応力光学法則の適用限界を明らかに~複雑流動の光弾性計測に新たな指針~

2025-10-29 北海道大学

北海道大学大学院工学研究院の田坂裕司教授らの研究チームは、光弾性計測に用いられる「応力光学法則」が複雑流体では必ずしも成り立たないことを実証した。プラスチックや高分子ゲルなどの流動過程を可視化するため、研究チームは振動回転円筒装置を用いて高分子水溶液の非定常せん断流れを精密に計測し、ひずみ速度場と複屈折の時間変化を直接比較。その結果、瞬時の複屈折は局所ひずみ速度と一致せず、ひずみやその積分値、実効値のいずれとも対応しないことが明らかになった。これは、複雑流体が十分に長い緩和時間を持たない限り、複屈折から応力場を正確に推定できないことを意味する。一方で、この研究は光弾性計測が何を反映しているかを定義づけ、計測法開発に新たな指針を与える成果でもある。成果論文は『Nature Communications』誌に掲載された。

応力光学法則の適用限界を明らかに~複雑流動の光弾性計測に新たな指針~
図 1.(a)流動複屈折を⽰すキサンタンガム(⾼分⼦)⽔溶液。(b)振動円筒による流れ場と複屈折場の計測。(c)複屈折と局所ひずみ速度の直接⽐較。

<関連情報>

非定常流れが明らかにする応力光学法則の限界 Unsteady flows uncover the limits of the stress-optic law

Daisuke Noto,Kohei Ohie & Yuji Tasaka
Nature Communications  Published:24 October 2025
DOI:https://doi.org/10.1038/s41467-025-64461-4

Abstract

Birefringence induced in complex fluid flows, containing anisotropic microstructures, exhibits vibrant patterns, captivating people perceptually. More practically, it has garnered multidisciplinary expectations on the noninvasive characterization of stress fields in flowing materials based on the stress-optic law established for solid materials, prospecting its in situ and in vitro applications. Here, we question such a paradigm by demonstrating the failure of the law in unsteady flows through laboratory experiments. The latter originates from the relaxation of the microscopic structures, characterized by the Deborah number De, which is a dimensionless number that compares the material’s relaxation time and the characteristic time of the applied deformation process. Flow birefringence turns out to represent accumulated fluid deformation only when fluids behave like solids with large De, whereas the anisotropy of the microstructures relaxes for small De, diminishing birefringence. We generalize the formulation of flow birefringence evolution by explicitly decomposing the microscopic and macroscopic contributions to it, providing a unified understanding of flow birefringence based on deep physical interpretations attained through laboratory experiments. Our findings may encourage undertaking a drastic course correction in the future development of flow birefringence as a practical tool for stress quantification based on present-day knowledge, and enlighten its potential usage.

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