研究・技術シーズ集 2020
Kyoto Sangyo University
さ い と うく に や す齊藤 国靖
理学部 准教授
博士（理学）／理学博士
京都大学

主な研究業績

■ Kuniyasu Saitoh, Takahiro Hatano, Atsushi
Ikeda, and Brian P. Tighe,“Stress relaxation
above and below the jamming transition”, Phys.
Rev. Lett. 124, 118001（2020）.
■ Atsushi Ikeda, Takeshi Kawasaki, LudovicBerthier, Kuniyasu Saitoh, and Takahiro Hatano,“Universal relaxation dynamics of spherepackings below jamming”, Phys. Rev. Lett. 124,058001（2020）.

■ Norihiro Oyama, Hideyuki Mizuno, and Kuniyasu
Saitoh,“Avalanche interpretation of the power︲
law energy spectrum in three︲dimensional
dense granular flow”, Phys. Rev. Lett. 122,188004（2019）.
■ Kuniyasu Saitoh, Norihiro Oyama, Fumiko Ogushi,
and Stefan Luding, "Transition rates for slip︲
avalanches in soft athermal disks under quasi︲
static simple shear deformations", Soft Matter
15, 3487（2019）.

■ Kuniyasu Saitoh and Hideyuki Mizuno,“Anisotropic decay of the energy spectrum in
two︲dimensional dense granular flows”, Phys.
Rev. E 96, 012903（2017）.

概要 Overview

粉粒体をはじめ、コロイド、エマルジョン、泡など、巨視的な粒子の集りは「散逸粒子系」と呼ばれ、人々の生活に欠かせない物質であり、産業界でのニーズも高く、工学的な応用研究が大切です。特に、化学的な状態変化を除けば、レオロジーやメカニクスなど、その力学特性を理解することが最重要課題の一つです。これまで実験室などで力学特性を調べる研究が進められてきましたが、近年はコンピューターを使って粉粒体の全粒子の運動をシミュレーションで調べる手法が確立しています。これは「分子動力学計算」と呼ばれ、実験での測定が難しかった粉粒体のミクロな現象を精密に調べられるという利点があります。また、散逸粒子系を物理学として理解しようとする動きもあり、従来の統計力学や数理物理学を発展させた「非平衡統計力学」という学問分野が確立してきました。
本研究では、粉粒体をはじめとする散逸粒子系のマクロな力学特性を、個々の粒子が従うミクロな物理法則に基づいて理解することを目指しています。そのために、分子動力学計算を駆使し、工学的にも重要な様々なレオロジー試験やメカニクスのコンピューターシミュレーションを行っています。また、全粒子の位置や速度といった大量のデータを解析し、非平衡統計力学の観点から複雑な力学特性を解明しようとしています。例えば、圧縮した粉粒体が剛性を獲得する「ジャミング転移」という現象があり、粘性率など力学特性を測るパラメータの幾つかが臨界的な発散を示します。そこで、分子動力学計算で剪断によるレオロジー試験を再現し、ジャミング転移に伴う降伏応力の発生と、粒子速度の乱流的な統計則との関係を明らかにしました。また、降伏を引き起こすミクロな応力ネットワークの組み換えをコンピューターで計算し、確率論的な遷移率によって力学応答を予測することにも成功しています。さらに、粉粒体の音波特性と粒子間摩擦の関係や、降伏状態における雪崩の統計則も明らかにしており、最近はジャミング転移点近傍における臨界緩和と固有振動の孤立モードの関係、相関長の発散と拡散係数の臨界スケーリング、粘弾性の統一的理解、および応力の非局所的な構成則などの成果があります。

数物系科学■ Kuniyasu Saitoh, Rohit K. Shrivastava, andStefan Luding, "Rotational sound in disordered
granular materials", Phys. Rev. E 99, 012906（2019）.

粉粒体など散逸粒子系の分子動力学計算と非平衡統計力学

情報通信技術■ Kuniyasu Saitoh and Brian P. Tighe, ”Non︲local effects in inhomogeneous flows of soft
athermal disks”, Phys. Rev. Lett. 122, 188001（2019）.

