自己組織化における構造形成原理と外生雑音の機能的役割

2009 Fiscal Year Annual Research Report

• Project Area: Emergent Chemistry of Nano-scale Molecular System
• Project/Area Number: 20111003
• Research Institution: Kyushu University
• Principal Investigator: 甲斐 昌一 Kyushu University, 大学院・工学研究院, 教授 (20112295)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 日高 芳樹 九州大学, 大学院・工学研究院, 助教 (70274511)
• Keywords: 自己組織化 / 創発ノイズ / 階層性 / 揺動定理 / 確率共鳴 / ナノ構造 / VLSプロセス / 分子動力学法

Research Abstract

VLSプロセスによるナノワイヤー形成メカニズムの解明を行った。Ge, Si,あるいはMgO等の物質の単結晶ナノワイヤーを制御的に形成する技術として、基板上に融解した液滴状の触媒物質(Auなど)を置いた上で気体状態の結晶材料を供給することにより、液滴内部での結晶成長を著しく促進する手法(Vapor-liquid-solid(VLS)過程)は広く実験が行われているものの、いかにして液滴溶媒が結晶成長をし得るのかといった、ミクロスケールでのVLS過程のダイナミクスは未だ解明されていない。
そこで本研究では、分子動力学シミュレーションを通して、VLS過程のメカニズムを非平衡熱統計力学的視点から理解することを試みた。先ず最初に結晶成長物質と溶媒物質をそれぞれ相互作用の異なる粒子系により実装することでシミュレーションを行った。ここではVS系およびVLS系における結晶成長を個別に同条件下で観察することにより、溶解・凝固・輸送といった結晶成長に関わる素過程の双方の系での差異を明らかにした。
次に、金属酸化物結晶を模した2種の粒子系により結晶成長が起こるモデルを構築し、この系においては実際にナノワイヤー成長の初期過程を再現することに成功した。さらに、実験的に得られている材料供給量-結晶成長率間の非線形特性およびそのVS・VLS系での差異をシミュレーション上でも定性的に再現した。
このことにより上記モデルが、より制御的にナノワイヤー形成するための実験条件の提言、あるいはVLS過程において外場やノイズ制御によりさらに高次な自己組織的な構造構築を模索する際の標準的モデルになりうると考えられる。

