Structural mechanisms of crystallization and complex-liquid behaviors of phase change materials

Research Project

Project/Area Number	19F01021
Research Category	Grant-in-Aid for JSPS Fellows
Allocation Type	Single-year Grants
Section	外国
Review Section	Basic Section 13040:Biophysics, chemical physics and soft matter physics-related
Research Institution	The University of Tokyo
Principal Investigator	古川亮東京大学, 生産技術研究所, 准教授 (20508139)
Co-Investigator(Kenkyū-buntansha)	HU YUANCHAO 東京大学, 生産技術研究所, 外国人特別研究員
Project Period (FY)	2019-10-11 – 2021-03-31
Project Status	Completed (Fiscal Year 2020)
Budget Amount *help	¥2,300,000 (Direct Cost: ¥2,300,000) Fiscal Year 2020: ¥1,100,000 (Direct Cost: ¥1,100,000) Fiscal Year 2019: ¥1,200,000 (Direct Cost: ¥1,200,000)
Keywords	ガラス転移 / ガラス形成能 / 結晶化 / 金属合金
Outline of Research at the Start	相変化メモリーの基礎を確立するには、ガラス形成能・結晶成長速度をどのような物理因子が決定しているのかを解明することが極めて重要である。そこで、異なるタイプの液体の局所構造化とその回転対称性と結晶の回転対称性の整合性と結晶核形成頻度の関係を調べることにより、液体に形成される局所安定構造がガラス形成能に及ぼす影響について詳細に研究する予定である。また、このような液体・固体間の構造の整合性と結晶成長速度の関係についても検討を行う。
Outline of Annual Research Achievements	カルコゲナイドガラスや金属ガラスのガラス形成能は、応用上の重要性から多くの注目を集めてきたが、その制御因子は不明であった。特に、複数の原子種を混合することによりある組成でガラス形成能が劇的に向上することが経験的に知られていたが、その物理的機構は未解明であった。そこでこの謎に迫るべく、分子動力学シミュレーションを用いて、大きく異なるガラス形成能を持つ３つのモデル金属系について研究を行った。その結果、これらの系の結晶化の熱力学的駆動力には大きな差はないこと、一方で、液体と結晶の界面張力は大きく異なることを見出した。また、これらの液体のダイナミクスにも大きな差がないことから、これらの系のガラス形成能の違いは、液体・結晶間の界面張力によって支配されていることが明らかとなった。さらに、界面張力は、液体中に自発的に形成される構造的な秩序とその構造内の原子組成によって決定されていることを明らかにした。また、界面張力は、結晶の核形成を支配しているだけでなく、結晶成長にも大きな影響を与えることを明らかにした。これらの事実は、古典的な結晶化理論には重大な欠陥があり、これまで考えられてこなかった液体中に形成される局所的な構造秩序の効果をあらわに考慮する必要があることを強く示唆している。
Research Progress Status	令和2年度が最終年度であるため、記入しない。
Strategy for Future Research Activity	令和2年度が最終年度であるため、記入しない。