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奥薗　透 (オクゾノ　トオル)

  • 薬学研究科コロイド・高分子物性学分野　准教授
メールアドレス： okuzonophar.nagoya-cu.ac.jp
Last Updated :2025/04/25

研究者情報

学位

  • 九州大学大学院理学研究科物理学専攻／博士（理学）

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J-Global ID

研究キーワード

  • シミュレーション   コロイド   ソフトマター   

研究分野

  • 自然科学一般 / 数理物理、物性基礎
  • 自然科学一般 / 生物物理、化学物理、ソフトマターの物理

学歴

  •         -   九州大学   大学院理学研究科   物理学専攻

所属学協会

  • アメリカ化学会   日本液晶学会   高分子学会   日本物理学会   日本薬学会   

研究活動情報

論文

書籍

  • 監修)中村, 浩; 山中, 淳平; 執筆)奥薗, 透 (担当:分担執筆範囲:第１章５ 荷電粒子によるコロイド結晶形成シミュレーション; 第２章３ 枯渇引力によるコロイド結晶形成・凝集体成長シミュレーション)シーエムシー出版 2020年05月 ISBN: 9784781315027 v, 251p, 図版21p
  • (編集)米持, 悦生; 近藤, 伸一; 山中, 淳平; (執筆)山中, 淳平; 奥薗, 透; 豊玉, 彰子 (担当:分担執筆範囲:序章１物理量と単位 ２物理量の数学的取り扱い ３よく使う数学のまとめ; 第２章１エネルギー ２自発的な変化)廣川書店 2017年04月 ISBN: 9784567223706 vii, 377p
  • 東京大学工学教程編纂委員会; 大岩, 顕; 奥薗, 透; 松野, 俊一; 岡, 隆史; 有田, 亮太郎 (担当:分担執筆範囲:１ ベクトル空間 ２ スカラー場、ベクトル場、テンソル場)丸善出版 2016年12月 ISBN: 9784621301012 xi, 172p
  • Kinoshita, Shuichi (ed); Junpei Yamanaka; Tohru Okuzono; Akiko Toyotama (担当:分担執筆範囲:Chapter 5 Colloidal Crystals)Elsevier 2013年 ISBN: 9780123970145 vii, 263 p.
  • 製剤への物理化学[第2版]
    廣川書店 2012年 
    共著

MISC

共同研究・競争的資金等の研究課題

  • 日本学術振興会：科学研究費助成事業
    研究期間 : 2021年04月 -2024年03月 
    代表者 : 山中 淳平; 奥薗 透; 豊玉 彰子
     
    サブミクロンからミクロンサイズの構造周期を持つ、ダイヤモンド型の結晶格子は、可視および赤外光を閉じ込める「完全フォトニック結晶」として働くことが知られ、実用化が待望されている。本研究では、最近開発した「2次元の負荷電コロイド結晶」を第1層とし、その上に正・負の荷電コロイド粒子を交互積層する新規手法を用い、数層以上の繰り返し単位を持つ、シート状ダイヤモンド格子を構築する。本研究では粒子間の相互作用と摩擦力を最適化することで、光学特性評価が可能な、一辺がmm以上の断面を持つ格子を作製するための方法論を確立する。 令和３年度は、粒子間静電相互作用と摩擦力の調節による２層目構造の大面積化を検討した。表面修飾が容易なシリカ粒子（市販）を一層目として用いた。また、カチオン性のシランカップリング剤を用い、正電荷を導入したシリカ粒子を２層目粒子に用いた。顕微鏡観察により１、２層目を識別するため、２層目粒子には赤色蛍光色素を導入した。各層の粒子サイズは500nmおよび1μmの２種類とした。 まず、基板の表面電荷数を最適化し、１層目粒子（負に荷電）のコロイド結晶を、mm オーダーの領域に渡って吸着させることに成功した。次に、２層目粒子の吸着位置に対する添加塩濃度依存性を検討し、２層目粒子の規則性（ボンド配向パラメーター）が完全に規則的な場合の９０％に達する積層構造を得た。現状ではおよそ100μm四方に渡って規則的に２層目が吸着した構造が得られている。 このほか、界面活性剤や高分子を添加して粒子表面を修飾し、粒子間の摩擦力を調整する手法を検討しているが、複数の粒子を橋渡しして凝集を生じる場合があり、濃度条件などを改善する必要がある。 また、当初は２年目以降に計画していたが、平面波展開法によるバンド構造の計算を開始した。単層ダイヤモンドのフォトニックバンドの周波数域と粒径、屈折率の関係について、予備的な結果を得た。
  • 日本学術振興会：科学研究費助成事業
    研究期間 : 2018年04月 -2022年03月 
    代表者 : 奥薗 透; 豊玉 彰子; 山中 淳平
     