Research Products

• [Journal Article] A Nonequilibrium Temperature and Fluctuation Theorem for Soft-Mode Turbulence (2010)
  • Author(s): Yoshiki HIDAKA, Yusaku HOSOKAWA, Noriko OIKAWA, Koyo TAMURA, Rinto ANUGRAHA, Shoichi KAI
  • Journal Title: Physica D 239 Pages: 735-738
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Main Chain Liquid-Crystalline Elastomers : Swelling Dynamics and Electromechanical Effects (2009)
  • Author(s): Yusril YUSUF, Shigehiro HASHIMOTO, P.E.CLADIS, Helmut R.BRAND, Simon KRAUSE, Heino FINKELLMAN, Shoichi KAI
  • Journal Title: Molecular Crystals Liquid Crystals 508 Pages: 367/[729]-369/[741]
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Pure Noise-Induced Pattern Formations in a Nematic Liquid Crystal (2009)
  • Author(s): Jong-Hoon HUH, Shoichi KAI
  • Journal Title: The Journal of the Physical Society of Japan 78 Pages: 043601-1-4
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Difference in Noise-Induced Threshold shift between Planar and Homeotoropic Electroconvections in a Nematic Liquid Crystal (2009)
  • Author(s): Jong-Hoon HUH, Akiyuki KURIBAYASHI, Shoichi KAI
  • Journal Title: The Journal of the Physical Society of Japan 78 Pages: 083601-1-4
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Effects of Cationization and 6-Hydroxydopamine on the Reduced Iron Release Rates From Ferritin by Radio-Frequency Magnetic Fields (2009)
  • Author(s): Oscar CESPEDES, Osamu INOMOTO, Shoichi KAI, Shogo UENO
  • Journal Title: IEEE TRANSACTIONS ON MAGNETICS 45 Pages: 4865-4868
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Symmetry-Dependent Defect Structures in Soft-Mode Turbulence (2009)
  • Author(s): Rinto ANUGRAHA, Yoshiki HIDAKA, Tatsuhiro UEKI, Shoichi KAI
  • Journal Title: Physical Review E 80 Pages: 066304-1-19
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Noise-Controlled Pattern Formation and Threshold Shift for Electroconvection in the Conduction and Dielectric Regimes (2009)
  • Author(s): Jong-Hoon HUH, Akiyuki KURIBAYASHI , Shoichi KAI
  • Journal Title: Physical Review E 80 Pages: 066304-1-19
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Hidden Order in a Spatiotemporal Chaotic System (2010)
  • Author(s): Rinto Anugraha, Koyo Tamura, Yoshiki Hidaka, Noriko Oikawa, Shoichi Kai
  • Organizer: International Workshop on Exploring Complex Dynamics in High-Dimensional Chaotic Systems : From Weather Forecasting to Oceanic Flows
  • Place of Presentation: Max Planck Institute for Physics of Complex System, Dresden, German
  • Year and Date: 20100125-20100126
• [Presentation] A New Topological Defect in Soft-Mode (2010)
  • Author(s): Rinto Anugraha, Tatsuhiro Ueki, Yoshiki Hidaka, M.I.Tribelsky, Shoichi Kai
  • Organizer: International Workshop on Exploring Complex Dynamics in High-Dimensional Chaotic Systems : From Weather Forecasting to Oceanic Flows
  • Place of Presentation: Max Planck Institute for Physics of Complex System, Dresden, German
  • Year and Date: 20100125-20100126
• [Presentation] ソフトモード乱流におけるパターン秩序度の磁場応答 (2010)
  • Author(s): 植木達博、Rinto Anugraha、日高芳樹、Fahrudin Nuguroho、甲斐昌一
  • Organizer: 日本物理学会第65回年次大会
  • Place of Presentation: 岡山大学津島キャンパス
  • Year and Date: 2010-03-23
• [Presentation] ソフトモード乱流の時間相関 (2010)
  • Author(s): 日高芳樹、吉谷淳一、長屋智之、Rinto Anuaha、甲斐昌一
  • Organizer: 日本物理学会第65回年次大会
  • Place of Presentation: 岡山大学津島キャンパス
  • Year and Date: 2010-03-23
• [Presentation] VLSプロセス成長に関するイオン性結晶モデルによる計算物理学的研究 (2010)
  • Author(s): 鈴木将、日高芳樹、柳田剛、金井真樹、川合知二、甲斐昌一
  • Organizer: 日本物理学会第65回年次大会
  • Place of Presentation: 岡山大学津島キャンパス
  • Year and Date: 2010-03-23
• [Presentation] A Line Defect Structure in Soft-Mode Turbulence (2010)
  • Author(s): Rinto Anugraha, Tatsuhiro Ueki, Yoshiki Hidaka, M.I.Tribelsky, Shoichi Kai
  • Organizer: American Physical Society March Meeting 2010
  • Place of Presentation: Portland, Oregon, USA
