Theoretical model of nucleation for cosmic dust formations

• Project/Area Number: 15K05015
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Research Field: Astronomy
• Research Institution: Tohoku University (2018); Hokkaido University (2015-2017)
• Principal Investigator: Kyoko Tanaka 東北大学, 理学研究科, 客員研究者 (70377993)
• Project Period (FY): 2015-04-01 – 2019-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2018)
• Budget Amount: ¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000); Fiscal Year 2018: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000); Fiscal Year 2017: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000); Fiscal Year 2016: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000); Fiscal Year 2015: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000)
• Keywords: 宇宙ダスト / 凝縮 / 核生成 / アモルファス / 結晶化 / 分子動力学計算

Outline of Final Research Achievements

The condensation and crystallization processes are important for understanding the origin of cosmic dusts and have seen by various observations.　We performed direct large molecular dynamics simulations of homogeneous nucleation of water which is an important component of cosmic dusts. We obtained nucleation rates and found a scaling relation of nucleation rate with remarkable consistency. We also performed molecular dynamics simulations of vapor-to-solid phase transition and discuss the transition process. Our simulations indicate that the vapor-to-solid transition occurs through multistep nucleation which is vapor-to-liquid nucleation (first step nucleation) and crystallization in the supercooled liquid droplets (second step nucleation), even though the temperature is much lower than the triple temperature. Our results indicate that the multistep nucleation is a common phenomenon in the first stage of condensation from vapor to solid in the astrophysical environments.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

本研究の特徴は、宇宙ダスト生成を考える際の最も根本となる基礎理論を、分子レベルで解明し、宇宙環境におけるさまざまな温度圧力場でも使える核生成モデルを導き出すことにある。核生成率の不定性は宇宙のみならず他分野に関わる未解決な大問題であるが、分子動力学計算は分子レベルでの全く新しい情報を得ることが可能であり、核生成過程を詳細に調べる強力なツールである。また粒子数を多くした大規模計算により、小さい核生成率かつ大きな凝縮核のデータを得ることが可能になった。この手法をさまざまな物質に広げることにより、宇宙環境に使える理論モデルを構築できる。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Zurich University(スイス)
• [Int'l Joint Research] チューリッヒ大学(スイス)
• [Int'l Joint Research] チューリッヒ大学(スイス)
• [Journal Article] Analyzing multistep homogeneous nucleation in vapor-to-solid transitions using molecular dynamics simulations (2017)
  • Author(s): Kyoko K. Tanaka, Jurg Diemand, Hidekazu Tanaka, and Raymond Angelil
  • Journal Title: Phys. Rev. E Volume: 96 Issue: 2
  • DOI: 10.1103/physreve.96.022804
  • NAID: 120006337776
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] 大規模分子動力学計算による核生成の研究～古典的核生成理論の検証と改良～ (2017)
  • Author(s): 田中今日子
  • Journal Title: 日本結晶成長学会誌 Volume: 44 Pages: 2-10
  • NAID: 130005997211
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Comprehensive study of thermal desorption of grain-surface species by accretion shocks around protostars (2017)
  • Author(s): Hitoshi Miura, Tetsuo Yamamoto, Hideko Nomura, Taishi Nakamoto, Kyoko K. Tanaka, Hidekazu Tanaka, Makiko Nagasawa
  • Journal Title: The Astrophysical J. Volume: 839 Issue: 1 Pages: 47-47
  • DOI: 10.3847/1538-4357/aa67df
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Nucleation processes revealed by large-scale molecular dynamics simulations (2017)
  • Author(s): 13)K. K. Tanaka, H. Tanaka, J. Diemand, and R. Angelil
  • Journal Title: Proceedings of the 20th International Conference on Nucleation and Atmospheric Aerosols Volume: - Pages: 2-14
  • Int'l Joint Research
• [Journal Article] Pure iron grains are rare in the universe (2017)
  • Author(s): Yuki Kimura, Kyoko K. Tanaka, Takaya Nozawa, Shinsuke Takeuchi, Yuko Inatomi
  • Journal Title: Science Advances Volume: 3 Issue: 1
  • DOI: 10.1126/sciadv.1601992
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] 大規模分子動力学計算による核生成の研究～古典的核生成理論の検証と改良 (2017)
  • Author(s): 田中今日子
  • Journal Title: 日本結晶成長学会誌 Volume: 印刷中
  • NAID: 130005997211
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Reply to ”Comment on ‘Simple improvements to classical bubble nucleation models” (2016)
  • Author(s): Tanaka, K. K., Tanaka, H., Angelil, R., & Diemand, J.
