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Change of motion of a swimming droplet

Suda, Saori 京都大学 DOI:10.14989/doctor.k24279

2022.11.24

概要

微生物や細胞など能動運動する物体や、非生物でありながらも化学反応や温度勾配、物質拡散などを自己形成して運動する物体を総称して自己駆動物体と呼ぶ。須田氏による本論文では、液滴で構成された自己駆動物体の運動様相の転移が研究されている。内部外部共に流体で構成された液滴は、境界界面の表面張力勾配が生み出すマランゴニ効果によって対流を生み出し液体中を泳ぐ。実験と数理モデルの両面から運動様相の変化を検討し、運動変化のカギとなるパラメータを発見すると共に、直線的運動から曲線的運動への転移のメカニズムを明らかにした。

 第1章では、遊泳微小液滴の基礎的な説明や先行研究の概要について説明している。この研究以前の知見として、自己駆動する遊泳液滴は直進運動を示したり湾曲性の運動や振動・回転性の運動を示したりする事は知られていたものの、その条件等は不明であった。なお、後述する第2章と同時期の別の研究論文で界面活性剤濃度が変わると運動の直進性が変化するという事が報告されるなど、研究分野の興味が自己遊泳運動の多様化のメカニズムに向かいつつある状況であった。

 第2章では、遊泳液滴の実験と数理モデルの構築が為されている。油中水滴系で液滴サイズを系統的に制御した実験を行い、半径数十マイクロメーター程度の小さい液滴では極めて良い直進性を持つのに対して、液滴サイズが大きくなると共に運動の直進性が減じ、百マイクロメーターを越えると左右にふらふらと湾曲する運動へと変化する事を示した。次に、内部対流と液滴運動の同時測定を行うことで、運動方向の変化角度と、双極子対流と四極子対流の間の角度差に強い相関が有ることを発見した。この角度差同士の強い相関が回転運動や湾曲運動の原因であるかを検討するために、実験結果の知見を取り込んだ数理モデルを新たに作成し、直進解の安定性などを解析した。その結果、双極子と四極子の角度差が運動方向変化を引き起こす事と、外部摂動に対する角度変化の応答性が液滴サイズ増大と共に縮小型から拡大型に変化する事を明らかにした。大きな液滴は大きく湾曲した運動を示す事にあたる。

 第3章では、先の移流拡散方程式モデルの導出の詳細を説明するとともに、第2章では単発の摂動だった外部入力をノイズ項に替えたシミュレーションを行い、ノイズの性質に対する運動変化を検討している。試された種類のいずれも、並進運動の運動角度相関の統計的性質は、入力されたノイズを応答性の縮小拡大をそのまま同等程度に反映する事が示された。一方で、見た目の運動には差が生じ、熱ゆらぎや濃度場の熱的ノイズを模した白色ガウスの場合はノイズの入力そのままの場合と軌道の見た目が類似し、自己の排出物や航跡など大きな濃度ムラを想定した散発的かつゆっくりとした入力の場合は見た目の軌道の乖離が大きくなる事が示された。まとめると、小さい液滴の場合は外部入力やノイズの効果が弱められ直進性が回復し、大きい液滴の場合は外部からの摂動やノイズの性質が拡大された形で我々が目にする運動軌道に反映される事が示された。

 最後に第4章では、以上の研究の総括と今後の展望が議論されている。

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