講義の概要・今後の進め方・
ソフトマターとは？
九州大学大学院工学研究院機械工学部門
准教授
山口
哲生
ソフトマター工学・第１回 2019年４月１6日（火） 1自己紹介
山口 哲生（やまぐち てつお） 47歳 男 趣味：ランニング（草レース優勝2回，入賞１回），スノーボード 略歴（研究分野） 1990年：県立熊本高校卒業 1994年：京都大学工学部卒業（石油化学科，理論化学） 1996年：東京大学大学院修士課程終了（広域科学専攻，理論物理学） フリーター，サラリーマン（金融系シンクタンク，タイヤメーカー） を経て， 2007年：東京大学大学院博士課程修了（物理工学専攻，ソフトマター物理学） 2007年：École Supérieure de Physique et de Chimie Industrielles博士研究員（ソフトマター物理学）
2007年～2011年：東京大学工学部物理工学科助教（ソフトマター物理学） 2011年～：九州大学バイオメカニクス研究センター（バイオエンジニアリング）
2012年～：九州大学大学院工学研究院機械工学部門 准教授（ソフトマター物理学）
2014年～15年：東京大学地震研究所 客員准教授
2015年，2016年：招へい教授 (EPFL (Switzerland), Université de Lyon 1 (France)) 専門分野
やわらかい物質（
ソフトマター
）の
物理学
統計物理学，非線形物理学，地震発生物理学，接着の科学，
本日のおはなし
１．自己紹介
２．講義の概要
３．講義の計画
４．成績評価の方法
５．教科書・参考図書
６．ソフトマターとは？
７．本日のまとめ
3講義の概要
この講義では，「ソフトマター」に関する基礎および工学的応用について 紹介する． ソフトマターとは？ “やわらかい”物質の総称（後ほど詳しく説明） 物質による分類：高分子，コロイド，液晶，界面活性剤，… 形態による分類：ゴム，ゲル，オイル，粉体，泡，二重膜，関節軟骨，…講義の概要
ソフトマターの概要を述べた後，ゴム弾性，ゲル，レオロジー，
表面張力・濡れ，接着の各事項を説明する．その後，工学とソ
フトマターとの関わりを示す例として，オイル，ゴム，コロイ
ド，界面活性剤などを取り上げる．最後に，地球科学現象，ア
クティブソフトマター，メカニカルメタマテリアル，オリガミ
工学等，最近関心を持っているいくつかのトピックを紹介する．
5講義の計画
初回（本日）：講義の概要，今後の進め方，ソフトマターとは？ 第2回（4月23日）：高分子弾性体 第3回（5月7日）：高分子弾性体(2) レポート課題① 第4回（5月14日）：高分子弾性体(3) 第5回（5月21日）：レオロジー入門 第6回（5月28日）：レオロジー入門(2) レポート課題② 第7回（6月4日）：界面の熱力学 第8回（6月11日）：界面の熱力学(2) 第9回（6月18日）：接着の力学 レポート課題③ 第10回（6月25日）：最近の話題 第11回（7月2日）：最近の話題(2) レポート課題④ 第12回（7月9日）：最近の話題(3) 第13回（7月23日，最終回）：まとめ ※シラバスとは少しだけ異なります 6講義の進め方
• パワーポイントの資料や論文などを用いて講義を 進める． • ただ聞いているだけでは理解が不十分になること が懸念されるため，数式の導出のところは空白に しておき，講義中にそれを埋めるようにする． • 講義資料は，下記の設計工学研究室HPから 各自ダウンロードしてもらうようにする． http://www.mech.kyushuu.ac.jp/~design/lecture.html 前日までにアップする予定. • 質問などあればいつでも（講義前・中・後）可能． • こちらから理解の程度を探る質問をするかもしれ ない． • 講義の冒頭で，前回の内容を確認する問題を出す かもしれない． 7成績評価の方法
（昨年度）
