Shio INAGAKI's Homepage

出版物

タイトルをクリックすると、アブストラクトを読むことができます。
Researchgateのサイトで、PDFを公開している論文もあります。

Articles

• Mode bifurcation of a bouncing dumbbell with chirality

  Yoshitsugu Kubo, Shio Inagaki*, Masatoshi Ichikawa*, and Kenichi Yoshikawa

  Physical Review E 91: 052905 (2015)

  doi: 10.1103/PhysRevE.91.052905

  

  We studied the behavior of a dumbbell bouncing upon a sinusoidally vibrating plate. By introducing chiral asymmetry to the geometry of the dumbbell, we observed a cascade of bifurcations with an increase in the vibration amplitude: spinning, orbital, and rolling. In contrast, for an achiral dumbbell, bifurcation is generated by a change from random motion to vectorial inchworm motion. A simple model particle was considered in a numerical simulation that reproduced the essential aspects of the experimental observation. The mode bifurcation from directional motion to random motion is interpreted analytically by a simple mechanical discussion.

• Steadily oscillating axial bands of binary granules in a nearly filled coaxial cylinder

  Shio Inagaki, Hiroyuki Ebata, and Kenichi Yoshikawa

  Physical Review E 91: 010201(R) (2015)

  doi:10.1103/PhysRevE.91.010201

  

  Granular materials often segregate under mechanical agitation such as flowing, shaking, or rotating, in contrast to an expectation of mixing. It is well known that bidisperse mixtures of granular materials in a partially filled rotating cylinder exhibit monotonic coarsening dynamics of segregation. Here we report the steady oscillation of segregated axial bands under the stationary rotation of a nearly filled coaxial cylinder for O(10^3) revolutions. The axial bands demonstrate steady back-and-forth motion along the axis of rotation. Experimental findings indicated that these axial band dynamics are driven by global convection throughout the system. The essential features of the spatiotemporal dynamics are reproduced with a simple phenomenological equation that incorporates the effect of global convection.

  粉粒体の場合には、混ぜようとすればするほど分離することがある。 我々の これまでの研究で、 水平に置いた容器に大きさや形の異なる2種類の粒子を充分詰めて回転させると、 粒子が自発的に分離してバンドを生成し、そのバンドが併進運動をすることを明らかにしている。 今回、円筒を二重にし、その間に粒子を十分詰めた状態（図1）で回転させたときに観察された、 新規のパン度のダイナミクスについて報告する。 充填率と回転速度に依存していくつかの時空間ダイナミクスが観察され、 一重円筒の場合に見られた単調緩和のダイナミクスや、進行波パターン(図2(a))に加えて、 図2(b)に示す様な一定振幅の往復運動が生じることが明らかとなった。 この振動するバンドは、適切な充填率と回転数の下で、三日以上定常的に続くことを確認している。 時空間パターンの、充填率と回転速度依存性について、分岐図を作った。 一重円筒の場合と同様に、円筒内部の粒子の分離状態を直接観察すること により、外側の時空間パターンと照らし合わせて、 円筒容器内部で起きている巨視的な対流現象について考察を行った。 一重円筒高充填の場合同様に、保存系の相分離方程式であるカーン・ヒリヤード方程式を用いて 観察された現象をよく再現するのに成功した。 付加した移流項は、実験で測定されたバンドの位置に依存した速度分布を用いた。

• Protocol dependence of mechanical properties in granular systems

  Shio Inagaki, Michio Otsuki, and Shin-ichi Sasa

  The European Physical Journal E 34: 124/1-6 (2011)

  doi:10.1140/epje/i2011-11124-6

  

  We study the protocol dependence of the mechanical properties of granular media by means of computer simulations. We control a protocol of realizing disk packings in a systematic manner. In 2D, with keeping material properties of the constituents identical, we carry out compaction with various strain rates. The disk packings exhibit the strain rate dependence of the critical packing fraction above which the pressure becomes non-zero. The observed behavior contrasts with the well-studied jamming transitions for frictionless disk packings. We also observe that the elastic moduli of the disk packings depend on the strain rate logarithmically. Our results suggest that there exists a time-dependent state variable to describe macroscopic material properties of disk packings, which depend on its protocol.

