阪大,コロイド粒子の流動化が阻止される現象を発見

大阪大学は,パリ大学サクレー校,パリ・エコールノルマルとともに,コロイドのガラス状態に変形を加えて流動化させるコンピューターシミュレーションを行なった結果,コロイド粒子が渋滞を引き起こし,流動化しなくなる現象(シアジャミング)を発見した(ニュースリリース)。

コロイドはマイクロメーターの大きさを持つ粒子の集まり。コロイドを分散させた溶液で,コロイド粒子の密度を高めていくとガラス状態(アモルファス固体)になる。こうなるとコロイド粒子は,まわりの粒子たちに囲まれた籠状の限られた狭いスペースの中でしか動けなくなる。

さらに圧縮していくと,粒子が全く身動きできない「すし詰め状態」になる。これは一般に「ジャミング」と呼ばれる現象。結晶の最密充填のガラス版,と言えるもの。今回,詳しい解析を行なったところ,これまでの常識を覆す結果が得られた。

シアは,圧縮と異なって体積(密度)を全く変えず,形だけを変える操作。固体はシアひずみを元に戻そうとする復元力を発生する。しかし十分大きなひずみを加えると「降伏」と呼ばれる破壊,流動化を示し,復元しなくなる。研究グループのシミュレーションでもこれは観測された。

ところが,場合によってはシアによってジャミングを起こし,流動化を阻止してしまうことがわかった。これまで,このような「シアジャミング」は摩擦のある粉体では知られていた。しかし今回の系には摩擦がなく,シアジャミングに摩擦が必須ではないことが明らかになった。

重要なポイントは,今回用いた系が,非常に高密度で安定なガラス状態にあるということ。より低密度で不安定なガラスの場合,シアジャミングが起こらなくなることもわかった。

関連する現象として,シアシック二ングと呼ばれる現象がある。これは,濃厚なコーンスターチで満たしたプールの上を走って渡るデモンストレーションなどで良く知られている。この研究により,コロイドなどソフトマターのレオロジーの基礎的理解が進むことが期待されるとしている。

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