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Porous Structure
物質的には同じ材料であっても、その構造を制御するとマクロな物性は様々に変化します。そのようにして作られた材料(構造)をメタマテリアルと呼びます。身の回りに目を向ければスポンジ、緩衝材、編み物など、実はそのような材料はありふれていますが、3Dプリンタを始めとする近年の造形技術の高度化に伴い、自然界には存在しない物性を実現する技術として注目を集めています。我々は特に、複雑な制御を必要とせずメタに物性を作り出す手法としてランダムな穴の開いた多孔質構造に注目し、研究を行っています。
Even if the material is the same physically, controlling its structure can change its macroscopic physical properties in various ways. Materials created in this way are called metamaterials. If we look around us, we can find such materials in commonplace forms such as sponges, cushioning materials, and knitted fabrics. With the recent advances in modeling technologies such as 3D printers, metamaterials are attracting attention as a technology that can realize physical properties that do not exist in nature. We are particularly focusing on and conducting research into porous structures with random holes as a method for creating meta-physical properties without the need for complex control.
Mechanical Characteristics of porous structure
スポンジ構造は自然界や工学の様々な場面で見られる構造です。その多孔質構造の不均一性は機械的な特性に大きく関わっていますが、その効果については分かっていないことも多いです。本研究では不均一性の効果について、簡単な質点・ばねモデルの解析から議論しました。結果、不均一性の強さに依存して内部での構造の連鎖的座屈の起きやすさが変化すること、またそれが応力ひずみ特性に大きな影響を与えることを解明しました。
Cellular materials are ubiquitous in nature systems and a variety of engineering fields. Although structural disorder in the cellular material plays an important role for the mechanical property, it is not well studied from the view point of physics. This study proposes a simple compression beam grid model of a cellular material as a minimal model for discussing the role of disorder. The model is composed of beams, which exhibit buckling at random strain, and a buckling chain reaction occurs probabilistically due to concentrated stress, which affects the stress–strain curve. The contribution of the model’s parameters on the probability of serial buckling are estimated under weak disorder condition and under some approximations. Validity of the analysis is confirmed by numerical simulations.
Stimuli responsive gels
Kinetics of Stimuli-responsive gels with porous structures
温度や光などの刺激によって体積変化を起こすゲルを刺激応答性ゲルと呼びます。その応答速度はゲルの内部構造を不均一化することで速くなることが知られていました。その原因は、ゲルが体積変化する際にゲルに流入・流出する液体の輸送モードが変化するためであると説明されていましたが、構造の不均一度合いと体積変化速度の関係をあらわに結び付けた理論モデルはありませんでした。本研究では体積変化が一様であるような簡単な場合についてそのようなモデルを構築し、実際に均一なゲルよりも不均一なゲルの方が体積変化が速くなることを示しました。
Stimuli-responsive gels are the polymer gels whose volume is varied according to environmental conditions. It has been reported that stimuli-responsive gels with an inhomogeneous structure exhibit faster volume changes than gels without such structures. It is understood as a difference in the transfer dynamics of the solvent, though, there are few models for discussing the effect of inhomogeneity explicitly. In this paper, we propose a simple model for the kinetics of volume change by introducing inhomogeneity as the probability distribution of a random variable that characterizes the structure. Under this framework, we demonstrate that inhomogeneity actually increases the rate of volume change.
Y. Yamada, S. Maeda, “Simple Model for the Kinetics of Stimuli-Responsive Gels with Porous Structures”, Journal of the Physical Society of Japan, 93, 083801, 2024.
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