共同研究・競争的資金等の研究課題

本年度は昨年度に開発した境界条件に密度勾配を与える方法のプログラムを使用し，実際に円管流れ下における界面活性剤水溶液の挙動を再現，解析を行った．トムズ効果に影響を与えるパラメータとして様々なものが知られているが，まずは界面活性剤分子が持つ炭素鎖の長さと，円管壁面の化学的性質の２つに着目して，流れの速度の影響を調べた． その結果，比較的炭素鎖の長さが短い場合，流れが遅い場合球状ミセルが形成されるが，流れの速度が増加するにつれて球状ミセル同士が衝突によって長い棒状・紐状のミセルへ成長し，粘度の減少が観察された．一方，炭素鎖が比較的長い場合，速度が遅いときには巨大な球状ミセルが形成され，粘度が流れの速度によらないニュートニアンのような振る舞いを示すが，流れが早くなるにつれて棒状ミセルの出現，さらに棒状ミセルが引き伸ばされることによって，粘度の増加が観察された． さらに管内壁面の化学的相互作用を変化させた時，親水的な壁面の場合，界面活性剤の濃度にかかわらず流れの速度が速くなるにつれて粘度の減少が見られたが，疎水的な壁面の場合，濃度が低いときにはニュートン流体のような振る舞い，濃度が高いときには粘度増加が観察された．この原因はミセルの破壊と弾性乱流の発生に伴うものだと示唆された． また現実により近く，妥当性のある結果を得るためには巨大な系と長時間のシミュレーションを行い，十分な統計量を得ることが必要である．OpenMPやFDPSを使用した高速化コードの開発は引き続き取り組んでいる. 当初予定していた研究計画通りに進めることができた．トムズ効果のメカニズムを調べるために，まずは２つのパラメータについて詳細に検討できた．さらに結果は投稿論文で発表することができたため，順調に進展している，とした． シミュレーションの高速化に関するプログラムコードの開発，特にFDPSフレームワークの導入は引き続き行う予定である．いくつかのパラメータについて，管内流れ下における界面活性剤水溶液の挙動を再現し，粘度挙動を詳細に検討することがが可能となったため，これを踏まえ，抵抗低減に関する検討を行い，トムズ効果発現の分子論的な原因を特定する.そのためには，高レイノルズ数における流れを再現する必要がある．現在，計算の効率化のため円管半径を小さく抑えたため，レイノルズ数が小さくなってしまっている．半径をより大きくした大規模なシミュレーションを行い，抵抗低減率を測定し，それとミセルのサイズや形状，棒状ミセルの配向性や伸び，界面活性剤分子の親水性・円管の半径や化学的な相互作用とどのような関係性が見られるかについて検討することを予定して いる.

ナノ粒子の自己集合は，我々の身の回りの様々な機能性材料の中で用いられている．つまり，自己集合と機能には強い関わりがあると言える．Janus粒子は，粒子表面に2つ以上の異なる性質を持つ（例えば疎水性と親水性を併せ持つ）特殊な粒子で，近年の合成技術の発達によって作成可能となった．本研究では Janusナノ粒子の自己集合構造や自己集合過程を分子シミュレーションによって調べた．その結果，これまで観察されなかった新しい集合構造や相を発見し，また規則的な相が現れるいくつかの条件を特定することができた．