粉体について研究しています。 ｜ 粉の動きを知りたくて

今、私たちは粉体、いわゆる粉について研究をしています。こんな言葉を聞いたら、皆さんはなんと思うでしょうか。なんで粉？　今さら、なぜ粉を研究するの？　どんな種類の粉なの？　きっと、このような疑問が生まれてきたと思います。小麦粉、砂糖、塩などの食品は毎日のように目にし、砂、泥などで遊んだ方も多いことでしょう。ファンデーションやチークなども粉からできており、使っている方もいるでしょう。それでは、粉、粉体って何でしょうか？

粉体は固体粒子の集合体と定義されています。日常的に使うものであり、改めて研究が必要なんて感じる方はほとんどいないかもしれません。驚く方もいるかもしれませんが、鉄もスマートフォンも粉からできています。鉄の原料となる鉄鉱石は粉、石炭も粉、石灰石も粉の状態です。スマートフォンに入っているコンデンサーは粉を固めたものです。これらの材料をつくる時には、粉をいかに操るか、すなわち所望とする大きさにする、所望するところに配置する、などが重要です。これを制御する粉体プロセスと呼ばれる工程を精緻に行うことが必要であり、そのためには、粉体の動きを理解し、粉体の動きを予測し、所望とする粉体を得るには、粉体プロセスを最適化設計することが重要であります。

しかしながら、基本となる粉体の動きを予測する数式が存在しません。空気や水などの流体の動きは、ナビエ・ストークスの式が存在し、これを解くことにより、それを予測することができます。基本的には、流体の密度と粘度が分かれば、流体の動きは予測することが可能です。ところが、粉体の場合には、流体に比べ、粒子径、粒子径分布、密度、密度分布、粒子形状、粒子の表面状態など非常に多くのパラメータが複雑に関与するために、ナビエ・ストークスの式に相当する粉体の式がないので、その動きの理解や予測が遅々と進みませんでした。

それでは、実験によって粒子径や粒子径分布、密度などが粉体の動きに与える影響を調べればいいのでは、と思いますよね。大きさが異なれば、動きが異なることは、皆さんもご存じだと思います。例えば、パチンコ玉を斜面に置けば、ザーっと一気に流れ出すと思います。小麦粉を同じようにしても、なかなか流れていかないことは、経験されたことがあるでしょう。小麦粉を袋から違う容器に移そうとしたときに、こぼれたり、詰まったりと苦労した経験をお持ちだと思います。パチンコ玉と小麦粉は粒子の大きさが違うだけではなく、密度も粒子形状も異なります。実は、同じ物質で粒子径のみ異なる材料、粒子径分布のみが異なる材料、密度のみが異なる材料を用意することは容易ではありません。例えば、密度が異なる材料となるとその材質を変える必要がありますが、そうすると表面状態も変化し、密度の影響であるのか、表面状態の影響であるのかが分からなくなってしまいます。このように材料を簡単に用意できないことも、粉体の動きを理解する、予測することを難しくしています。

粉の動きを理解・予測することを阻んでいる要因がもう一つあります。それは、計測が難しいことです。粉が動いているところにセンサーなどを装入すると、それによって粉の動きが変化してしまいます。それでは、外部から観察しようと透明な装置を用意することができますが、観察できるのは、表面のごく一部であり、粉全体の動きを理解することはできません。さらに粉体の動きの予測を難しくしているのは、粉体プロセスは、基本的に粉を加工するプロセスです。粉砕であれば、粒子が小さくなります。造粒であれば、粒子が凝集し、大きくなります。成形であれば、粒子間の空隙構造が変化します。このような粒子が小さくなる現象、粒子が大きくなる現象、粒子間の空隙構造が変化する様子をより理解することが重要でありますが、起きている現象としては、極めて複雑であり、完全に予測するまでには至っていません。

それでも、やはり粉の動きを理解・予測したいために、コンピュータシミュレーションが誕生しました。

（次回に続く）