• 試験は実施しない． • 出席点＋レポートで成績を評価する．✓ 毎回出席をとる（氏名・学籍番号を書いてもらう）．
✓ 第3回，第６回，第９回，第1１回の講義の際に，内容に因んだ レポート問題を課し，それを加点の材料とする． （レポートで差別化を図る）出席：60点，レポート：40点
成績評価の方法
（今年度）
• 試験は実施しない． • 出席点＋レポートで成績を評価するが，出席は取らない． • 第3回，第６回，第９回，第1１回の講義の際に，内容に因んだ レポート問題を課す．出席：40点，レポート：60点（15点満点 X ４）
注意事項： • 友人同士の議論や共同実験を奨励する．ただし，結果を共有する場合 は，写真・図などを作成した全員の氏名をレポートに記載のうえ，文 章はかならず各々が作成すること． • 他人の文章をコピー・ペーストしたことが発覚した場合には，他人の もの（オリジナル）も含めて0点とし，未提出とみなす． 9参考図書
10 教科書は指定しないが，以下の図書を一読することを薦める. １．科学は冒険 講談社ブルーバックス ピエール＝ジル・ドジェンヌ 他著，西成，大江訳２．ソフトマター物理学入門 土井正男著 岩波書店
３．表面張力の物理学 D. ケレ 著，奥村剛訳，吉岡書店 ４．ヤモリの指 ピーター・フォーブス著 吉田三知世訳，早川書房 ５．ムースの物理学 イザベル・カンタ他著 梶谷・武居・竹内・山口訳 奥村監訳，吉岡書店ソフトマター ＝
ソフト（やわらかい）＋マター（物質）
（cf. ダークマター ＝ ダーク（暗黒）＋マター（物質）） ソフトマターとは，高分子，コロイド，液晶，界面活性剤などからなる “やわらかい”物質の総称． フランスのPierre-Gilles de Gennes が彼のノーベル物理学賞 授賞式 （1991）で紹介したことから，広く名称が知られるようになった．ソフトマターとは？
Pierre-Gilles de Gennes (1932-2007) 11 Ａ．高分子(polymer) モノマーと呼ばれる分子が共有結合によって 長く繋がってできたひも状の分子．モノマー の数は数100から数万，ときには数千万にな ることもある． 高分子の例 ポリエチレン（ビニール袋の材料），ＤＮＡ 直線（直鎖）状の高分子(a)だけでなく，分 岐高分子(b)や，網目状高分子(c)も存在する．ソフトマターとは？（２）
Ｂ．コロイド(colloid) 固体（あるいは液体）の微小な粒子（または 液滴）を（他の）液体中に分散させた物質． 微粒子の大きさは数nmから１μｍ程度であ り，それを構成する原子に比べてはるかに大 きい．分散している粒子を分散質，それを取 り囲んでいる液体を分散媒という． コロイドの例 牛乳，絵の具，化粧品 固体微粒子からなるコロイドは， 低濃度 ⇒ 液状（ゾル） 高濃度 ⇒ 固体状（ゲル） のように状態が変化する． Ex. 絵の具が乾くとカチカチになる． 牛乳に酢を入れると固形分が凝集する．
ソフトマターとは？（３）
13 Ｃ．液晶(liquid crystal) 「液体」と「結晶」の中間的な性質をもった 物質の状態． 例：棒状分子 (a) 結晶 配向も重心位置も規則的 (b),(c) 液晶 配向は規則的，重心位置はランダム (d) 等方性液体 配向も重心位置もランダムソフトマターとは？（４）
14Ｄ．界面活性剤(surfactant) 水と油のどちらの液体にも溶ける物質．水と 油との界面がある場合には，そこに集まるこ とで界面を安定化することができる．また， 水や油の中に存在するときには，ミセルと呼 ばれる会合体（自分で集まってできた構造） を作る． 例：洗剤 水の中に油汚れがあると，それらの界面に入 り込んで界面を安定化（面積を広げようと） する．その結果，油が微細化して水の中に分 散し，油汚れが落ちる． 例２：細胞膜 水の中に脂質でできた二重膜を形成することで， 細胞内部を外的環境から隔てることができる．