  • Year and Date: 2010-03-16
• [Presentation] Order Parameters and Response to External Fields in a Spatiotemporal Chaotic System (2010)
  • Author(s): Rinto Anugraha, Koyo Tamura, Yoshiki Hidaka, Noriko Oikawa, Shoichi Kai
  • Organizer: American Physical Society March Meeting 2010
  • Place of Presentation: Portland, Oregon, USA
  • Year and Date: 2010-03-16
• [Presentation] 分子動力学シミュレーションによるVLS結晶ナノ構造形成 (2010)
  • Author(s): 鈴木将、日高芳樹、甲斐昌一
  • Organizer: かたちシューレ@太宰府
  • Place of Presentation: ホテルグランディア太宰府、大宰府市
  • Year and Date: 2010-03-12
• [Presentation] 相関をもつ雑音の統計力学的性質と機能 (2010)
  • Author(s): 日高芳樹、細川雄作、鈴木将、及川典、甲斐昌一
  • Organizer: 新学術領域研究「分子ナノシステムの創発化学」第一回全体会議
  • Place of Presentation: キャンパスプラザ京都、京都市
  • Year and Date: 2010-02-06
• [Presentation] VLSプロセスによるイオン性結晶ナノワイヤー成長の計算物理学的研究～分子動力学によるミクロからのアプローチ～ (2010)
  • Author(s): 鈴木将、日高芳樹、柳田剛、金井真樹、川合知二、甲斐昌一
  • Organizer: 新学術領域研究「分子ナノシステムの創発化学」第一回全体会議
  • Place of Presentation: キャンパスプラザ京都、京都市
  • Year and Date: 2010-02-06
• [Presentation] 液晶電気対流系における非平衡ブラウン運動 (2009)
  • Author(s): 橋口愛、細川雄作、日高芳樹、甲斐昌一
  • Organizer: 第115回日本物理学会九州支部例会
  • Place of Presentation: 宮崎大学木花キャンパス
  • Year and Date: 2009-12-05
• [Presentation] ソフトモード乱流における新しいタイプの欠陥 (2009)
  • Author(s): 植木達博、Rinto Anugraha、日高芳樹、甲斐昌一
  • Organizer: 第115回日本物理学会九州支部例会
  • Place of Presentation: 宮崎大学木花キャンパス
  • Year and Date: 2009-12-05
• [Presentation] 南部-Goldstoneモードと時空カオス (2009)
  • Author(s): 日高芳樹、甲斐昌一
  • Organizer: 第68回形の科学シンポジウム「かたちが生みだす機能,機能を発揮するかたち」
  • Place of Presentation: 獨協医科大学臨床医学棟10階ホール
  • Year and Date: 2009-11-23
• [Presentation] A New Type of Defect in Soft-Mode Turbulence (2009)
  • Author(s): Rinto Anugraha, Tatsuhiro Ueki, Yoshiki Hidaka, M.I.Tribelsky, Shoichi Kai
  • Organizer: 乱流現象及び非平衡系の多様性と普遍性
  • Place of Presentation: 九州大学筑紫キャンパス
  • Year and Date: 2009-11-12
• [Presentation] 気-液-固,非平衡質量輸送による結晶成長～ナノワイヤー形成の分子動力学シミュレーション～ (2009)
  • Author(s): 鈴木将、日高芳樹、柳田剛、金井真樹、川合知二、甲斐昌一
  • Organizer: ワークショップ「創発現象の世界」
  • Place of Presentation: 九州大学西新プラザ大講義室
  • Year and Date: 2009-10-17
• [Presentation] ソフトモード乱流における揺らぎ定理 (2009)
  • Author(s): 日高芳樹、細川雄作、鈴木将、甲斐昌一
  • Organizer: ワークショップ「創発現象の世界」
  • Place of Presentation: 九州大学西新プラザ大講義室
  • Year and Date: 2009-10-17
• [Presentation] Vapor-liquid-solid結晶成長過程の計算物理学的研究 (2009)
  • Author(s): 鈴木将、日高芳樹、柳田剛、金井真樹、川合知二、甲斐昌一
  • Organizer: 日本物理学会 2009年秋季大会
  • Place of Presentation: 熊本大学黒髪キャンパス
  • Year and Date: 2009-09-26
• [Presentation] ソフトモード乱流における揺らぎ定理とその限界 (2009)
  • Author(s): 細川雄作、日高芳樹、鈴木将、甲斐昌一
  • Organizer: 日本物理学会 2009年秋季大会
  • Place of Presentation: 熊本大学黒髪キャンパス
  • Year and Date: 2009-09-25
• [Presentation] 液晶散逸構造における秩序-無秩序転移と線状欠陥 (2009)
  • Author(s): 日高芳樹・Rinto Anugraha、植木達博、甲斐昌一
  • Organizer: 日本液晶学会 液晶討論会
  • Place of Presentation: 東京農工大学小金井キャンパス
  • Year and Date: 2009-09-14
• [Presentation] シアノ基を含む液晶エラストマーの相転移挙動 (2009)
  • Author(s): 工藤将太、山口翔平、Yusuf Yusril、河野真也、岡部弘高、甲斐昌一
  • Organizer: 日本液晶学会 液晶討論会
  • Place of Presentation: 東京農工大学小金井キャンパス
  • Year and Date: 2009-09-13
• [Presentation] Ising型双極子2成分粒子系の凝集パターン形成およびダイナミクス (2009)
  • Author(s): 鈴木将
  • Organizer: SOEセミナー
  • Place of Presentation: 九州大学大橋キャンパス5号館
  • Year and Date: 2009-08-21
• [Presentation] 液晶散逸構造の非線形マクロ揺動と揺らぎ定理 (2009)
  • Author(s): 日高芳樹、細川雄作、鈴木将、甲斐昌一
  • Organizer: 新学術領域研究「分子ナノシステムの創発化学」第一回全体会議
  • Place of Presentation: ホテルポールスター札幌,ノボテル札幌,札幌市
  • Year and Date: 2009-08-21
• [Presentation] VLS過程による結晶ナノワイヤー成長の分子動力学シミュレーションを用いた検証 (2009)
  • Author(s): 鈴木将、日高芳樹、柳田剛、金井真樹、川合知二、甲斐昌一
  • Organizer: 新学術領域研究「分子ナノシステムの創発化学」第一回全体会議
  • Place of Presentation: ホテルポールスター札幌,ノボテル札幌,札幌市
  • Year and Date: 2009-08-21
• [Book] 自己組織化ハンドブック (2009)
  • Author(s): 日高芳樹
  • Total Pages: 231-235
  • Publisher: NTS
• [Book] 自己組織化ハンドブック (2009)
  • Author(s): 甲斐昌一
  • Total Pages: 8-10
  • Publisher: NTS
• [Book] 液晶のパターンダイナミクス/滑りと摩擦の科学(非線形科学シリーズ4) (2009)
  • Author(s): 日高芳樹、甲斐昌一
  • Total Pages: 3-92
  • Publisher: 培風館