ソフトマター研究室（栗田研究室）

■ セミナー案内

外部の研究者の方々をお呼びしてセミナーを開催しています。興味のある方はご自由にご参加ください。

第17回セミナー　

日時：2017年10月20日(金)
タイトル：非平衡ゆらぎのKPZ普遍クラス：実験と厳密解の相補的進展へ
講演者：竹内一将氏
所属：東京工業大学
場所：11号館301号室 14:40～

Abstract:
成長界面ゆらぎをはじめ、スケール不変な数々の非平衡ゆらぎを記述する普遍クラスとしてKardar-Parisi-Zhang(KPZ)クラスが知られている。 KPZクラスは、1次元系で厳密解が得られたのをきっかけに急激に理解が進展し[1]、Isingに比肩する重要性をもつ非平衡クラスと言われることもある。そこで本セミナーでは、講演者による液晶乱流の成長界面ゆらぎの実験結果[2]を軸に、1次元KPZクラスについて知られている主要な結果のレビューを行う。特に、厳密解で知られている知見がいかに実験に現れるか、その相互関係を強調する。また、理論的に未知の実験結果が数理的進展に繋がった例として、時間相関に関する最近の結果[3]を紹介する。

[1] 以下のようなレビューがある：T. Kriecherbauer and J. Krug, J. Phys. A 43, 403001 (2010); I. Corwin, Rand. Mat. Theor. Appl. 1, 1130001 (2012); T. Halpin-Healy and K. A. Takeuchi, J. Stat. Phys. 160, 794 (2015).
[2] K. A. Takeuchi and M. Sano, Phys. Rev. Lett. 104, 230601 (2010); J. Stat. Phys. 147, 853 (2012).
[3] J. De Nardis, P. Le Doussal, and K. A. Takeuchi, Phys. Rev. Lett. 118, 125701 (2017); P. Le Doussal, arXiv:1709.06264 (2017).

第16回セミナー　

日時：2017年5月19日(金)
タイトル：X線散乱法を用いた非結晶物質研究の現状とこれから
講演者：井上伊知郎氏
所属：理化学研究所放射光科学総合研究センター
場所：8号館308号室 13:00～

Abstract:
近年、シンクロトロン放射光源からの高輝度X線を利用した散乱法が非晶質物質の構造解析の手段として使われる機会が増えてきている。光学顕微鏡や電子顕微鏡が試料の構造を実空間で見る”正統派な”実験技術であるのに対し、 X線散乱法は試料の電子密度分布のフーリエ変換を測定する（すなわち逆空間で物事をみる）一風変わった実験手法である。しかし、X線散乱法には、① 可視光や電子ビームが通らない試料でも測定が可能、② 時間分解測定が可能、③ 試料周りの自由度が高い、④ 場合によっては実空間の像が得られる、といった利点があり、これらの特徴を活かすことでユニークな非晶質物質研究が可能になっている。この発表では、X線散乱法の基礎と放射光を用いた非晶質物質研究の例を紹介したあとに、 X線自由電子レーザーや回折限界蓄積リングを用いた放射光源といった新しいX線光源が非晶質物質研究に与えるインパクトについて議論したい。

第16回セミナー　

日時：2017年1月12日(木)
タイトル：反応拡散系の多彩なダイナミクスとその制御
講演者：設楽恭平氏
所属：お茶の水女子大学シミュレーション科学教育研究センター
場所：8号館303号室

Abstract:
化学反応とそれを担う反応物質の拡散が共存する系は「反応拡散系」と呼ばれ、様々な時空間パターンを示すことが知られている。反応拡散系が記述できるの現象はBZ反応のような実際の化学反応のみならず、捕食・被食のような生態系、さらには人間社会におけるダイナミクスにまで至り、適用範囲は非常に幅広い。我々はその中でも特に興奮性の反応拡散系で実現する時空間パターンに興味を持って研究を行ってきた。本発表では反応拡散系一般の概説に始まり、振動性や興奮性についての説明を行った上で、我々が行った局在パターンに関する研究と、遅延フィードバックを用いた制御に関する理論的研究について解説する。

第15回セミナー　

日時：2016年12月16日(金)
タイトル：ランダムパッキングにおける大域的構造
講演者：池田昌司氏
所属：東京大学大学院総合文化研究科広域科学専攻相関基礎科学系
場所：11号館301号室 13:00～