ソフトマターとは？（５）
15 E．粉体(granular matter) 粉，粒などの集まったもの（集合体）．粉 （粒）の間の空間（空隙）を占める媒質も含め て一つの集合体と考える．個々の粉，粒は固体 であるが，集合体としては流体（液体）のよう に振る舞う場合がある．砂の振る舞いは一つの 例と言える． 例 土砂，セメント，小麦粉，コロイド，磁性流体， 磁気テープなどに塗布する磁性の（超）微粉末，ソフトマターとは？（６）
F．交通流(traffic flow)，群れ 車や人の集団も（アクティブな）粉体とみな せるという意味で，ソフトマターである． アクティブソフトマターと呼ばれる． 例 車の流れ，群集，鳥の群れ，渋滞 渋滞に関する研究分野は「渋滞学」と呼ばれ， 様々な分野から関心をもたれている．
ソフトマターとは？（７）
西成著「渋滞学」 17身の回りにあるソフトマターをいくつか挙げて
みましょう．
少し考えてみてください
たとえば， いま： 自分の体（高分子，界面活性剤），衣服，靴，消しゴム，液晶，… 朝： 布団，歯磨き粉，洗顔フォーム，牛乳，パン，コンタクトレンズ，… 通学時： タイヤ，椅子，ゴムブッシュ，植物，交通渋滞，… 大学： 野菜，うどん，ゼリー，ソフトクリーム，果物，人混み，… 夜： 液晶テレビ，こんにゃく，ちくわ，シャンプー，ボディーソープ，…やわらかさ（かたさ）はどうやって知るの？ 対象となる系（物体）にある大きさの変形（伸び） を与え，それにかかる力を測定する，または， ある大きさの力を加え，変形の大きさを測定する． 例：バネの硬さ（バネ定数 k）の測定
𝑘 =
𝐹 𝑋（フックの法則）
X : バネの変形の大きさ（入力） F : バネに加わる力の大きさ（出力） バネ定数は，バネの太さや長さによって変化してし まうため，物質のやわらかさを表現するのに適して いない． ⇒弾性率
という量を用いる．やわらかさの指標
X F 図：バネの力と伸びの関係 19 傾き k = バネ定数 硬い やわらかい 弾性率（ヤング率）E [Pa] 𝜎 =𝐹 𝐴: 物体に加わる応力 𝜀 =𝑋 𝐿：物体に加わるひずみ とすると，𝐸 =
𝜎 𝜀 と定義される． バネ定数kと弾性率Eとの関係は， 𝑘 = 𝐹𝑋=𝜎𝐴𝜀𝐿= 𝐸𝐴𝐿やわらかさの指標
F 断面積 A もともとLの 長さの柱がX 伸びる 弾性率 [Pa] 金属 11やわらかいことで何が起こるか？
弱い力で大きく変形する．
弱い力とは：外力，重力，表面張力，化学力など
※素粒子の間に働く4種類の力（重力，電磁力，弱い力，強い力）の ひとつではない！ ソフトマターの物理学は，物性物理学の主役である金属や半導体とは 異なり，さまざまな弱い力によってうまれる物質の構造や運動，機能 を研究する学問分野である． ソフトマター物理学を研究するメリット 一見分かっているようでいて，実は未解明な現象が多い！ 見ていて面白い！ソフトマターの特徴
機能（動き）としての特徴 系に力を加えると，集団としての形で一斉に 動き出す．その結果，以下の特徴が現れる． （１）非線形性 通常の物質では，加えた力に比例した変形の 応答が現れる（線形弾性），または加えた力 に比例した流動（ニュートン粘性）が現れる が，ソフトマターでは，力と変形・流動の関 係が多くの場合非線形となる． 例：ゴム弾性，シアシニングソフトマターの特徴（２）
ひずみ，あるいは ひずみ速度 応力 線形弾性，ニュートン粘性 ゴムの1軸伸張における応力-ひずみ曲線 22 せん断速度-せん断応力曲線（２）非平衡性 物質に一定の外場を加えると，ある時間 （緩和時間）を経た後に平衡状態に落ち着く． 通常の液体では10-9秒程度と非常に短いが， ソフトマターでは1秒～106秒にもなりうる． したがって，ソフトマターでは平衡状態から 離れる（非平衡状態）にあることが多く，そ の動的挙動が重要になってくる．
