜的研究費一覧Open/Closeコンプライアンス・内部統制研究費の不正使用防止に対する取組（相談窓口・通報窓口の案内はこちら）研究活動の不正行為等防止に対する取組（通報窓口の案内はこちら）研究倫理利益相反マネージメント安全保障輸出管理Open/Close国際展開・留学多彩な留学制度／留学プログラムグローバル人材育成についてGlobal Discussion Camp（GDC）国連アカデミック・インパクト外国人留学生支援Open/Close国際交流協定協定校一覧（全学）(250KB)協定校一覧（部局間）(346KB)国際化基本方針国際化推進体制理学部生命科学科　英語課程 英語で学位が取得できるプログラムPickup！都立大の国際化 「東京都立大学ならではの体験ができる交換留学制度――異文化を肌で感じた記憶はその後の人生を変える」By 朝日新聞Thinkキャンパス広告記事Open/Close学生生活・キャリアOpen/Close学修サポート学生の修学支援主体的学修支援セミナーTA（ティーチングアシスタント）等Open/Close学生サポート学生相談室保健室ダイバーシティ推進室ボランティアセンター保険の加入学生課Open/Close施設の利用図書館連絡バス美術館の無料入場等学生寮などOpen/Closeキャンパスライフ学生広報チームpresents動画クラブ＆サークルFIND YOURSELF AT TMU(2.2MB)都立大生の1日VLOG！理系・文系の学生比べてみたBy朝日新聞YouTubeチャンネル【土佐兄弟の大学ドコイク】Open/Closeキャリア・就職キャリア支援・各種サポートキャリア支援課大学院進学Pickup！キャリア支援 「1年次から履修可能な現場体験型のキャリア授業で、未来の自分を考える」By 朝日新聞Thinkキャンパス広告記事学費・減免制度・奨学金制度等Open/Close入試案内Open/Close学部入試アドミッション・ポリシー学部入試概要【2024年5月24日更新】外部英語検定試験の利用について（2025年度以降一般選抜）インターネット出願入学者選抜要項・学生募集要項入試Q&A一般選抜の入試結果【2024年5月27日更新】(133KB)多様な選抜の入試結果【2024年4月26日更新】(146KB)募集人員【2023年7月7日更新】(313KB)オープンキャンパス・説明会資料請求・お問い合わせ入学考査料・入学料・授業料Open/Close学部入試制度改正2024年度2025年度2026年度Open/Close大学院入試大学院のシステムアドミッションポリシー大学院入試概要大学院学生募集要項大学院進学後の進路状況入学考査料・入学料・授業料資料請求・お問い合わせ大学案内・大学院案内Open/Closeキャンパス・施設案内キャンパスマップCampus Gallery図書館光の塔牧野標本館交通アクセスエコキャンパス・グリーンキャンパス電力使用状況イベントカレンダー教員紹介 入学希望の方卒業生の方地域・一般の方企業・メディアの方在学生 お問い合わせ関連リンクサイトマップサイトポリシープライバシーポリシーソーシャルメディアポリシーWEBマガジンメトロノワ調達・契約情報 JP EN Follow Us都立大X都立大Channel