2025年10月29日

北大「応力光学法則の適用限界」を解明

【カテゴリー】：ファインケミカル 【関連企業・団体】：北海道大学

北海道大学工学研究院の田坂裕司教授らの研究グループは29日、複屈折による光弾性計測を複雑な流体の非定常せん断流れに用いた場合、呈する干渉色とその時間変化が、必ずしも局所の流れのひずみやひずみ速度などと一致しないことを、精緻な流れの計測により明らかにしたと発表した。 　この結果は、現在開発が進む、光弾性を用いた流れの応力場計測法とその適用に一石を投じるものであり、新たな開発の指針とさらなるイノベーションがもたらされることが期待される。 　様々な機能性を持つゲルなどの「柔らかい材料」に可能性が広がっている。材料の生産性を向上させるには、生産工程で生じる材料の流動状態を把握することが重要だが、その方法として現在、プラスチックなど固体材料の計測で用いられる、複屈折による光弾性計測を流動体に適用する研究が進められ、「複雑な流体の瞬時応力場計測が可能」になる夢の技術として注目されている。複雑な内部ミクロ構造を持たない単純な流体に対しては、確かに数値計算などと一致する結果が得られる一方で、答えの分からない複雑な流体に対してもたらされる結果は、実際に何が計測されているのか不透明なままの状態が続いていた。 　今回、研究グループは別途複雑流体の物性計測のために用いてきた、振動回転する円筒容器内の流れに対して精緻な流れ計測を行い、瞬時のひずみ速度場とその時間変化を定量化した。制御性と再現性に優れた流れの装置を用いることで、光弾性計測の応用対象である高分子水溶液などの複雑流体に対して、光学パターンとして得られる複屈折（ミクロ構造の状態に対応）との直接比較・評価をすることが可能となった。 　実験の結果、これまで「対応する」と言われてきた瞬時の複屈折と局所ひずみ速度は一致せず、位相を調整した変動や、ひずみに相当する積分値、時間変動の実効値のどれをとっても結果は同じだった。つまり、「複雑な流体の非定常なせん断流れに対しては、複屈折からはひずみ速度場、ひいては応力場は計測できない」ことを意味する。この原因を探るため、思考実験とそれに伴う検証実験を行い、少なくとも複屈折とひずみ速度が実効値のレベルで一致するためには、計測対象の複雑流体が、弾性を持つような十分に長い緩和時間を持つことが必要であることを示した。 　同研究成果は10月24日公開の「Nature Communications」誌に掲載された。 （詳細） https://www.hokudai.ac.jp/news/pdf/251029_pr.pdf