スーパーコンピュータ「富岳」が解明した柔らか粒子の新たな集束原理

スーパーコンピュータ「富岳」が解明した粒子の集束パターン

大阪大学、理化学研究所、関西大学、岡山大学の研究チームが、スーパーコンピュータ「富岳」を用いて、マイクロ流路内での柔らかいヒドロゲル粒子の集束パターンに関する新たな学術成果を発表しました。この研究は、流体力学の理解を深め、次世代の医療技術へとつながる重要な発見となります。

研究の背景

従来の粒子集束の研究は、硬い粒子に焦点を当てたものが多く、柔らかい素材である細胞やヒドロゲル粒子の挙動については十分に分析されていませんでした。そのため、柔らかい粒子が流体中でどのように動くのか、またどのように集束するのかというメカニズムは明らかではありませんでした。そこで、研究チームは新しい技術を駆使して、この未知の領域に挑むことになりました。

研究の成果

研究チームは、細胞サイズの柔らかいヒドロゲル粒子を合成する技術を確立し、それを用いて実験を行いました。結果、ヒドロゲル粒子は流路断面の中心や対角線上に集まることが確認され、硬い粒子とは異なる集束パターンを示しました。さらに、「富岳」を活用した数値シミュレーションと新しい理論モデルに基づく分析により、粒子の集束パターンが変化する条件やその背景にある物理的な仕組みを明らかにしました。

この研究では、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、柔らかい粒子の挙動を詳しく観察しました。その結果、粒子の変形能力が集束パターンに与える影響を定量的に把握することができました。

今後の応用

この発見は、液体の中での細胞や粒子の変形性を利用した次世代のマイクロ流体デバイス開発に大きく寄与することが期待されます。特に、がんの早期診断や細胞選別の効率化に向けた新しい技術の実現に向けて、非常に重要なステップとして評価されています。

研究の意義

研究チームの一員である大阪大学の廣畑佑真さんは、特に粒子にかかる力が非常に小さいため、流体内での挙動を解明するのに多くの計算時間が必要だったと説明しています。しかし、その結果、複雑な流体の現象を一定の理論で表現できることにやりがいを感じ、将来的には社会に貢献できる研究であると自信を示しています。

結論

本研究の成果は、2025年9月18日に流体力学に関する専門誌「Journal of Fluid Mechanics」に掲載され、多くの科学者から注目を浴びることでしょう。この研究が進展することで、医工学分野における新たな選別・分離技術の発展が期待されます。柔らかい粒子の集束に関する新たな知識は、今後の研究の礎となることでしょう。さらなる技術革新にも期待が寄せられています。