Tohoku University

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義永 那津人

東北大学 材料科学高等研究所(WPI-AIMR)  数学連携グループ
〒980-8577 仙台市青葉区片平2-1-1
WPI-AIMRアネックス棟 115号室

Tel: 022-237-8017
Fax: 022-217- 6335


メールアドレス: yoshinaga@tohoku.ac.jp
ホームページ: http://www.wpi-aimr.tohoku.ac.jp/~yoshinaga/

 

産総研-東北大 数理先端材料モデリング オープンイノベーションラボラトリ (MathAM-OIL)
〒980-8577 仙台市青葉区片平 2-1-1
Tel: 022-237-8139
ホームページ: https://unit.aist.go.jp/matham-oil/index.htm

研究内容

      

アクティブマターの数理 -- 自発運動する粒子や液滴     生命現象において生物はエネルギーを消費しながらその機能を実現している。中でも細胞運動は、細胞が外力なしに動く現象である。これはATPの加水分解によるエネルギーを用いたアクティブなストレスによって実現している。このような自発的な運動や変形を理解することが研究の目的である。最近の実験で、化学反応を使ってまるで生きているように物体が動く現象が見い出されている。

温度勾配による粒子の運動
      温度泳動は温度勾配によって物体が動く現象である。これは電場による物体の運動である電気泳動や濃度勾配による運動である拡散泳動(あるいは浸透泳動)現象と同様のものである。温度泳動は150年以上前から知られているが、その微視的なメカニズムはいまだ分かっていないことが多い。我々は流体モデルによって温度勾配によって駆動される粒子の運動について研究を行っている。

マランゴニ効果による液滴の運動と変形
     自発運動による一方向の運動は、物体の内在的な非対称性だけでなく、自発的に回転対称性を破ることによって実現することができる。後者は、平衡状態における相転移のように、系の非線形性と関連しており、ある種の非平衡相転移というものである。また、非線形ダイナミックスの分野ではドリフト分岐やドリフト不安定性と呼ばれている。我々は流体モデルを用いてマランゴニ効果による非平衡相転移について研究を行っている。

最近の講演はこちら
- Newton Institute (Dynamics of Suspensions, Gels, Cells and Tissues)
- Newton Institute
- Kavli Institute for Theoretical Physics

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細胞生物の数理 -- ストレスファイバーの構造形成       ストレスファイバーは、細胞の力学特性を担っている。主要な要素は、アクチンフィラメント、ミオシンなどの分子モーター、そして架橋たんぱく質であり、他にも様々なタンパク質が機能に関わっていると言われている。この研究の目的はストレスファイバーを非平衡状態におけるソフトマターとして理解することである。
      
アクチンの極性分布形成
      アクチンフィラメントは極性を持っており、つまりプラス端とマイナス端を持っている。ストレスファイバーのバンドル内で極性の分布があることは知られており、端からなめらかに極性が変化する(A)分布と筋肉のように周期的に極性が空間的に変化する(B)分布が実験的に観測されている。ここでは、分子モーターによって駆動されるアクティブなストレスが極性の構造形成にどのように関わるのかを議論している。



非平衡状態における高分子         ソフトマターの動力学は生命現象や身の回りに見られる柔らかいものを理解するために重要な役割を果たす。例えばシェービングジェルを手に乗せてこすると泡になることは経験的には知られているが、このような非線形非平衡な現象をモデル化し解析することは非常に難しい。従ってこれは物理的に大きなチャレンジである。ここでは、高分子の動力学について考える。

空孔を通り抜ける高分子のダイナミックス

セミフレキシブル高分子の相転移の動力学


高分子の引き伸ばし

      たんぱく質やDNAなどの高分子はヘテロ高分子と呼ばれており、鎖に沿って不均一な配列を持っている。このような配列が高分子の構造にどのようにつながるのかを理解することがこの研究の目的である。

二状態高分子

セミフレキシブル高分子と柔らかい高分子からなる共重合体の動力学

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論文 (Researcher ID: G-3067-2011)

2017

Natsuhiko Yoshinaga, Tanniemola B. Liverpool
"From hydrodynamic lubrication to many-body interactions in dense suspensions of active swimmers"
submitted