  　粉粒体の巨視的な物性は、その形成過程によることが知られている。 同じ構成要素からなる場合でも、粒子をどのように詰めたか、積んだか、によって、ヤング率やポアソン比といった巨視的な物性は大きく変わってくる。 しかし、そのような巨視的な物性がどのような微視的な物理量に依存するのかについては、全く未知の問題である。 我々は、粒子を初期密度0.5としてランダムに粒子を正方形の箱の中に撒き(図[上])、箱を収縮させることで粒子の充填を行った。 箱の収縮速度を とし、これを系統的に変えることで巨視的物性の形成過程依存性を定量的に調べる数値計算を行った。 その結果、巨視的物性は収縮速度 に依存して、二倍以上も変わることが示された。 また、この巨視的物性は充填率や平均接触点数に加えて、微視的な構造に関する秩序変数とも相関があることが示された。

• Travelling wave of segregation in a highly filled rotating drum

  Shio Inagaki and Kenichi Yoshikawa

  Physical Review Letters 105: 118001/1-4 (2010)

  doi:10.1103/PhysRevLett.105.118001

  

  The dynamics of a segregation pattern for a granular mixture in a highly filled rotating drum were studied. A spontaneously segregated band pattern traveled laterally, and was accompanied by the repeated creation of new bands near the center of the drum and annihilation at both of its ends. The presence of nearly stationary convection plays an essential role in causing this travelling wave. Based on direct observations of both the interior and exterior of the segregation pattern, this spatio-temporal pattern is interpreted in terms of a one-dimensional Cahn-Hilliard equation by including the effect of stationary convection.

  たとえば、コーヒーにミルクを入れるとある程度勝手に混ざる。 これはエントロピー増大の法則に従って、直観的に不思議ではない。 しかし、粉粒体の場合には、混ぜようとすればするほど分離することがある。 円筒容器全体の半分くらいの体積に二種類の大きさの粒子を封入して(部分充填)回転させると、 粒子が分離して縞々模様のバンドを形成し、バンドは時間とともに結合する単調な緩和現象となることが、これまでに実験でよく知られていた。 我々は、円筒容器に二種類の大きさの砂をほぼ完全に封入し(高充填)、それを回転させた(図(a))。 外側から見ると、粒子が分離して縞々模様のバンドを形成するのが観察されただけでなく、 バンドが定常的に生成しては左右の両端に向かって流れていく進行波を観察した(図(b))。 我々は、充填率を50％から徐々に上げていくことによって、単純な緩和プロセスから、対流を伴う定常的な分離パターンへの転移を観察した。 部分充填の場合には、保存系の相分離方程式であるカーン・ヒリヤード方程式を用いてそのダイナミクスがよく記述されることが分かっていたが、 我々の高充填の場合には、この方程式に移流項を付加することで、観察された現象をよく再現するのに成功した。

• Cleavage pattern of DNA caused by endonuclease: Theoretical modeling and experimental verification

  Shio Inagaki, Li Liu, Masahiro Takinoue, and Kenichi Yoshikawa

  Applied Physics Letters 96: 063701/1-3 (2010)

  doi:10.1063/1.3304790

  

  In apoptotic cells, genomic DNA molecules are fragmented into multiple fragments with lengths that are integer multiples of ca. 180-200 base pairs (bp), i.e., the size of a single nucleosome. Here we propose a simple mathematical model for interpreting this cleavage pattern of DNA. Under the condition of a purely stochastic cleavage process, we derive a time evolution of the probability distribution of the fragment length by a Poisson distribution. We examine the applicability of our model by analyzing experimental results with apoptotic cells. Our model enables us to satisfactorily interpret the experimental trends. Interestingly, this theoretical fitting of the experimental data provides kinetic information for the cleavage reaction.

