| Project/Area Number |
22K18318
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Challenging Research (Pioneering)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Review Section |
Medium-sized Section 28:Nano/micro science and related fields
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| Research Institution | The University of Electro-Communications |
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Principal Investigator |
伏屋 雄紀 電気通信大学, 大学院情報理工学研究科, 教授 (00377954)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
勝野 弘康 金沢大学, 学術メディア創成センター, 准教授 (70377927)
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| Project Period (FY) |
2022-06-30 – 2026-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥25,870,000 (Direct Cost: ¥19,900,000、Indirect Cost: ¥5,970,000)
Fiscal Year 2025: ¥2,340,000 (Direct Cost: ¥1,800,000、Indirect Cost: ¥540,000)
Fiscal Year 2024: ¥8,840,000 (Direct Cost: ¥6,800,000、Indirect Cost: ¥2,040,000)
Fiscal Year 2023: ¥8,580,000 (Direct Cost: ¥6,600,000、Indirect Cost: ¥1,980,000)
Fiscal Year 2022: ¥6,110,000 (Direct Cost: ¥4,700,000、Indirect Cost: ¥1,410,000)
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| Keywords | チューリング・パターン / ビスマス単原子層 / 結晶成長 / パターン形成 / 反応拡散方程式 |
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| Outline of Research at the Start |
最近我々は，ビスマス単原子膜に現れるナノスケールの奇妙な模様が，熱帯魚の縞模様など生物のパターン形成と同じ「チューリング・パターン」であることを初めて明らかにした．我々の成果は，単にビスマス原子膜模様の機序の解明や世界最小のチューリング・パターンの発見にとどまらず，「チューリング理論に基づく新物質構造の創生」という物質科学の新たな方向性をもたらした．
本研究では，我々が見出した新しい原理に立脚し，ナノ薄膜のパターン形成を数理生物学のチューリング理論に基づいて制御することで，新物質構造の創生と機能の開拓に挑戦する．
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| Outline of Annual Research Achievements |
これまでに我々は，ナノスケールのチューリング・パターン形成には，３種類の原子間ポテンシャルが重要な役割を果たすことを明らかにした．これらを構成要素とする原子変位の時間発展方程式を導出し，チューリング・パターンを得るシミュレーション法を開発してきた．今年度は，この方法をより現実の系に近く，より精度の高いシミュレーション法を確立するために，分子動力学法を用いた方法の開発を行った．NbSe2基板上のBi単原子層を想定して，Bi-Bi間およびBi-Se間の原子間力（レナード・ジョーンズ型）を考慮したシミュレーション法を実装した．開発したコードを用いて，実験で確認されているBi原子の三角格子と一致する結果を得た．
さらに，現実の結晶成長を想定して，アニーリングによる結晶の高純度化についてもシミュレーションを行った．上昇させる温度や，温度の時間変化率に最適な条件があることがシミュレーションにより明らかとなった．
第一原理計算によるシミュレーションも行った．Bi薄膜の構造最適化を行ったところ，表面に近い数層は面間距離が長くなるということを明らかにした．さらに，バルクのBiでは，面間距離が長くなると，トポロジーが転移することも明らかにした．これらの結果より，Bi薄膜では，バルクとは異なるトポロジーが観測される可能性があることが分かった．チューリング・パターンの判別法について，２次元高速フーリエ変換を用いることにより，従来の回折パターンとは異なるパターンが得られることが分かった．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
当初計画を前倒しして，分子動力学法と第一原理計算によるシミュレーション開発を行えたため，今年度はさらに両者を用いた具体的研究を進め，いくつかの成果を得ることができた．さらに，実空間でのチューリング・パターンの判別法についても，新しい回折パターンを得るという進展があった．以上のことから，「おおむね順調に進展している」と判断した．
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| Strategy for Future Research Activity |
当初計画に沿って，研究を進める．分子動力学法では，２体ポテンシャルに加え，３体ポテンシャル（結合角ポテンシャル）を取り入れる．構造解析と評価については，画像解析の方法を確立し，チューリング．パターンの実空間での判別についての研究を進める．解析法の確立と並行して，パターン形成の実験研究も進むように，実験グループとの連携を深める．
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