  • Journal Title: Physical Review E Volume: 94 Issue: 2 Pages: 026802-026802
  • DOI: 10.1103/physreve.94.026802
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Homogeneous SPC/E water nucleation in large molecular dynamics simulations (2015)
  • Author(s): R. Angelil, J. Diemand, K. K. Tanaka, H. Tanaka
  • Journal Title: J. Chemical Physics Volume: 143 Issue: 6 Pages: 064507-064507
  • DOI: 10.1063/1.4928055
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Simple improvements to classical bubble nucleation models (2015)
  • Author(s): K. K. Tanaka, H. Tanaka, R. Angelil, J. Diemand
  • Journal Title: Physical Review E Volume: 92 Issue: 2 Pages: 022401-022401
  • DOI: 10.1103/physreve.92.022401
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Presentation] 気相から固相への多段階核生成の分子動力学シミュレーション (2017)
  • Author(s): 田中今日子, Juerg Dieman, 田中秀和, Raymond Angelil
  • Organizer: 日本物理学会
  • Place of Presentation: 大阪大学（大阪府吹田市）
  • Year and Date: 2017-03-17
• [Presentation] 核生成過程の大規模分子動力学シミュレーション (2017)
  • Author(s): 田中今日子
  • Organizer: 「自然科学における階層と全体」シンポジウム
  • Place of Presentation: 名古屋ルーセントタワー（愛知県名古屋市）
  • Year and Date: 2017-02-14
  • Invited
• [Presentation] Nucleation processes revealed by large-scale molecular dynamics simulations (2017)
  • Author(s): K. K. Tanaka
  • Organizer: The 20th International Conference on Nucleation and Atmospheric Aerosols
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 過冷却水滴の結晶化理論モデル (2017)
  • Author(s): 田中今日子, 木村勇気
  • Organizer: 第34回Grain Formation Workshop
• [Presentation] 気相ー固相転移の分子動力学シミュレーション：気相の凝縮と過冷却液滴の結晶化による多段階核生成 (2017)
  • Author(s): 田中今日子, Juerg Diemand, 田中秀和、木村勇気、 Raymond Angelil
  • Organizer: 結晶成長国内会議
• [Presentation] 過冷却水滴の結晶化理論モデル (2017)
  • Author(s): 田中今日子, 木村勇気
  • Organizer: 新学術領域「宇宙分子進化」全体集会
• [Presentation] 核生成過程の大規模分子動力学シミュレーション (2017)
  • Author(s): 田中今日子, 田中秀和、Juerg Diemand, Raymond Angelil
  • Organizer: 第7回計算統計物理研究会
• [Presentation] Multistep Nucleation from Vapor-to-Solid in Molecular Dynamics Simulations (2017)
  • Author(s): 田中今日子, Juerg Diemand, 田中秀和, Raymond Angelil
  • Organizer: 地球惑星科学関連学会
• [Presentation] 大規模分子動力学シミュレーションによる古典核生成理論の検証と改良 (2016)
  • Author(s): 田中今日子
  • Organizer: 計算機センター特別研究プロジェクト「結晶成長の数理」第11回研究会
  • Place of Presentation: 学習院大学(東京都豊島区）
  • Year and Date: 2016-12-17
  • Invited
• [Presentation] 大規模分子動力学シミュレーションによる気泡の核生成過程および古典的理論の改良 (2016)
  • Author(s): 田中今日子, 田中秀和, Juerg Diemand, Raymond Angelil
  • Organizer: プラズマシミュレータシンポジウム2016
  • Place of Presentation: 核融合研究所(岐阜県多治見市）
  • Year and Date: 2016-09-07
  • Invited
• [Presentation] 固体微粒子の凝縮・結晶化の分子動力学シミュレーション (2016)
  • Author(s): 田中今日子, Juerg Diemand, 田中秀和, Raymond Angelil
  • Organizer: 新学術領域「宇宙分子進化」全体集会
  • Place of Presentation: 北海道大学（北海道札幌市）
  • Year and Date: 2016-07-11
• [Presentation] Droplet Nucleation and Crystallization in Large-Scale Molecular Dynamics Simulation (2016)
  • Author(s): K. K. Tanaka, H. Tanaka, J. Diemand, and R. Angelil
  • Organizer: Goldschmidt2016
  • Place of Presentation: Pacifico Yokohama (神奈川県横浜市）
  • Year and Date: 2016-06-26
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 液相からの気泡核生成の大規模分子動力学計算による気泡表面張力の算出 (2016)
  • Author(s): 田中今日子, 田中秀和, Raymond Angelil, Juerg Diemand
  • Organizer: 地球惑星科学関連学会 2016年合同大会