Abstract:
ランダムパッキング、すなわち箱の中に粒子を乱雑に詰めた系は、我々にとって身近な存在だが、様々な奇妙な挙動を示す。例えば、ランダム最密充填近傍において大きくゆっくりとした振動モードが現れることや、弾性率に臨界異常が現れることなどが良く知られた例である。これらの臨界的な特徴とあわせて、ランダム最密充填近傍では、密度場の構造因子S(k)が波数kの小さいところでS(k) = a|k|と振舞う、と言われることがある。この振る舞いは、距離スケールを大きく取れば取るほど、密度揺らぎがいくらでも小さくなるということを意味しており、「Hyperuniformity」と呼ばれている。しかしながら、弾性率の臨界性等と比べると、Hyperuniformityに関しては確立した理解がなく、混乱した議論が見られるのが現状である。この講演では、ランダムパッキングにおける密度場の大域的構造と弾性率を大規模な数値実験で調べた結果を報告し、Hyperuniformityを批判的に検討する。

第14回セミナー　

日時：2016年6月28日(火)
タイトル：集団運動の実験的研究--自己駆動する液滴集団とコロイド集団
講演者：住野豊氏
所属：東京理科大学
場所：8号館303号室 17:00～18:30

Abstract:
生命現象の著しい特徴として，代謝すなわち化学エネルギーから力学的エネルギーへの変換が挙げられる．このような生命現象の特徴を物理的に捉える観点として，自己駆動粒子の集団運動に関する研究が近年盛んになされている．自己駆動粒子は細胞や動物の個体を一般化・抽象化したものであり，化学エネルギーや光，電場のエネルギーを粒子の並進運動に局所的に変換する性質を持つ．このような自己駆動粒子は非熱的に揺らぐため，集団化することで，多様な集団運動相を示すことが見出されている．本セミナーでは，はじめに自己駆動粒子に関する研究に関して近年の進展を簡単に振り返った後，我々が現在進めている自己駆動するペンタノール液滴[1]の集団系やコロイド粒子集団[2]の集団挙動に関して紹介する．

[1] K. Nagai, Y. Sumino, H. Kitahata and K. Yoshikawa, "Mode Selection in the Spontaneous Motion of an Alcohol Droplet", Phys. Rev. E 71, 065301 (2005).
[2] Ke-Qin Zhang, and Y. Liu Xiang, "Controlled formation of colloidal structures by an alternating electric field and its mechanisms" J. Chem. Phys., 130, 184901 (2009).

第13回セミナー　

日時：2016年3月23日(水)
タイトル：Influence of light on a light-sensitive variant of the Belousov-Zhabotinsky reaction
講演者：Andreas Bindler 氏
所属：Department Pattern formation and Self-Organization, University Magdeburg
場所：8号館303号室 14:00～15:30

Abstract:
In the recent years the Belousov-Zhabotinsky reaction (BZR) became a great model to observe chemical driven oscillations. The standard recipe of the BZR uses malonic acid as the organic substrate. The biggest advantage of these substrate is the skimming of carbondioxide. That's why gas bubbles occur inside the media. In the way to avoid obstacles like gas bubbles in the media, 1.4-cyclohexanedione (CHD) is used to solve this problem. CHD itself is well known, for uncatalyzed oscillations with bromide-ions. This oscillations occurring only in presence of light and influences the properties of the BZR. In that case it's interesting to figure out, which kind of influences the light intensity turns out. These work represents the first try to explain, what kind of influence the intensity of light on the BZR shows.

第12回セミナー　

日時：2016年3月14日(木)
タイトル：Influence of noise on dissipative solitons and their interaction
講演者：Prof. Helmut R. Brand
所属：Department of Physics, University of Bayreuth
場所：8号館302号室

Abstract:
We give an overview of the influence of noise on spatially localized patterns and their interaction. Localized patterns include stationary dissipative solitons, oscillatory dissipative solitons with one and two frequencies as well as exploding dissipative solitons.
The influence of noise on spatially localized structures of arbitrary length, which are localized due to the trapping mechanism, has been investigated in [1] and it was shown that the logarithm of the lifetime scales inversely with the noise intensity. Thus the picture of a noise-activated barrier crossing has been demonstrated.
A long standing puzzle in the field of pattern formation has been the experimental observation of the partial annihilation of pulses in binary fluid convection [2] and during CO oxidation in surface reactions [3,4] it has been shown that already a small amount of additive noise can account for the experimental observation. The mechanism will be elucidated in the presentation.
Recently is has been shown that a small amount of noise can induce explosions for dissipative solitons in the vicinity of the transition sequence from stationary dissipative solitons to exploding dissipative solitons via three different routes [6,7]. We also investigate the influence of large noise on the formation of localized patterns in the framework of the cubic-quintic complex Ginzburg-Landau equation. The interaction of localization and noise can lead to filling-in or noisy localized structures for fixed noise strength. To focus on the interaction between noise and localization we cover a region in parameter space, in particular subcriticality, for which stationary stable deterministic pulses do not exist [8]. Possible experimental tests of the work presented for autocatalytic chemical reactions and bio-inspired systems are outlined.
Finally we present some of our recent results on the influence of spatially homogeneous multiplicative noise on spatially localized solutions in nonequilibrium systems.

