大阪大学サイバーメディアセンターのユリアン・ジン招へい准教授と吉野元准教授は、ピエールフランチェスコ・ウルバニ博士（パリ大学サクレー校）、フランチェスコ・ザンポニ博士（パリ・エコールノルマル）とともに、コロイドのガラス状態に変形を加えて流動化させるコンピューターシミュレーションを行った結果、コロイド粒子が渋滞を引き起こし、流動化しなくなる現象（シアジャミング ）を発見しました。本研究により、コロイドなどソフトマターの力学的性質の基礎的理解が進むことが期待されます。

本研究成果は、米国科学誌「Science Advances」に、12月8日（土）午前4時（日本時間）に公開されました。

図1　シアひずみによる(I)降伏現象と(II)シアジャミング現象
(I),(II)ともに、小さなひずみに対しては、応力σが比例して増加し、弾性的に振舞っている。十分大きなひずみに対して(I)の場合は、「降伏」して応力が大きく降下し、(II)の場合では応力が逆に急上昇してジャミングする。ひずみをサイクル状にかけると、小さなひずみに対しては可逆的なのに対し、γ _G を越えると、雪崩的な塑性変形が発生して部分的な非可逆性を示す。降伏線を超えると完全に不可逆になる。左パネル右側は、模式的なエネルギー地形 の図。降伏すると、となりの谷に遷移する。シアジャミングは、エネルギーの垂直な壁があることを意味する。

コロイドはマイクロメーターの大きさを持つ粒子の集まりです。コロイドを分散させた溶液で、コロイド粒子の密度を高めていくとガラス状態(アモルファス固体)になります。こうなるとコロイド粒子は、まわりの粒子たちに囲まれた籠状の限られた狭いスペースの中でしか動けなくなります。さらに圧縮していくと、粒子が全く身動きできない「すし詰め状態」になります。これが一般に「ジャミング」と呼ばれる現象です。結晶の最密充填のガラス版、と言えるものです。この状態は、 図2 の横軸、垂直ひずみεの軸に沿った変化のみを考えた場合に発生します。今回、縦軸のシアひずみγ （図1右パネル参照） を含めて詳しい解析を行ったところ、これまでの常識を覆す結果が得られました。シアは、圧縮と異なって体積（密度）を全く変えず、形だけを変える操作です。固体はシアひずみを元に戻そうとする復元力を発生します。しかし十分大きなひずみを加えると「降伏」と呼ばれる破壊、流動化を示し、復元しなくなります。吉野准教授らの研究グループのシミュレーションでもこれは観測されました。ところが、場合によってはシアによってジャミングを起こし、流動化を阻止してしまうことがわかりました。これまで、このような「シアジャミング」は摩擦のある粉体では知られていました。しかし今回の系には摩擦がなく、シアジャミングに摩擦が必須ではないことが明らかになりました。重要なポイントは、今回用いた系が、非常に高密度で安定なガラス状態にあるということです。より低密度で不安定なガラスの場合、 図2 のジャミング線がより垂直に近づき、シアジャミングが起こらなくなることもわかりました。

関連する現象として、シアシック二ングと呼ばれる現象があります。これは、濃厚なコーンスターチで満たしたプールの上を走って渡るデモンストレーションなどで良く知られています。本研究により、コロイドなどソフトマターのレオロジーの基礎的理解が進むことが期待されます。

図2　高密度コロイドガラスの安定性マップ
パネル(A)は、高密度コロイドガラス状態（原点）に垂直およびシアひずみ （図1右パネル参照） を加えた場合の相図。例えば矢印(I)に沿って行くと 図1(I) のようにγ _Y で降伏し、その後はパネル(B)のように破壊面の上下がスライドする。一方、矢印(II)に沿って行くと 図1(II) のようにジャミング線γ _J で系は渋滞し、流動化が阻止される。また、ガードナー転移線γ _G を越えたところで、系はマージナル安定な状態になり、パネル(C)のようなある種の雪崩的な塑性変形を示し、 図1 に示した部分的な非可逆性が現れる。

摩擦なしの系でのシアジャミング現象は、理論的に予想されていましたが見つかっていませんでした。今回の研究では、安定な高密度のガラスが必須でした。これは、スワップ法 と呼ばれる最新のアルゴリズムと、最新のスーパーコンピューターの力を組み合わせることによって生成可能になりました。

ガラス（アモルファス固体）は未だ多くのチャレンジングな問題を物理学に突きつけています。一方、ガラスは液体と連続的につながっていることから、加工しやすく工業的に大変重要な材料です。本研究を契機に高濃度ソフトマターの基礎物理の理解が進むことは、材料工学にもヒントを与えると期待されます。

本研究成果は、2018年12月8日（土）午前4時（日本時間）に米国科学誌「Science Advances」（オンライン）に掲載されます。(オープンアクセス)

http://advances.sciencemag.org/content/4/12/eaat6387

タイトル：”A stability-reversibility map unifies elasticity, plasticity, yielding, and jamming in hard sphereglasses”
著者名：Yuliang Jin, Pierfrancesco Urbani, Francesco Zamponi and Hajime Yoshino

本研究は、「ゆらぎと構造の協奏：非平衡系における普遍法則の確立」(平成 25-29 年度科学研究費補助金「新学術領域」)の一環として行われました。また中国科学技術院、米サイモンズ財団の助成も受けています。本研究の数値計算には、大阪大学サイバーメディアセンターおよび計算科学研究センター（自然科学研究機構 岡崎共通研究施設）における大規模計算サーバー、スーパーコンピュータが用いられました。

Yuliang Jin招へい准教授は、現在、中国科学院理論物理研究所にて准教授として勤務しています。