粉粒体レオロジー · DEMシミュレーション
一つの転位が粉体結晶を弱くする
この研究の要点
低摩擦な粉体結晶では，一つの刃状転位が結晶中を滑り，欠陥のない結晶よりはるかに低い応力で降伏します．粒子が規則正しく並んでいても，一つの線状欠陥があるだけで大幅に変形しやすくなります．
背景と問い
原子結晶では，転位が動くことで完全結晶の理論強度よりはるかに低い応力で塑性変形します．一方，粉粒体は目に見える大きさの粒子からなり，衝突でエネルギーを失い，粒子間には摩擦も働きます．そのため，同じ欠陥機構が成り立つのか，転位が動く前に結晶秩序が壊れるのかは明らかではありませんでした．
どのように調べたか
一つの刃状転位を含む二次元六方粉体結晶を構築し，離散要素法（DEM）でゆっくりせん断しました．粒子間摩擦を系統的に変え，粒子軌跡，局所配位数，せん断応力，降伏応力を調べました．さらに転位滑り，間欠的変形，結晶崩壊の各領域と，欠陥のない結晶を比較しました．
主な結果
対象モデルでは摩擦係数がおよそ0.1以下のとき，転位芯が尺取り虫のように結晶中を移動し，塑性変形を生みました．摩擦が大きいと滑りは抑えられ，代わりに結晶秩序が崩れます．転位滑りが起こる場合，降伏応力は完全結晶より大幅に低く，弾性的なパイエルス障壁に摩擦の寄与が加わる形でほぼ線形に増加しました．
この研究の意味
粉粒体レオロジーと，原子固体のために発展した転位論を直接結び付けた研究です．秩序粉体を欠陥によって弱くする経路を明らかにし，通常の潤滑とは異なる原理で，粒子間摩擦から強度を制御できる可能性を示します．
キーワード
粉粒体レオロジー，転位滑り，DEMシミュレーション，降伏応力，パイエルス応力．
論文情報
, “Dislocation Glides in Granular Media,” Physical Review Letters 135, 048202 (2025).