Hiroyuki Kitahata, Natsuhiko Yoshinaga
"Effective diffusion coefficient including the Marangoni effect"
submitted arXiv

Shunshi Kohyama, Natsuhiko Yoshinaga, Miho Yanagisawa, Kei Fujiwara, Nobuhide Doi
"Confinement Effects on a Bacterial Reaction-Diffusion System for cell division"
submitted

Kyongwan Kim, Natsuhiko Yoshinaga, Sanjib Bhattacharyya, Hikaru Nakazawa, Mitsuo Umetsu, and Winfried Teizer
"Large-scale chirality in an active layer of microtubules and kinesin motor proteins"
submitted

Natsuhiko Yoshinaga, Tanniemola B. Liverpool
"Hydrodynamic interactions in dense active suspensions:from polar order to dynamical clusters"
Physical Review E Rapid Communications, 96, 020603(R) (2017). arXiv

Natsuhiko Yoshinaga,
"Simple models of self-propelled colloids and liquid drops: from individual motion to collective behaviors"
Journal of the Physical Society of Japan Special Topics "Recent Progress in Active Matter", 86, 101009 (2017)

義永那津人, 藪中俊介,
"化学反応によって駆動される液滴の自発運動と集団挙動"
数理兼講究録  「集団ダイナミクスに現れる時空間パターンの数理」

2016Shunsuke Yabunaka, Natsuhiko Yoshinaga
"Collision between chemically-driven self-propelled drops"
Journal of Fluid Mechanics, 809, 205-233 (2016) arXiv

義永 那津人
第7節 温度勾配が駆動する粒子の運動~ Ludwig-Soret effect~
材料表面の親水・親油の評価と制御設計 第5章 界面自由エネルギーから運動エネルギーへの変換 

2015Yuki Koyano, Natsuhiko Yoshinaga, Hiroyuki Kitahata
"General Criteria for Determining Rotation or Oscillation in a Two-dimensional Axisymmetric System"
Journal of Chemical Physics , 143, 014117 (2015) arXiv

Tomohiro Matsushita*, Atsushi Kubota, Naohisa Happo, Kazuto Akagi, Natsuhiko Yoshinaga, and Kouichi Hayashi
"Fast Calculation Algorithm Using Barton’s Method for Reconstructing Three-Dimensional Atomic Images from X-ray Fluorescence Holograms"
Zeitschrift für Physikalische Chemie, (2015)

2014Natsuhiko Yoshinaga,
"Spontaneous motion and deformation of a self-propelled droplet"
Physical Review E, 89, 012913 (2014) arXiv
Supplementary information

2013Hiroyuki Kitahata, Natsuhiko Yoshinaga, Ken H. Nagai, Yutaka Sumino,
"Dynamics of Droplets"
in, Pattern Formations and Oscillatory Phenomena edited by Shuichi Kinoshita

Ken H. Nagai, Fumi Takabatake, Yutaka Sumino, Hiroyuki Kitahata, Masatoshi Ichikawa, and Natsuhiko Yoshinaga,
"Rotational motion of a droplet induced by interfacial tension"
Physical Review E, 87, 013009 (2013) arXiv

2012Natsuhiko Yoshinaga, Ken H. Nagai, Yutaka Sumino, Hiroyuki Kitahata
"Drift instability in the motion of a fluid droplet with a chemically reactive surface driven by Marangoni flow"
Physical Review E, 86, 016108 (2012) arXiv
動画はこちら

Natsuhiko Yoshinaga and Philippe Marcq
"Contraction of cross-linked actomyosin bundles"
Physical Biology, 9, 046004  (2012) arXiv

Shunsuke Yabunaka, Takao Ohta, and Natsuhiko Yoshinaga
"Self-propelled motion of a fluid droplet under chemical reaction"
Journal of Chemical Physics, 136, 074904 (2012) arXiv

Hiroyuki Kitahata, Natsuhiko Yoshinaga, Ken H. Nagai, Yutaka Sumino
"Spontaneous Motion of a Belousov-Zhabotinsky Reaction Droplet Coupled with a Spiral Wave"
Chemistry Letters , 41, 1052-1054 (2012) arXiv
動画はこちら