[1] H. Sakaguchi, H.R. Brand, Physica D - Nonlinear Phenomena 97, 274 (1996).
[2] P. Kolodner, Phys.Rev. A 44, 6466 (1991).
[3] H.H. Rotermund, S. Jakubith, A. von Oertzen, G. Ertl, Phys. Rev. Lett. 66, 3083 (1991).
[4] A. von Oertzen, A.S. Mikhailov, H.H. Rotermund, G. Ertl, J. Chem. Phys. B 102, 4966 (1998).
[5] O. Descalzi, J. Cisternas, D. Escaff, H.R. Brand, Phys. Rev. Lett. 102, 188302 (2009).
[6] C. Cartes, O. Descalzi, H.R. Brand, Phys. Rev. E 85, 015205 (2012).
[7] C. Cartes, O. Descalzi, H.R. Brand, Eur. Phys. J. Special Topics 223, 2145 (2014).
[8] O. Descalzi, C. Cartes, H.R. Brand, Phys. Rev. E 91, 020901 (2015).

第11回セミナー　

日時：2016年1月27日(水)
タイトル：飲料の泡について
講演者：山本研一郎氏
所属：キリン株式会社　R&D本部　飲料技術研究所
場所：8号館302号室 13:00～

第10回セミナー　

日時：2015年7月16日(木)
タイトル：重力不安定性によって形成される表面パターンの遷移現象
講演者：下川倫子氏
所属：福岡工業大学
場所：8号館303号室 17:00～

Abstract:
小さな密度の溶液(LDS：Lower Density Solution)の上に密度の大きな流体(HDS： Higher Density Solution)を一滴置くと、二流体界面で重力不安定性による界面の運動が起こり、HDSは沈みはじめる。このHDSの沈みこみ過程で、LDSの表面にHDSはフラクタルパターンもしくはセルパターンを自発的に形成することを我々は実験で観察した[1]。フラクタルパターンからセルパターンへの遷移は容器半径rとLDSの深さhによるアスペクト比r/hによって決定する。この遷移点AcはLDSの粘度に依存していることを実験で示した[2]。表面パターンの遷移が起こるAcを境に、鉛直方向の流れの構造が変化することから、鉛直方向のマクロな流れが表面パターンを決定しているといえる。セミナーでは実験結果を元に、パターンの形成機構について議論する。

[1]M. Shimokawa, J. Phys. Soc. Jap. 81, 094003 (2013).
[2]M. Shimokawa and T. Takami, Mod. Phys. Lett. B, accepted (2015).

第9回セミナー　

日時：2015年7月2日(木)
タイトル：1パッチ粒子の「純粋な」方向秩序
講演者：岩下靖孝氏
所属：九州大学
場所：11号館201号室 14:00～15:30

Abstract:
　近年、異方的なコロイド粒子系の研究が大きな盛り上がりを見せている。我々は特にパッチ粒子を用い研究を行っている：この粒子は、一粒子の表面が物性の異なる複数の領域(パッチ)からなり、それにより異方的な相互作用を示す。モデルの簡便性・作成の容易さから理論・実験両面で盛んな研究の対象となっている。
　我々は一つの金属パッチを持つ球状粒子を実際に作成し、溶媒の臨界効果を利用することで粒子間の異方的相互作用を連続的に制御することに成功した。さらにこの粒子を密充填し、回転の自由度のみを持つ状態において、多様な方向秩序が現れることを見出した。このように並進の自由度と完全にdecoupleした秩序形成は、コロイド系においては例がない。講演では、シミュレーションの結果も合わせ説明する。