  生物個体の発生過程において、細胞は自発的に死ぬことがある。 たとえば、指の形成では、指と指の間の細胞が死ぬことによって、丸かった手の先に指が作られる。 このような細胞の死を、プログラム細胞死(アポトーシス)と呼ぶ。 アポトーシスを起こした細胞は、自らDNAを切断する酵素を生成し、DNAを破壊する。 この切断酵素はDNAの場所をランダムに選んで切断することから、切断されたDNA片の長さ分布の時間発展はポアソン分布で記述されると期待される。 ヒトのがんの一種である、リンパ腫細胞（Ramos細胞）を用いて、薬剤によって強制的にアポトーシスを起こさせ、 採取したDNAに電気泳動をかけて一時間ごとのDNAの長さ分布を調べた。 アガロースゲルの培地に電場をかけると、短いものほど流れやすく、長いものほど流れにくいことから、DNAに蛍光色素をつけておくと、 DNA片の長さ分布を電気泳動を用いて観察することができる(図)。 実験データを上のモデル式にフィットさせることで、切断酵素の時定数や半減期を見積もることに成功した。

• Reorganization of a two-dimensional disordered granular medium due to a small local cyclic perturbation

  Evelyne Kolb, Chay Goldenberg, Shio Inagaki, and Eric Clement

  Journal of Statistical Mechanics P07017/1-17 (2006)

  doi:10.1088/1742-5468/2006/07/P07017

  We measure experimentally the rearrangements due to a small localized cyclic displacement applied to a packing of rigid grains under gravity in a two-dimensional (2D) geometry. We analyse the evolution of the response to this perturbation by considering the individual particle displacement and the coarse-grained displacement field, as well as the mean packing fraction and coordination number. We find that the displacement response is rather long ranged, and evolves considerably with the number of cycles. We show that a small difference in the preparation method (induced by tapping the container) leads to a significant modification in the response though the packing fraction changes are minute. Not only the initial response but also its further evolution changes with preparation, demonstrating that the system still retains a memory of the initial preparation after many cycles. Nevertheless, after a sufficient number of cycles, the displacement response for both preparation methods converges to a nearly radial field with a 1/r decay from the perturbation source. The observed differences between the preparation methods seem to be related to the changes in the coordination number (which is more sensitive to the evolution of the packing than the packing fraction). Specifically, it may be understood as an effect of the breaking of local arches, which affects the lateral transmission of forces.

  傾けた斜面上に円盤粒子を配置し、 そのうちの一粒子を微小な振幅と速度で、周期的に動かすことによって、摂動源の周りの粒子が再配置をする様子について、実験的に観察した。 摂動源となる粒子の周りの変形場を測定し、摂動の回数に応じて、その応答の変化していく過程に注目した。 粉粒体は、媒質の形成過程によって、その巨視的振る舞いが大きく変わることが知られているが、 我々の実験でも媒質の形成過程を変えることで、摂動に対する媒質の異なる応答が得られた。 接触点数や媒質の異方性を測定し、微視的な構造と巨視的な応答を関係付けることを試みた。

• Stress and Strain in a Flat Piling of Disks

  Shio Inagaki and James T. Jenkins

  Journal of Physical Society of Japan 73: 926-931 (2004)

  doi:10.1143/jpsj.73.926

  

  We have created a flat piling of disks in a numerical experiment, using the Distinct Element Method (DEM), by depositing them under gravity. In the resulting pile, we then measured increments in stress and strain that were associated with a small decrease in gravity. We first describe the stress in terms of the strain using isotropic elasticity theory. Then, from a micro-mechanical view point, we calculate the relation between the stress and strain using the mean strain assumption. We compare the predicted values of Young’s modulus and Poisson’s ratio with those that were measured in the numerical experiment.

