閉鎖空間における10万個の粒子が
どのように変化するかを「見える化」

　研究対象である粒子には、それぞれに運動方程式がある。一つひとつを見ると簡単ではあるが数千や数万、それ以上が集まると、とても計算できないという。粒子どうしがぶつかり合う際に、どんな力が発生し何が起こるのか、予測すらできないのだ。そこで粒子の動きを観察するにあたり、齊藤研究室では高性能コンピュータによるシミュレーションを行っている。

「大規模シミュレーション実験として、ある閉ざされた空間に10万個の粒子を入れ、時間の経過と共にどのように変化していくかを観察したことがあります。現実の世界ではとてもできない実験も、コンピュータによるシミュレーションであれば可能です。モニター上で確認したところ、粒子の数が多過ぎるために、当初は霧のようにしか見えませんでした。しかし、しばらく観察していくうちに、ある変化を確認しました。当初は均等に分散していた粒子が、時間の経過と共に偏りはじめ、濃淡が浮かび上がってきたのです。運動方程式の計算に基づく結果が『見える化』されていく過程に目が釘付けになったことを覚えています」

　このようにして接触した粒子の相互関係をネットワークと捉えると、新たな可能性が見えてくる。例えば空港を拠点とした物流ネットワークの効率化にまで応用発展できるというのだ。一方、粒子どうしがぶつかりあう際に発生する圧力エネルギーをグラフィックで表現する試みにも挑戦。特徴的なカラーリングを施すことにより、アート作品としても魅力的な仕上がりに演出されている。

流体から固体へ変身!?
粒子の密度が及ぼす状態の変化

　齊藤先生の研究室では“ジャミング転移”といった現象も研究対象としている。空間に占める粒子の割合(充填率)を増加していく時に、それまで運動していた粒子がエネルギーを失い、固まった状態になる。すなわち液体のように動く状態から、固体のように動きが制限される状態への変化を“ジャミング転移”と呼ぶのだ。こうした研究の応用は、ひとかたまりの粒子が臨界点を超えて発生する土砂崩れや雪崩などの予防に役立つとされている。

「コロナ禍においては“人流”が話題になりましたが、粒子の動きを考察することで集団の動きについても新たな見解を示し、群衆事故の予防にもつながると見込んでいます。一粒ずつに焦点を当てると目に見えないほど小さな粒子。その研究が秘めた驚くほど大きな可能性を今後も探究していきたいと考えています」