2016/04/12 ソフトマター工学・第１回 201６年４月１２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 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．試験・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 2 1 2016/04/12 自己紹介 山口 哲生（やまぐち てつお） 4４歳 男 趣味： ランニング（市民マラソンでの入賞を目標に練習中），自転車， スノーボード 略歴（研究分野） 1990年：熊本県立熊本高校卒業 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） サラリーマンなどを経て， 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：パリ市立工業物理化学専門学校 博士研究員（ソフトマター物理学） 2007年～2011年：東京大学 助教（物理工学科，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） 現在，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） 専門 やわらかい物質（ソフトマター）の物理学 地球物理学，統計物理学，接着の科学，トライボロジー，バイ 3 オインスピレーション，… 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 2016/04/12 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・粘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，アクティブソフトマター等，最近関心を持たれて 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？ 4月19日：休講（海外出張のため） 第2回（4月26日）：高分子弾性体 第3回（5月10日）：高分子弾性体(2) レポート課題① 第4回（5月17日）：高分子弾性体(3) 第5回（5月24日）：レオロジー入門 第6回（5月31日）：レオロジー入門(2) レポート課題② 第7回（6月7日）：界面の熱力学 第8回（6月14日）：界面の熱力学(2) 第9回（6月21日）：接着・粘着の力学 レポート課題③ 第10回（6月28日）：工学とソフトマター 第11回（7月5日）： 工学とソフトマター(2) レポート課題④ 第12回（7月12日）：最近の話題について 第13回（7月19日）：最近の話題について，まとめ ※シラバスとは少しだけ異なります 6 3 2016/04/12 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.html 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）． • 7 試験・成績評価の方法（H28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．4回の中で2回以上提出することを合格の 基準とする． レポートでは，写真・図についてはソフトで作成したものを貼り 付けてもよいが，本文は手書きとする．他人のものを書き写した ことが発覚した場合には，他人のものも含めて0点とし，未提出 とみなす． ただし，友人同士の議論や共同実験は奨励する．もし結果を共有 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，本文はかならず各人で作成すること． 8 4 2016/04/12 試験・成績評価の方法（H27年度） • 試験は実施しない． • 合否は出席点のみで評価するが，出席は取らない．（つま り登録した人は自動的に出席・合格） • 第3回，第6回，第9回，第11回の講義の後にそれまでの テーマ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） 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 強く薦める. 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，ジャック 西成，大江訳 バドス著， ２．ソフトマター物理学入門 岩波書店 土井正男著 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 10 5 2016/04/12 ソフトマターとは？ ソフトマター ＝ （cf. ダークマター ＝ ソフト（やわらかい）＋マター（物質） 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 (1932-2007) 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紐状の分子．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 2016/04/12 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) ネマティック液晶 配向は規則的，重心位置はランダム (c) スメクティック液晶 配向は規則的，重心位置はｚ方向では規則的 (d) 等方性液体 配向も重心位置もランダム 14 7 2016/04/12 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 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 2016/04/12 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 2016/04/12 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 傾き k = バネ定数 例：バネの硬さ（バネ定数 k）の測定 𝑘= 𝐹 𝑋 やわらかい （フックの法則） X 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） 図：バネの力と伸びの関係 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 やわらかさの指標 弾性率（ヤング率）E [Pa] 𝐹 𝐴 𝑋 ：物体に加わるひずみ 𝐿 F 断面積 A 𝜎 = : 物体に加わる応力 𝜀= とすると， 𝜎 𝐸 = 𝜀 と定義される． 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 𝑋 = 𝜎𝐴 𝜀𝐿 =𝐸 𝐴 𝐿 (バネ定数は，面積に比例し長さに反比例) 𝐴 cf. 電気抵抗R 1/R = σ 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 ～ 1011 岩石 1010 プラスチック 109 ゴム 106 ゲル 103 - 105 水（液体） 0※ 20 10 2016/04/12 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！ 目で見ていて面白い！ 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 線形弾性，ニュートン粘性 応力 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 2016/04/12 ソフトマターの特徴（３） 絡み合った高分子 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～106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 1/e ニュートン流体 変位を保持 高分子溶融体 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． ソフトマターは，非線形性や非平衡性が顕著に現れる． 24 12 2016/04/12 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 ゴム弾性，ゲルの物性 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 粘弾性，非ニュートン流体力学 第6回：レオロジー入門(2) 第7回：界面の熱力学 表面張力，界面張力 第8回：界面の熱力学(2) 第9回：接着・粘着の力学 接着，破壊，レオロジー 第10回：工学とソフトマター ゴム部品，潤滑油など 第11回：工学とソフトマター(2) 第12回：最近の話題について 粉体，交通流，アクティブ 第13回：最近の話題について(2)，まとめ ソフトマター 本日はお疲れ様でした 25 13
© Copyright 2024 ExpyDoc