  粉粒体媒質の巨視的な物性は、構成要素である粒子の物性値だけでは決まらない。 そこで、粉粒体堆積層について、平均場近似を用いた連続体記述を行い、巨視的な物性値であるヤング率とポアソン比を微視的な物性値で表現することに成功した。 応力とひずみの関係式は、微視的な物性値として構成要素の物性値に加え、粒子の平均接触点数、密度、接触角度の確率分布を用いて、 と記述される。 さらに、分子動力学の一種である、離散要素法を用いた数値計算で、粉体堆積層を実現し(図)、 応力と歪みを測定して、理論的に得られた応力歪みの関係を検証した。

• Creep Motion in a Granular Pile Exhibiting Steady Surface Flow

  Teruhisa S. Komatsu, Shio Inagaki, Naoko Nakagawa, and Satoru Nasuno

  Physical Review Letters 86: 1757-1760 (2001)

  doi:10.1103/PhysRevLett.86.1757

  

  We investigate experimentally granular piles exhibiting steady surface flow. Below the surface flow, it has been believed that a ?gfrozen?h bulk region exists, but our results show no such frozen bulk. We report here that even the particles in layers deep in the bulk exhibit very slow flow and that such motion can be detected at an arbitrary depth. The mean velocity of the creep motion decays exponentially with depth, and the characteristic decay length is approximately equal to the particle size and is independent of the flow rate. It is expected that the creep motion we have seen is observable in all sheared granular systems.

  粉体流動層の振る舞いは、従来流動層と固層の間に明確な滑り線があると思われていたが 、十分長い時間の観測の結果、滑り線の下でも速度分布が指数関数的に減衰しながら粉体が流れている、という結果を得た。 ほぼ球形のアクリル粒子のみならず、不規則な形の砂粒や細長い形をした植物の種といった粒子を用いても同様の流速分布が得られることも検証した。

Proceedings

• Cationic Silica Nanoparticles are Efficiently Transferred into Mammalian Cells

  Li Liu, Toshio Takenaka, Anatoly A. Zinchenko, Ning Chen, Shio Inagaki, Hidetsugu Asada, Tsunao Kishida, Osam Mazda, Shizuaki Murata, and Kenichi Yoshikawa

  MHS 2007 & Micro-Nano COE, Proceedings of MHS 2007 & Micro-Nano COE

• Fine tuning DEM simulations to perform virtual experiments with three-dimensional granular packings

  Gary W. Delaney, Shio Inagaki, Tomaso Aste

  Granular and complex materials (Lecture Notes in Complex Systems Vol.8), pp.169-185 World Scientific, Singapore, 2007, ISBN 9789812771988

• 平均接触点数を実験で測定するための確率的手法

  稲垣紫緒, E. Kolb, P. Claudin

  粉体物理の現状と展望, 物性研究vol.88-2 pp.269-272 (2007年5月号)

• 二次元空間内の砂山底面での圧力分布に関する数値計算

  稲垣紫緒

  非平衡系の新局面―運動、機能、構造―, 物性研究vol.77-2 pp.316-317 (2001年11月号)

• Pressure distribution under a two-dimensional sandpile

  Shio Inagaki

  Proceeding of Powders and Grains 2001, pp.487-492, Balkema Publishers, 2001 ISBN: 90 2651 826 9

• Pressure distribution of a two-dimensional sandpile

  Shio Inagaki

  Proceeding of Traffic and Granular Flow '99, pp.517-522, Springer publishers, 2000 ISBN: 3 540 67091 2

Other Publications

• つぶとつぶを選り分ける

  稲垣紫緒、吉川研一

  化学工学会誌　73巻8号p.396, 2009年

• Self-organizaition and Dynamics of Active Matter - 研究会の私的会議録、雑感、その他

  竹内一将, 及川典子, 稲垣紫緒, 坂上貴洋, 和田浩史

  物性研究, vol.93-3, pp.247-270 (2009)