    表面で化学反応が進行する荷電コロイド粒子の拡散泳動のメカニズムを提案した。粒子とそれを取り囲む弱電解質溶液のダイナミクスを記述する理論的なモデルを構築した。理論解析および数値シミュレーションによって、粒子の泳動は電解質の濃度勾配に対する応答として生じることを明らかにした。濃度勾配が表面電荷の粒対称性を破ることにより、粒子に働く力を生じ、粒子の方向性をもった運動を導くことを示した。また、電解質濃度勾配の無い系において、粒子に一定の速度を与えると、その速度の方向に静電気力が生じ、見かけの粘度が小さくなることを示した。
  • 日本学術振興会：科学研究費助成事業
    研究期間 : 2018年04月 -2021年03月 
    代表者 : 豊玉 彰子; 奥薗 透; 山中 淳平
     
    コロイド系は、これまで原子系の結晶化モデルとして広く研究されてきた。しかし、コロイドでモデル化できる普遍的な現象と、原子系には見られないコロイド系に特有な現象の区別が、必ずしも明確でない場合もある。今回我々は、コロイド粒子間に引力が働く”引力系コロイド”を利用して検討を行った。 枯渇引力コロイド系では、結晶構造の内外において、depletantの存在の有無によりその相互作用は全く逆になることが明らかになった。また、その結晶化に対する粒径の影響を検討した結晶の形状は、粒子間ポテンシャルから導かれた、ステップエネルギー密度により説明できると思われる。
  • 日本学術振興会：科学研究費助成事業
    研究期間 : 2017年04月 -2020年03月 
    代表者 : 山中 淳平; 奥薗 透; 豊玉 彰子
     
    数個―10個程度のコロイド粒子の会合体は、会合モデル系として、また高次集合構造の基本ユニットとして、世界的な注目を集めている。特に正４面体型の会合体は、光閉じ込めが可能なダイヤモンド格子の構成単位として重要である。このような会合体は、正・負荷電粒子のクーロン引力により作製できるが、粒子間の摩擦力のため、結合角は不均一であった。 本研究では、粒子表面の高分子修飾やクーロン力の大きさを調節することで摩擦力を制御し、対称性に優れた会合体の構築に成功した。また、平面基板への粒子吸着挙動との対応も検討した。本研究成果を元に、国際宇宙ステーションでの会合形成実験が2020年に実施予定である。
  • 日本学術振興会：科学研究費助成事業
    研究期間 : 2012年04月 -2015年03月 
    代表者 : 山中 淳平; 奥薗 透; 豊玉 彰子
     
    本研究では、正負電荷を持つコロイド粒子が静電力で結合し、正4面体型などに配列したクラスターを構築した。本クラスターは異方的結合性を持ち、かつ量産が可能であり、その自己集合により、新規構造の構築が期待できる。３年間の検討により、正負電荷２成分系で、孤立した正四面体状のクラスター形成条件（各成分の粒子濃度、濃度比、粒径比）を明らかにした。会合数に及ぼす電荷の影響については、計算機シミュレーションによっても検討した。また、イオン性界面活性剤の吸着を利用することで、粒子の電荷数を連続的に変化でき、会合数の調整が行えることを明らかにした。クラスター同士の集合による高次構造の作成を継続検討中である。
  • 日本学術振興会：科学研究費助成事業
    研究期間 : 2006年 -2010年 
    代表者 : 土井 正男; 奥薗 透; 山口 哲生; 山上 達也
     
