自然の中の物質はほとんどが非平衡状態

大学で学ぶ物理の中に統計力学という科目があります。

統計力学は現代物理の主幹となる重要な学問の一つで、大学生レベルでは主に物質の平衡状態を扱います。平衡状態とは、物質が均一で物理量の値が永久に変化しない理想的な状態のことです。

ところが、自然の中の物質は時間的に変化したり、空間的に非一様で流れが生じたりと、平衡状態ではなく非平衡状態であることがほとんどです。この様な物質の非平衡状態を扱うのが非平衡物理学であり、私達の研究の大きなテーマになります。

外力で非平衡状態になる粒子系

非平衡物理学の対象は多岐にわたりますが、私の研究室では特に古典的な粒子系を扱います。

例えば、泡、エマルジョン、粉体など、個々の粒子がエネルギーを保存しない散逸粒子系のモデルについて詳しく調べており、理論と数値シミュレーションの両面から研究に取り組んでいます。

散逸粒子系は巨視的な粒子の集まりなので、粘性力や摩擦力によってエネルギーを散逸するという特徴があります。従って、外力が無ければ静止状態に陥りますが、外力を加え続けると、外部からのエネルギー注入と内部のエネルギー散逸がバランスした非平衡定常状態に陥ります。

液相から固相へ　ジャミング転移

また、密度に応じて気相・液相・固相に区別され、特に液相からアモルファス固体への変化はジャミング転移と呼ばれ、重要な研究テーマの一つです。

さらに、最近はジャミング転移した粒子系の固有振動に注目し、粒子間の摩擦や粒子の変形、粒子の形状などがマクロなレオロジーにどう影響するのか、擬フロッピーモードという新しい概念を使って解き明かす研究をしています。