第8回セミナー　

日時：2015年5月14日(木)
タイトル：微細加工表面と濡れ・浸透
講演者：谷茉莉氏
所属：お茶の水女子大学
場所：8号館303号室 14:00～

Abstract:
表面の濡れ性（親水性・撥水性）制御や少量液体の輸送問題は、我々に身近であると同時に、産業・応用面からも関心の高い問題である。特に、近年の微細加工技術の進歩により、微細加工表面での濡れは国際的にホットなトピックスとなっている。本講演では、濡れの基礎と先行研究の紹介から始め、下記 (1)-(3)について議論する。
(1) フナムシは脚表面の微細構造を利用した毛管上昇で水分を補給している。我々は、この毛管上昇が“線形”に進行することを発見した。さらに、脚表面の微細構造を模倣した人工的な表面への毛管上昇では、動力学は線形ではないものの、新たに構築した複合理論でよく説明ができることを明らかにした[1]。
(2) 微細加工技術によって作製した開毛管への毛管上昇について、シンプルなスケーリング法則が広く成り立つことを示した。さらに、この法則を利用した複雑なデバイス開発の可能性を示すデモンストレーションを行った[2]。
(3) 撥水性の微細加工表面上の液滴形状にはCassie (Air Pocket)状態とWenzel状態があり、この2状態間にはエネルギーバリアがあることが、理論的・実験的に知られている。現在、我々はCassie-Wenzel転移に際するエネルギーバリアを定量化する実験を進めている。講演ではこの結果についても触れる。

[1] M. Tani, D. Ishii, S. Ito, T. Hariyama, M. Shimomura and K. Okumura, PLosONE 9(5) e96813 (2014)
[2] M. Tani, R. Kawano, K. Kamiya and K. Okumura, Sci. Rep. (2015) (in press)

第7回セミナー　

日時：2015年1月29日(水)
タイトル：Plasmonic cell transfection using micropyramid arrays
講演者：Nabiha Saklayen 氏
所属：Harvard University
場所：8号館303号室 14:00～

Abstract:
This research presents a new cell transfection method that uses femtosecond laser-excited localized surface plasmons (LSPs) on a nanostructured micropyramid array. Our gold-layered micropyramids have nano-apertures at the apex to form high local electric field enhancements, or “hot spots.” These hot spots form microbubbles that temporarily perforate mammalian cell (HeLa S3) membranes and allow dye molecules and plasmid vectors to diffuse through the membrane openings. We introduce an emerald green fluorescent protein (EmGFP) reporter plasmid into the cells to determine the LSP-mediated transfection efficiency of the substrate. We optimize our laser parameters for successful transfection and high cell viability. Our nontoxic, efficient, and scalable technique offers an innovative approach to the advancement of regenerative medicine and the study of LSP-cell interaction.

第6回セミナー　

日時：2014年11月17日(水)
タイトル：分子性固体における強相関電子と創発物性
講演者：賀川史敬氏
所属：理化学研究所創発物性科学研究センター(CEMS) 動的創発物性研究ユニット
場所：12号館101号室 14:40～

Abstract:
相互作用する多体系は、温度などを変えることでその集団の様相や性質が大きく変化することがある。これを一般に相転移というが、最も馴染みが深いのは気体 ‐液体‐固体間の相転移であろう。相転移を示す多体系は、このような原子や分子の集合体に限らず、他にもたとえば固体中の電子が挙げられる。電子同士はクーロン反発力によって相互作用しており、したがって相転移を起こしうる。このように電子同士が強く相関している系を強相関電子系という。本講演では分子性固体を例にとり、強相関電子系が示す相転移を、気体‐液体‐固体間の相転移との比較を交えながら紹介する。特に、強相関電子系が示す代表的な相転移である金属絶縁体転移（モット転移、電荷秩序転移）から最近発見された新奇な電子相である電荷のガラス状態まで概観する。

第5回セミナー　

日時：2014年10月15日(水)
タイトル：Phase behaviour of systems with local tetrahedral symmetry: examples from water, silicon and patchy colloids
講演者：John Russo 氏
所属：Institute of Industrial Science, The University of Tokyo
場所：8号館304号室 13:00～

Abstract：
Systems with local tetrahedral interactions have unique physical properties that are fundamental to a vast array of scientific fields and technological applications. Common examples include the unique thermodynamic properties of liquid water, or the phase behaviour of group XIV elements, such as silicon and germanium. In the present seminar I will review some recent numerical advances in our understanding of both the amorphous and crystalline states of systems with local tetrahedral interactions, including new crystalline states, the role of liquid-liquid transitions, and the factors controlling the glass-forming ability of these systems.