  • Place of Presentation: 幕張メッセ（千葉県千葉市）
  • Year and Date: 2016-05-20
• [Presentation] 観測ロケットS-520-30号機を用いたアルミナとシリカの気相からの核生成実験 (2016)
  • Author(s): 木村 勇気、石塚 紳之介、山﨑 智也、田中 今日子、竹内 伸介、稲富 裕光
  • Organizer: 地球惑星科学関連学会 2016年合同大会
  • Place of Presentation: 幕張メッセ（千葉県千葉市）
  • Year and Date: 2016-05-20
• [Presentation] 降着衝撃波による氷ダスト表面吸着分子の昇華:脱離エネルギーが分布を持つ場合 (2016)
  • Author(s): 三浦 均、山本 哲生、野村 英子、中本 泰史、田中 今日子、田中 秀和、長沢 真樹子
  • Organizer: 地球惑星科学関連学会 2016年合同大会
  • Place of Presentation: 幕張メッセ（千葉県千葉市）
  • Year and Date: 2016-05-20
• [Presentation] 水の凝縮核生成の大規模MD計算と核生成率のスケーリング (2016)
  • Author(s): 田中今日子, Raymond Angelil, 田中秀和, Juerg Diemand
  • Organizer: 日本物理学会第71回年次大会
  • Place of Presentation: 東北学院大学(宮城県・仙台市）
  • Year and Date: 2016-03-19
• [Presentation] 水の凝縮核生成の分子動力学計算 (2016)
  • Author(s): 田中今日子, Raymond Angelil, 田中秀和, Juerg Diemand
  • Organizer: 低温物質の界面・ナノ現象ワークショップ2016
  • Place of Presentation: 北海道大学（北海道札幌市）
• [Presentation] 液相からの気泡核生成の大規模分子動力学計算と古典的理論の改良 (2015)
  • Author(s): 田中今日子, 田中秀和, Juerg Diemand, Raymond Angelil
  • Organizer: 第29回分子シミュレーション討論会
  • Place of Presentation: 朱鷺メッセ(新潟県・新潟市）
  • Year and Date: 2015-11-30
• [Presentation] Homogeneous SPC/E Water Nucleation in Large Molecular Dynamics Simulations (2015)
  • Author(s): H. Tanaka, K. K. Tanaka, R. Angelil, J. Diemand
  • Organizer: ILTS International Symposium on Low Temperature Science
  • Place of Presentation: 北海道大学低温科学研究所（北海道・札幌市）
  • Year and Date: 2015-11-30
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Shock heating of dusts and icy planetesimals and recondensation of icy grains (2015)
  • Author(s): K. K. Tanaka, M. Nagasawa, H. Tanaka, T. Nakamoto, H. Nomura, H. Miura, and T. Yamamoto
  • Organizer: Goldschmidt conference 2015
  • Place of Presentation: Prague Congress Center [プラハ（チェコ）]
  • Year and Date: 2015-08-16
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Diagnosing evaporation of icy planetesimals in protoplanetary disks (2015)
  • Author(s): H. Nomura, D. Ishimoto, M. Nagasawa, K. K. Tanaka, H. Miura, T. Nakamoto, H. Tanaka, & T. Yamamoto
  • Organizer: IAU General Assembly
  • Place of Presentation: Hawaii Convention Center [Hawaii (USA)]
  • Year and Date: 2015-08-03
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 液相からの気泡核生成の大規模分子動力学計算と古典的理論の改良 (2015)
  • Author(s): 田中今日子, 田中秀和, Juerg Diemand, Raymond Angelil
  • Organizer: 北海道大学低温科学研究所研究集会衛星系研究会：衛星系と噴火現象
  • Place of Presentation: 北海道大学低温科学研究所（北海道・札幌市）
  • Year and Date: 2015-07-21
• [Presentation] 水蒸気から液滴への均質核生成の大規模分子動計算 (2015)
  • Author(s): 田中今日子,田中秀和, Raymond Angelil, Juerg Diemand
  • Organizer: 地球惑星科学関連学会2015年合同大会
  • Place of Presentation: 幕張メッセ（千葉県・千葉市）
  • Year and Date: 2015-05-22
• [Presentation] 気泡核生成の大規模分子動力学計算と古典的核生成理論の改良 (2015)
  • Author(s): 田中今日子,田中秀和, Raymond Angelil, Juerg Diemand
  • Organizer: 地球惑星科学関連学会2015年合同大会
  • Place of Presentation: 幕張メッセ（千葉県・千葉市）
  • Year and Date: 2015-05-22
• [Remarks] 北海道大学プレスリリース（2015. 8.19）水の凝縮核生成の大規模分子動力学シミュレーション
  • URL: http://www.lowtem.hokudai.ac.jp/press.html
• [Remarks] 核生成- from water vapor to droplet-(日本語）
  • URL: https://www.youtube.com/watch?v=QI4TRR-bntI&nohtml5=False
• [Remarks] Nucleation -from water vapor to droplet -(English)
  • URL: https://www.youtube.com/watch?v=jq8pCThPIjo&nohtml5=False