ソフトマター物理学特論

Selected Topics in Softmatter Physics

998E205

84PHBCS503

住野　豊

Yutaka Sumino

2023年度後期

2023 Second Semester

火曜2限

Tuesday 2nd period

先進工学研究科　物理工学専攻

Department of Applied Physics, Graduate School of Advanced Engineering

2.0単位

講義

Lecture

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対面授業/On-site format

ソフトマターとは，高分子・液晶・界面活性剤を総称する対象である．これらは構成要素がμm程度の中間構造を持ち，これらの要素間の相互作用が主にファンデルワールス力により行なわれることから，柔らかでゆっくりとした応答をもつ．このようなソフトマターに対して物理学的にアプローチするには，流動を取り扱う連続体力学が必須となる．また，非平衡状態が容易に実現されることから非平衡物理学の知見や，その応答が非線形となることから非線形動力学の基礎が重要となる．本講義では，以上のような連続体力学・非平衡物理学・非線形動力学の知識を供給しつつ，ソフトマター物理学への入門を紹介する予定である．

Soft matter is a general concept including polymer, liquid crystal and surfactant. These materials have µm-scale mesoscopic structures. Hence, soft and slow response is realized due to the fact that the relevant interaction is Van der Waals interaction. In order to treat such soft matter, the idea of continuum mechanics is essential. Furthermore, the concepts of nonequilibrium physics and technics of nonlinear dynamics must be acquired since nonequiliburium condition, as well as nonliner response is easily appear in soft matter. In this lecture, the knowledges on continuum mechanics, nonequilibrium physics, and nonlinear dynamics will be provided as well as the introduction to the soft matter physics.

ソフトマター，すなわち高分子・液晶・界面活性剤の特徴・応用例を理解する．また，連続体力学・非平衡物理学・非線形動力学の知見を得ることで，それぞれの研究分野で応用できる数理的能力を得る．

We aim to provide the comprehensive idea on the character and the application of soft matter, i. e. polymer, liquid crystal, surfactant. In addition, useful mathematical method, generally applicable to the other physics fields, will be presented, such as, continuum mechanics, nonequilibrium physics, and nonlinear dynamics.

(1) 連続体力学の基礎を把握する．
(2) 揺らぎを含む系の取り扱いを理解する．
(3) 線形安定性，および弱非線形解析の仕組みを理解する．
(4) 高分子の特徴を理解する．
(5) 液晶の特徴を理解する．
(6) 界面活性剤の特徴を理解する．

Students will be acquire following knowledge:
(1) basics of continuum mechanics
(2) treatment of the system with thermal fluctuation
(3) method of linear stability and weakly nonlinear analysis
(4) character and application of polymer
(5) character and application of liquid crystal
(6) character and application of surfactant

学部レベルの電磁気学，古典力学，量子力学， 統計力学および物理数学を前提とする．
Basic knowledge of physics at the undergraduate level is required; i. e. E & M, Classical Mechanics, Quantum Mechanics, Statistical Mechanics, as well as Mathematical methods in Physics.

小テストの実施　Quiz type test

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準備学習：教科書の該当部分を必ず読んでくること．
復習：演習問題を解くこと（週２時間程度）．
各回ごとに具体的な準備学習・復習については指示する．詳細は「授業計画」を参考にすること

Preparation: Read indicated pages in textbook.
Review: Solve given homeworks
Detailed contents of preparation and review will be announced in each lecture. See also "class plan".

小レポート：60点，中間レポート：20点，期末レポート：20点
Quiz 60%, mid report 20%, final report 20%

・S：到達目標を十分に達成し、極めて優秀な成果を収めている
・A：到達目標を十分に達成している
・B：到達目標を達成している
・C：到達目標を最低限達成している
・D：到達目標を達成していない
・-：学修成果の評価を判断する要件を欠格している

・S：Achieved outcomes, excellent result
・A：Achieved outcomes, good result
・B：Achieved outcomes
・C：Minimally achieved outcomes
・D：Did not achieve outcomes
・-：Failed to meet even the minimal requirements for evaluation

N

講義中に適宜指示する．参考書も参照のこと．

土井正男「ソフトマター物理学入門」（岩波書店）

巽友正　「連続体の力学」 (岩波基礎物理シリーズ)
H. Risken 「The Fokker-Planck Equation: Methods of Solution and Applications」 (Springer Series in Synergetics)
森肇, 蔵本由紀 「散逸構造とカオス」(岩波書店)

1 イントロダクション
内容：本講義のながれを俯瞰する

2,3　電磁気学の復習と連続体力学入門
内容：古典場の理論を復習し，連続体の基礎を学ぶ．

4: 非線形動力学入門　
内容：線形安定性解析と弱非線形解析に関して学ぶ．

5,6:　高分子物理学(溶液)入門
内容：高分子物理学とくに高分子溶液の物理学に関して学ぶ．

7, 8:　高分子物理学（弾性体）入門
内容：高分子物理学とくに高分子溶液と高分子弾性体の物理学に関して学ぶ．

9, 10:　液晶の物理学入門
内容：液晶の物理学特にその秩序変数の取り扱いに関して学ぶ

11: 回転ブラウン運動と熱揺らぎ
内容：揺らぎのある系の取り扱い，特に回転拡散の影響を学ぶ．

12:　界面活性剤の物理学入門
内容：界面活性剤の物理的な観点に関して学ぶ．

13, 14: ゲルの物理学入門
内容：弾性と媒質内の流動の結合に関して学ぶ

15:　アクティブマター入門
内容：アクティブマターの特性，およびその理論的側面に関して学ぶ．

1: Introduction
Contents： General introduction of the present course.

2,3: 　Review of E&M and introduction to continuum mechanics
Contents： Review the notion of classical field theory and learn the basics of continuum mechanics

4: Introduction to nonlinear dynamics　
Contents： Learn linear stability analysis and weakly nonlinear analysis．

5,6:　Introduction to polymer physics (solution)
Contents：　Polymer physics, especially physics on polymer solution will be presented.

7,8:　Introduction to polymer physics (melts)
Contents：　Polymer physics, especially physics on polymer melts will be presented.

9, 10:　Introduction to physics of liquid crystal
Contents： Physics on liquid crystal and its order parameter.

11: Introduction to Brownian motion and thermal fluctuation
Contents：Themal fluctuation especially focused on rotational Brownian motion.

12:　Introduction to physics of surfactant
Contents： Physics of surfactant and surfactant solution.

13, 14: Introduction to physics of surfactant
Contents： chemomechanical coupling in gels

15:　Introduction to active matter
Contents： Character and theoretical aspect of active matter

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