北畑裕之, 義永 那津人, 永井健, 住野豊
パターン形成と結合した液滴の自発運動
日本物理学会誌, 67(6), 2012

義永 那津人
「表面」によって駆動されるコロイド粒子の自発的運動
分子シュミレーション研究会会誌 アンサンブル, 13(2), 2012

2011Hiroyuki Kitahata, Natsuhiko Yoshinaga, Ken H. Nagai, and Yutaka Sumino
"Spontaneous motion of a droplet coupled with a chemical wave"
Physical Review E Rapid Communication, 84, 015101(R) (2011) arXiv
selected by PRE Kaleidoscope Images: July 2011
動画はこちら

Philippe Marcq, Natsuhiko Yoshinaga, and Jacques Prost
"Rigidity sensing explained by active matter theory"
Biophysical Journal, 101, L33-L35 (2011) arXiv

2010Hong-Ren Jiang, Natsuhiko Yoshinaga, and Masaki Sano
"Active Motion of Janus Particle by Self-thermophoresis in Defocused Laser Beam"
Physical Review Letters, 105, 268302 (2010) arXiv
Editor's suggestion and Viewpoint in Physics, 3, 108 (2010) Debut of a hot “fantastic voyager”
動画はこちら

Natsuhiko Yoshinaga, Jean-Francois Joanny, Jacques Prost and Pilippe Marcq
"Polarity patterns of stress fibers"
Physical Review Letters, 105, 238103 (2010) arXiv

2009 Takahiro Sakaue and Natsuhiko Yoshinaga
"Dynamics of Polymer Decompression: Expansion, Unfolding and Ejection"
Physical Review Letters, 102, 148302 (2009). arXiv

Hong-Ren Jiang, Hirofumi Wada, Natsuhiko Yoshinaga, and Masaki Sano
"Manipulation of Colloids by Nonequilibrium Depletion Force in Temperature Gradient"
Physical Review Letters, 102, 208301 (2009). arXiv

2008Natsuhiko Yoshinaga, E.I. Kats and A. Halperin
"On the Adsorption of Two-State Polymers"
Macromolecules, 41, 7744-7751 (2008)

Natsuhiko Yoshinaga
"Folding and unfolding transition in a single semiflexible polymer "
Physical Review E, 77, 061805 (2008).

2007Natsuhiko Yoshinaga and Kenichi Yoshikawa
"Core-shell structures in single flexible-semiflexible block copolymers: Finding the free energy minimum for the folding transition"
Journal of Chemical Physics, 127, 044902 (2007).

N. Yoshinaga, D. J. Bicout, E.I. Kats and A. Halperin
"Dynamic Core Shell Structures in Two State Models of Neutral Water Soluble Polymersr"
Macromolecules, 40(6), 2201-2209 (2007)

2006N. Yoshinaga
"Transition kinetics of a single semiflexible polymer"
Progress of Theoretical Physics Supplement, 161, 397-402 (2006).

2005 N. Yoshinaga, K. Yoshikawa and T. Ohta
"Different pathways in mechanical unfolding/folding cycle of a single semiflexible polymer"
European Physical Journal E, 17, 485 (2005).

K. Yoshikawa and N. Yoshinaga
"Novel scenario on the folding transition of a single chain"
Journal of Physics: Condensed Matter, 17, S2817-S2823 (2005).

2002 N. Yoshinaga, K. Yoshikawa and S. Kidoaki
"Multiscaling in a Long Semiflexible Polymer Chain in Two Dimension"
Journal of Chemical Physics, 116, 9926 - 9929 (2002).

義永 那津人, 吉川 研一
単一高分子鎖の折り畳み相転移
日本ゴム協会誌, 75, 385-389 (2002)

2001N. Yoshinaga, T. Akitaya and K. Yoshikawa
“Intercalating Fluorescence Dye YOYO-1 Prevents the Folding Transitionin Giant Duplex DNA”
Biochemical and Biophysical Research Communications, 286, 264-267, (2001).

 
 
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