    固体基板上の高分子溶液の乾燥過程における薄膜形成のメカニズムおよび乾燥後の薄膜形状の予測・制御に関する実験および理論・シミュレーションによる研究を行い、以下の成果を得た。蒸発速度に対する弾性効果を考慮し、乾燥時に溶液の表面にできるゲル状の皮膜の形成条件を明らかにした。薄膜形状の初期条件依存性および気相中の蒸気の影響を明らかにした。薄膜形状の制御に関するいくつかの方法を提案した。
  • 日本学術振興会：科学研究費助成事業
    研究期間 : 2006年 -2010年 
    代表者 : 太田 隆夫; 渡辺 宏; 今井 正幸; 佐野 雅己; 川勝 年洋; 加藤 直; 好村 滋行; 奥薗 透
     
    本特定領域研究総括班は、研究計画全般を円滑に推進するために、「分子凝集構造のダイナミクス」、「構造転移のダイナミクス」、「非平衡構造のダイナミクス」、「理論・モデリング」の4つの研究項目を設定し、計画全体を大局的な視点から企画、指導、評価して必要な調整を行い、互いの連携を図りながら、一つの学際領域を確立した。また、計画研究では欠けている部分を公募研究によって補足しながら、領域全体として大きな展開を図り、新しい研究分野を開拓した。具体的には、研究成果の情報交換を目的とした研究会の開催や、ホームページの運営、報告書の作成、出版などの広報活動を行った。
  • 日本学術振興会：科学研究費助成事業
    研究期間 : 2006年 -2009年 
    代表者 : 奥薗 透
     
    高分子溶液の蒸発過程において、表面に形成されるゲル状の膜に関する理論的考察により膜形成の条件を明らかにした。ゲル化に伴う弾性効果を考慮した蒸発速度に対する理論式を導出し、ゲル化により蒸発速度が低下することを説明した。接触線が固定された固体基板上の高分子液滴の乾燥過程を記述するモデルを提案し、乾燥後の膜形状を理論的に予測した。また、複数の液滴の乾燥過程に関する数値シミュレーションを行い、液滴間の干渉効果を議論した。
  • 日本学術振興会：科学研究費助成事業
    研究期間 : 2001年 -2003年 
    代表者 : 太田 隆夫; 野々村 真規子; 坂元 国望; 三村 昌泰; 今井 正幸; 小林 亮; 奥薗 透
     
    材料科学におけるマクロ、および、ミクロなパターン形成に関する数理モデルの提案、その理論解析、および、数値シミュレーション法の開発を行った。具体的には高分子系のメソフェイズ形成と構造間転移の理論の構築とその数値シミュレーションを行い、実験との比較検討を行った。また、電荷コロイド粒子系のオーダリングの大規模計算機シミュレーションを行い、新しい不安定性を発見した。これは、実際に次世代ディスプレー開発にとって有効な成果である。結晶成長では、フェイズフィールドモデルをグレイン境界のダイナミクスを表現するよう拡張し、実験でみられているグレイン境界の運動を理解することができた。また、その数学的基礎に関する考察も行った。反応拡散方程式やAllen-Cahn方程式から界面や境界の運動方程式を導出する縮約理論を発展させた。グローバルな結合をもつ保存系の相形成キネテックスの研究を行った。さらに、化学反応相分離系でのドメインダイナミクスの数値シミュレーションと理論解析、および、周期外力のもとでの同期現象の研究を行った。反応拡散系では、空間的に非一様な場合の界面やパルスのダイナミクスの数値計算と特異摂動法による解析を行った。走化性をもつバクテリアコロニーのパターンを理解するための数理モデルを導入し、その数値シミュレーションで、一見複雑にみえるパターン形成の本質を解明した。 これら、材料科学とそれと関係する生命系に現れるさまざまな非平衡自己組織パターンの統一的理解に向けて、応用数理と理論物理、実験が互いに協力したユニークな研究体制のもとで、最初の計画をはるかに上回る研究成果を挙げることができた。
  • 日本学術振興会：科学研究費助成事業
    研究期間 : 2001年 -2003年 
    代表者 : 太田 隆夫; 野々村 真規子; 奥薗 透
     
