Multiphysics of bifurcation phenomenon in nanostructures: Mechanical design of controlling brittle-ductile transition
| Project/Area Number |
23K25991
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| Project/Area Number (Other) |
23H01295 (2023)
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
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| Allocation Type | Multi-year Fund (2024)
Single-year Grants (2023) |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 18010:Mechanics of materials and materials-related
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
梅野 宜崇 東京大学, 生産技術研究所, 教授 (40314231)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
島 弘幸 山梨大学, 大学院総合研究部, 教授 (40312392)
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| Project Period (FY) |
2023-04-01 – 2027-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2024)
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| Budget Amount *help |
¥18,720,000 (Direct Cost: ¥14,400,000、Indirect Cost: ¥4,320,000)
Fiscal Year 2026: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000)
Fiscal Year 2025: ¥2,600,000 (Direct Cost: ¥2,000,000、Indirect Cost: ¥600,000)
Fiscal Year 2024: ¥4,550,000 (Direct Cost: ¥3,500,000、Indirect Cost: ¥1,050,000)
Fiscal Year 2023: ¥9,880,000 (Direct Cost: ¥7,600,000、Indirect Cost: ¥2,280,000)
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| Keywords | 原子モデル解析 / 構造不安定モード / マルチフィジックス / ナノ力学 / 脆性延性遷移 |
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| Outline of Research at the Start |
電気的・化学的作用下での構造分岐現象（構造不安定化）を司る不安定変形モードの形成過程を解析することで，ナノレベルの破壊・塑性変形に及ぼすマルチフィジクス効果（電気・化学的作用と力学の重合効果）の機序を解明し，さらに欠陥導入・形状付与により変形・破壊形態を制御するための指導原理を確立する．
申請者が構築してきた反応力場構築法と構造不安定モード解析法を融合し，さらに不安定モード自動探索アルゴリズムを実装することで，「構造不安定性が電気・化学的外場を受けていかに形成されるか」という新しい視点でナノ力学のマルチフィジクスを捉え，ナノ構造体の力学特性を雰囲気中で最適化するための力学設計を行う．
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| Outline of Annual Research Achievements |
現有の原子構造体不安定モード計算コード（研究室独自のハウスコード）に，反応力場関数・電場を表現するマルチフィジックス原子間ポテンシャル関数等の実装・統合を行った．逆誤差伝播法を用いた自動微分を駆使することで，原子間ポテンシャル関数の実装効率化と拡張性増強も行った．さらに，同コードのインターフェースと描画ルーチンを最適化することによって計算効率の大幅な増強に成功し（約10倍の計算高速化），不安定点近傍で急激に変化する構造不安定モードの追跡・モード自動探索による分岐マッピングを可能とした．特定の不安定モードを拘束することで通常の緩和計算で現れない変形経路探索を行うアルゴリズムを実装した．セリア・シリカ系の研磨およびき裂進展解析を行い，マルチフィジックス効果による変形・破壊モードへの影響を確認し，不安定モード解析による脆性延性遷移メカニズムの詳細検討に着手した．
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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
初年度に予定していた，構造不安定モード解析アルゴリズムの効率化と高度化を行うことができた．加えて，逆誤差伝播法を駆使することで将来的拡張性を拡大し，さらに描画アルゴリズムやインターフェースの最適化により計算効率や操作性の大幅な向上にも成功した．水を含むシリカ・セリア系の変形・き裂解析のテストにも成功した．以上のように，当初の研究計画を予定通り遂行できている．
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| Strategy for Future Research Activity |
ナノ結晶材の変形・破壊のモード解析：独自に構築した原子構造体不安定モード解析システムを用い，雰囲気中のナノ結晶材の変形・破壊モード解析を行う．同時に，解析結果から予想される理論式を都度暫定的に立てることで，解析すべき条件の設定を行う．対象とする材料は金属・セラミックス・酸化物とし，エッジ・ステップ・切欠き・き裂等を含むモデルを設定する．水蒸気雰囲気や外部電場等の環境下で外力負荷し，構造不安定挙動を解析する．ステップ方位や高さ等，形状に関するパラメータを変更して形状効果を調べる．さらに，モデルに欠陥（粒界，ボイド，包有物等）を導入して同様の解析を行い，構造不安定挙動に及ぼす影響を調べる．
化学機械研磨のモード解析：シリカ基板上に砥粒を配置し、砥粒を基板に押し付けながらスライドさせることで研磨過程を模擬した解析を行う．砥粒の種類を変更することで化学的環境の影響を調べる．砥粒の径や形状を変更して同様の解析を実施し，形状効果を調べる．また，モデルに欠陥（ボイド，包有物等）を導入して解析を行い，その影響を調べる．
データ統合・欠陥導入による分岐マップ変調の解析と力学設計：得られた解析データを分析し，脆性-延性遷移メカニズムの定式化（理論式構築）を試みる．得られた理論式から，不安定モード遷移を起こすための条件を予測する．
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Report
(1 results)
Research Products
(7 results)