第4回セミナー　

日時：2014年7月16日(水)
タイトル：結晶性高分子の量子ビーム構造解析
講演者：野末佳伸氏
所属：住友化学（株) 樹脂関連事業開発部
場所：8号館302号室 13:00～

Abstract：
結晶性高分子は、さまざまな成形加工法で所望の形に成形され、プラスチック製品として用いられている。より性能の優れたプラスチック製品を設計するためには、静置場での結晶化に関する理解はもとより、流動場のなかでの高次構造形成、成形品の変形・破壊挙動にいたるまでをよく理解する必要がある。これらの現象の理解を深めるために、量子ビームを用いた構造解析は非常に有用である。放射光 X線を用いることで、結晶、非晶の電子密度コントラストを検出する形で高次構造を観察することが出来、その非常に高い輝度のため、構造の時間発展の様子や、空間的な構造分布を調べることが出来る。一方、中性子をラベリング手法とあわせて用いることで、特定の分子鎖の形態をみることや、相溶性の程度を調べることができる。本日は、結晶化から変形までを量子ビームで眺めたときにどういった知見が得られるのか、これまでの研究内容をもとにご紹介する。

第3回セミナー　

日時：2014年7月9日(水)
タイトル：疎水性不純物に誘起されるナノバブル
講演者：岡本隆一氏
所属：首都大学東京
場所：8号館302号室 13:00～

Abstract：
溶液中において、ナノメータースケールの小さなバブル(ナノバブル) が長時間安定に存在することが実験的に知られている。またナノバブルは、溶液、ソフトマター、生体物質などにおいて重要な役割を果たすと考えられている。一方、そのサイズの小ささゆえの大きなラプラス圧に抗して、長時間安定に存在しつづけられる物理的メカニズムは未だに良くわかっていない。我々は、強い疎水性の混入物を加えることによって、ナノバブルが熱平衡状態として安定に存在しうることを理論的に見いだしたので、これについて講演する。また疎水性表面のナノバブル、ナノバブルを介した物体間相互作用についてもお話しする。本研究は小貫明先生との共同研究です。

第2回セミナー　[今回は中止になりました]

日時：2014年6月9日(月)
タイトル：External control of excitation waves by electric field
講演者：Prof. Stefan C. Müller
所属：Otto-von-Guericke University Magdeburg
場所：8号館304号室 16:00～

Abstract：
Excitation waves are a prototype of self-organized dynamic patterns in non-equilibrium systems. They develop their own intrinsic dynamics resulting in travelling waves of various forms and shapes. Prominent examples are rotating spirals and scroll waves. It is an interesting and challenging task to find ways to control their behavior by applying external signals, upon which these propagating waves react. We apply external electric fields to such waves in the Belousov-Zhabotinsky (BZ) reaction. Remarkable effects include the change of wave speed, reversal of propagation direction, annihilation of counter-rotating spiral waves and reorientation of scroll wave filaments. These effects can be explained in numerical simulations, where the negatively charged inhibitor bromide plays an essential role.
Electric field effects have also been investigated in biological excitable media such as the social amoebae Dictyostelium discoideum. Quite recently we have started to investigate electric field effect in the BZ reaction dissolved in an Aerosol OT water-in-oil microemulsion. A drift of complex patterns can be observed, and also the viscosity and electric conductivity change. We discuss the assumption that this system can act as a model for long range communication between neurons.

第1回セミナー

日時：2014年3月25日(月)
タイトル：Macroscopic behavior of systems with a dynamic preferred direction
講演者：Prof. Helmut R. Brand
所属：University of Bayreuth
場所：8号館302号室 16:00～

Abstract：
We present the derivation of the macroscopic equations for systems with a dynamic preferred direction, which can be axial or polar in nature.
In addition to the usual hydrodynamic variables we introduce the mean angular velocity [1] or the macroscopic velocity [2] associated with the motion of the active units as a new variable and discuss their macroscopic consequences [1,2]. Such an approach is expected to be useful for a number of biological systems including, for example, the formation of dynamic macroscopic patterns shown by certain bacteria such as Proteus mirabilis, shoals of fish, flocks of birds and migrating insects.
As a concrete application we set up a macroscopic model of bacterial growth and transport based on a polar dynamic preferred direction -- the collective velocity of the bacteria [3]. This collective velocity is subject to the isotropic-nematic transition modeling the density-controlled transformation between immotile and motile bacterial states. The approach can be applied also to other systems spontaneously switching between individual (disordered) and collective (ordered) behavior, and/or collectively responding to density variations, e.g., bird flocks, fish schools etc. We observe a characteristic and robust stop-and-go behavior of the type also observed for the growth of bacteria experimentally [4].

[1] H.R. Brand, H. Pleiner and D. Svensek, Eur. Phys. J. E34, 128 (2011).
[2] H. Pleiner, D. Svensek and H.R. Brand, Eur. Phys. J. E36, 135 (2013).
[3] D. Svensek, H. Pleiner and H.R. Brand, Phys. Rev. Lett. 111, 228101 (2013).
[4] Y. Yamazaki et al., Physica D - Nonlinear Phenomena, 205 D, 236 (2005).

首都大学東京 大学院 理工学研究科 物理学専攻 English