    ソフトマテリアルのこれからの重要な課題の一つは、特徴的なメゾ構造が熱平衡から遠く離れた非平衡状態におかれたときにいかなる自己組織的ダイナミクスが発現するかという問題であろう。この問題意識のもとに化学反応を伴う3成分混合系のモデル方程式を導入し、相分離で形成されるドメインの相互作用とダイナミクスを調べた。このモデルは有限波数でホップ分岐を起こすのが特徴である。2次元数値シミュレーションによると、分岐点を超えなところで伝搬する縞模様や3角格子構造スポットが現れた。伝搬する縞構造と定在波としての縞構造の安定性を振幅方程式で解析した。また、外から時間的変調を与えたときの伝搬構造の安定性と引き込みについてもシミュレーションと理論解析で研究した。 高分子共重合体のミクロ相分離構造形成については多くの実験と理論的研究が行われてきた。しかし、剛直な高分子と柔軟な高分子が共有結合によって結ばれたブロック共重合体に対するミクロ相分離のモルフォロジーとダイナミクスについてはそれほど理論的に解明されていない。われわれはロッド・コイル共重合体の相分離モデルを導入し、2次元で数値シミュレーションを行い、相分離ドメイン形成におけるロッド部分の弾性効果を詳細に調べた。 さらに、柔軟なブロックから成る2元共重合体の3次元形態転移のダイナミクスを調べるため、2モード近似を適用して、ダブルジャイロイド構造に対する振幅方程式を導出し、ラメラ構造やヘキサゴナル構造への転移の数値シミュレーションを行った。
  • 日本学術振興会：科学研究費助成事業
    研究期間 : 2001年 -2002年 
    代表者 : 奥薗 透
     
    3成分の化学反応系における相分離現象を記述するモデルを提案し、それに基づく数値シミュレーションを行った。このモデルは、相分離における自己組織構造が伝搬する最も簡単かつ本質を捉えたモデルであると考えられ、有限波数でHopf分岐を示すことが特徴である。このモデルに対する2次元のシミュレーションを行った結果、進行するラメラ構造および進行するヘキサゴナル構造が現れることが示された。また、進行するラメラ構造および進行するヘキサゴナル構造の出現は、それぞれ超臨界および亜臨界の分岐現象であることが数値的に明らかとなった。 進行するラメラ構造に関して、分岐点近傍において、モデル方程式から逓減摂動法により、振幅方程式を導出した。この振幅方程式の進行波解の安定性解析を行うことにより、進行波は安定に存在し得るが、定在波は安定に存在し得ないことが示された。 このモデルに含まれるパラメータのひとつ(化学反応速度定数)を外部から時間的に振動させるシミュレーションも行った。その結果、Hopf分岐曲線とTuring分岐曲線が交わる点の近傍で、ラメラおよびヘキサゴナル構造をもった定在波が存在することが示された。これらの動的構造は外部から振動させるときの振動数などの外部パラメータによって変化し、時間的に不規則な動的構造を示すパラメータ領域が存在することがわかった。また、一様振動解の線形安定性解析により、それらのシミュレーション結果の一部を説明することができた。
  • 日本学術振興会：科学研究費助成事業
    研究期間 : 2000年 -2001年 
    代表者 : 久保 泉; 宮村 修; 鈴木 孝至; 伊澤 義雄; 山西 正道; 奥園 透; 高橋 徹; 久保 泉
     
