柔らかい粒子の集束メカニズムを解明する新たな理論と実験

研究の概要

大阪大学、理化学研究所、関西大学、岡山大学からなる研究チームが、最新のスーパーコンピュータ「富岳」を活用し、マイクロ流路内での柔らかい粒子の集まり方を解明しました。この研究は、液体の中での粒子の動きにおける新たな原理を示し、特に細胞の選別やがんの診断など、医工学分野における応用が期待されているのです。

研究の背景と重要性

従来、マイクロ流路における粒子の研究は、硬い粒子に重点が置かれることが多く、細胞のような柔らかい粒子に関する理解は不足していました。これまでは、数値計算による予測は存在したものの、実験的検証が乏しく、偏った知見に留まっていたのです。そのため、柔らかい粒子の挙動を解明するためには、より詳細な研究が必要でした。

研究の結果

今回の成果として、研究チームは、柔らかいヒドロゲル粒子をマイクロ流路内で観察し、その粒子は慣性や変形によって流路の中心や対角線上に集束することを示しました。一方、硬い粒子は流路の壁に近づく傾向にあることが確認されました。さらに、大規模な数値計算と新しい理論モデルを用いて、集束パターンの変化メカニズムを明らかにしました。

具体的には、レイノルズ数やキャピラリー数をパラメーターとする相図を作成し、その中で「相転移」が起こる条件やメカニズムを解明しました。これにより、柔らかい粒子の流体力学的特性が新たに浮き彫りになったのです。

今後の展望

この研究の成果は、次世代のマイクロ流体デバイスの開発に資する可能性があります。特に、液体中の細胞や粒子の変形を利用した高効率な細胞選別技術は、がんの早期発見などに寄与することが期待されています。つまり、この技術が実用化されれば、医療現場での診断精度の向上に繋がるかもしれません。

研究に寄与したチーム

今回の研究には、多くの大学院生や研究者が関与しており、特に大阪大学の廣畑佑真さんや、杉山和靖教授が重要な役割を果たしています。廣畑さんは、スーパーコンピュータを使用した計算の難しさについて述べ、複雑な流体の現象を一定の理論で説明できることの面白さを強調しました。彼はこの研究が未来の医学に貢献することに誇りを持っています。