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Jun 05, 2023

ゼリーと砂の共通点は何ですか？

重力下で粒子とゲルに共通の不安定化メカニズムが見つかる 首都大学東京の画像: 砂床 (a) とゲル (b) が不安定になると、同様の「フィンガリング」不安定性が発生します。

重力下で粒子とゲルに見られる共通の不安定化メカニズム

首都大学東京

画像: 砂床 (a) とゲル (b) が不安定になると、時間の経過とともに同様の「フィンガリング」不安定性が形成されることが見られます (左から右)。もっと見る

提供：首都大学東京

東京 – 首都大学東京の研究者らは、粒状材料と溶融ゲルの挙動間の重要な類似点を特定しました。 彼らは、砂の落下床が、下から加熱されてゼラチンが溶けるのと同じ不安定化メカニズムを共有していること、特に重要なパラメーターが流動化領域の厚さに応じてどのように変化するかを発見しました。 彼らの発見は、雪崩、地滑り、産業輸送プロセスに見られるような、重力下での不安定化についての私たちの理解に重要な前進をもたらします。

砂とゼリーはあまり似ていないかもしれません。 しかし、その物理的特性に注目すると状況は変わります。 砂は数十億粒の固体物質で構成されており、液体のように流れ込み、固体のようにパイプを詰まらせる可能性があります。 ゼラチン溶液のようなゲル化材料は、高温では液体のように流れますが、冷却すると突然固体のような性質を帯びます。 微細な詳細を見ると、ゲルの固体性は材料を交差するポリマーまたはタンパク質のネットワークによって支えられていることがわかります。 これは、粒子が互いに押し合う「力の鎖」のネットワークが砂の見かけの固さを生み出すのと似ています。 固体と液体のような挙動のこの魅力的な接合は、雪崩や地滑りなどの多くの自然現象の骨格を形成していますが、まだ十分に理解されていません。

これらの類似点に触発されて、首都大学東京の小林和也博士と栗田玲教授は、流動化する物理ゲルと砂層を直接比較することにしました。 彼らは、高速カメラを使用して、砂とゼラチン溶液の薄い層の流動化を観察しました。 砂の場合、空気または水中であらかじめ形成された粒子の層を反転させ、底部が剥がれ始めるのを観察しました。 ゼラチンについては、ゼラチン濃度の異なる 2 層を上下に用意しました。 濃度は、下層が最初に完全に流動化するように選択されました。 材料が下から加熱されると、上層が不安定になり、落下し始めます。

どちらのシステムでも、研究チームはフィンガリングの不安定性を発見しました。これは、材料の細い指が下の材料 (または空気/水) に落ち、窓から落ちる雨滴に似ています。 時間が経つと、既存のフィンガーの間に新しいフィンガーが現れ、液体と固体のような部分の間の界面が後退します。 特別なイメージング技術を使用することで、研究チームは実際に指が動き始める位置の上にある「流動化した」界面領域を特定することもできました。 この領域の厚さは、前線が後退する速度や指の間の距離などの重要なパラメーターと強く相関していることが判明しました。 この種の関係は「スケーリング」関係と呼ばれ、物理学では、最初は異なっているように見えても、メカニズムを通じてより深いレベルで関連している可能性がある現象を結び付けるために重要です。 この場合、これは、材料間の類似性、つまり力を支えるネットワークの接続性が、それらの巨視的な物理的挙動の根底にあることを示す強力な証拠となります。

広範な実験を通じて、チームの研究は、粒状材料とゲルが重力下でどのように不安定になるかについて貴重な洞察を提供し、自然界の流動現象と工業規模での粒状材料の輸送システムの設計の両方に影響を与えます。

本研究は、JSPS 科研費による日本学術振興会特別研究員（助成金番号 17J03066）、若手研究者（助成金番号 19K23428、20K14379）、基盤研究（B）（助成金番号 JP17H02945、20H01874）の支援を受けました。

科学レポート

10.1038/s41598-022-10045-x