    量子原理に基づく情報処理の研究を進めるにあたり、我々は二つの側面から研究を進めてきた。一つは情報処理に必要な処理系の数理モデルであり、もう一つは物理系と素子を想定しての基本的な素子動作の研究である。昨年度は数理モデルでの成果が主であったが、今年度は特に後者についてさまざまな成果が得られたので、今回はこの素子動作研究について報告する。 想定した物理系は、微小共振器中での励起子と光子との相互作用の系であり、これは通常用いられている二準位系のモデルに帰着することができる。この系の特徴は、一つは微小半導体系であるため素子としての拡張性にすぐれていること、二つめは電場を印加することによってラビ振動のスイッチングの可能性が期待できること、さらに光による制御素子であることの3つである。さらに光子と励起子との相互作用にともなうラビ振動はすでに観測されており、この系が全く非現実的であるというわけではない。以上のことからこの系に着目し、量子計算素子の可能性を調べるために、二準位系モデルを用いて数値計算を行うことで、素子の基本的動作について調べた。 数値計算の結果、一素子については、ラビ振動のスイッチング動作と時間による位相操作によって任意のユニタリー変換を構築できることがわかった。これは光を用いた素子という観点からみると非常に大きな成果だと言える。現状で調べられている光制御による素子は、位相変化が光の振動数と同程度の速さで変化するため、現在の制御技術では位相変化が速すぎて操作が非常に困難だからである。二素子に関しては、二素子がお互い励起子状態である場合にかぎりなんらかの相互作用があると考え、第一近似として双極子双極子相互作用を想定して、二準位モデルに組み込んだ。その結果、基本的なCNOT動作をすることがわかった。さらにデモンストレーションとして、グローバーの検索アルゴリズムを実行させ、基本的な動作を確認することもできた。このように素子の基本動作と制御を明らかにしたことは、これらの動作や操作を認知処理系に組み込んだ具体的な処理系のモデルを構築するにあたって、最初の足がかりとなるものである。
  • 日本学術振興会：科学研究費助成事業
    研究期間 : 1997年 -1999年 
    代表者 : 三村 昌泰; 坂元 国望; 舟木 直久; 太田 隆夫; 木村 正人; 奥薗 透; 恩田 智彦; 山田 道夫; 石川 正道; 石村 直之
     
    物質科学における融解、凝固、成長現象の数理的理解に向けて、実験に基づくモデリング、解析およびそれを相補する計算機解析を用いることから多角的に考察してきた。代表者は2年目から東京大学から広島大学に移ったことから、分担者はかなり変更したが、広島大学にその方面の専門家がいたために、申請した課題遂行には支障がなかった。三村は非線形非平衡系に現れるパターン形成を主な研究としてきたが、特に、自然界に現れる樹枝状成長機構の理解に向けて、生物系、化学系に現れる樹枝状成長パターンの考察をした。太田は高分子の基礎理論として、ミクロ相分離のダイナミクスの研究をした。石川は材料プロセスに現れる結晶成長の実験解析をし、特に、コロイド結晶の成長過程の微小重力効果を解明した。大春は自由境界問題の基礎理論として、発展方程式に対する非線形半群理論を構築した。舟木は界面ダイナミクスを確率論的アプローチから考察した。俣野、柳田、木村は界面を記述する平均曲率方程式の理論解析及び数値解析を行った。山田、草野は球面上での反応拡散系の計算機シミュレーション解析法を開発した。辻川、三村はある生物系に現れる成長過程を特異摂動法を用いることから解析した。坂元は、特異摂動法の研究を進め、高次元内部遷移層理論を構築した。恩田は固体表面の形状をフラクタル化することによって、超撥水、超親水表面が得られることを理論・実験から示した。石村は物質の成長過程にあらわれる螺旋模様の解析を曲率流の理論から解析した。奥園は液滴分散系の二相流のダイナミクスを解析した。上山は反応拡散系に現れる自己複製パターン機構の理論的解釈を計算機解析から与えた。 以上の結果は、国内外の研究会で報告されており、その多くは毎年開催される応用数学合同研究集会で発表され、出版物となって刊行されている。
  • 弱電解質の拡散によって駆動される荷電コロイドのダイナミクス
    名古屋市立大学：
    代表者 : 奥薗 透; 山中淳平

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