研究テーマ Research theme

ライフイノベーション■ Kuniyasu Saitoh and Takeshi Kawasaki,“Criticalscaling of diffusion coefficients and size of rigid
clusters of soft athermal particles under shear”,
Front. Phys. 8, 99（2020）.

分子動力学計算、非平衡統計力学、ジャミング転移

グリーンイノベーション

ホームページ URL
http://www.cc.kyoto-su.ac.jp/~sithuny/

キーワード■ Kuniyasu Saitoh and Hideyuki Mizuno,“Enstrophycascades in two︲dimensional dense granularflows”, Phys. Rev. E 94, 022908（2016）.

■ Kuniyasu Saitoh, Satoshi Takada, and Hisao
Hayakawa,“Hydrodynamic instabilities in shear
flows of cohesive granular particles”, Soft
Matter 11, 6371（2015）.

■ Kuniyasu Saitoh and Hisao Hayakawa,“Quantitative test of the time dependent
Ginzburg︲Landau equation for sheared granular
flow in two dimensions”, Phys. Fluids 25,070606（2013）.
■ Kuniyasu Saitoh and Hisao Hayakawa,“Weaklynonlinear analysis of two dimensional shearedgranular flow”, Granular Matter 13, 697（2011）.
■ Kuniyasu Saitoh, Anna Bodrova, Hisao
Hayakawa, and Nikolai V. Brilliantov,“Negativenormal restitution coefficient found in simulationof nanocluster collisions”, Phys. Rev. Lett. 105,238001（2010）.
■ Kuniyasu Saitoh and Hisao Hayakawa,“Motionof a free︲standing graphene sheet induced bya collision with an argon nanocluster: Analysesof the detection and heat︲up of the graphene”,
Phys. Rev. B 81, 115447（2010）.
■ Kuniyasu Saitoh and Hisao Hayakawa,“Simulation of depositions of a Lennard︲Jones
cluster on a crystalline surface”, Prog. Theor.
Phys. 122, 1081（2009）.
■ Kuniyasu Saitoh and Hisao Hayakawa,“Rheologyof a granular gas under a plane shear”, Phys.
Rev. E 75, 021302（2007）.

分子動力学計算による散逸粒子系のコンピューターシミュレーション。粒子の色は粒径の大きさを表し、赤い実線は計算した応力鎖の大きさを表しています。

応用分野 Application areas
本研究の特長は、散逸粒子系の動きをコンピューターシミュレーションで再現し、レオロジーやメカニクスなど力学特性を理論的に予測することです。粉粒体など散逸粒子系を扱う現場において、これら「再現」と「予測」が活用されることを期待しています。
例えば、製薬や食品加工など粉粒体を扱う様々な工学プロセスを分子動力学計算で再現すれば、試験に必要な機材や試料にかかるコストを大幅に削減できるかもしれません。また、理論的な予測に基づいた、全く新しい商品開発の可能性もあります。

人 文 学■ Kuniyasu Saitoh, Vanessa Magnanimo, andStefan Luding, “A Master equation for theprobability distribution functions of forces insoft particle packings”, Soft Matter 11, 1253
（2015）.

社 会 科学■ Kuniyasu Saitoh and Hideyuki Mizuno,“Anomalous energy cascades in dense
granular materials yielding under simple sheardeformations”, Soft Matter 12, 1360（2016）.

共同研究等へのニーズ Need for joint research
分子動力学計算や非平衡統計力学はあくまで理論的な研究手法であり、実際にある多様な物理的要因の全てを考慮している訳ではありません。従って、研究成果を実用に移すには、実物を使った実験や試験が必要不可欠です。これを可能にする大学や企業（製薬や食品関連など）の研究機関との共同研究へのニーズは非常に高いと言えます。なお、
本研究ではこれまでに、海外ではデルフト工科大学とトゥエンテ大学、国内では東京大学、京都大学、大阪大学、名古屋大学との共同研究実績があります。

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