2018 Fiscal Year Research-status Report
ナノ多孔質系における加速イオンダイナミクスの分子動力学
| Project/Area Number |
17K05570
|
|---|
| Research Institution | Tokyo Institute of Technology |
|---|
Principal Investigator |
巾崎 潤子 東京工業大学, 物質理工学院, 助教 (10133331)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
|
| Keywords | 多孔質 / 分子動力学シミュレーション / 自己組織化 / 自己修復 / ストレス緩和 / 動的不均一性 |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
多孔質の系を含む複合系などにおいてイオンの加速ダイナミクスがあることが実験的に報告されているが、その機構については起源の異なる多くの説があり明確でなかった。そこで、ケイ酸リチウムガラスに空孔を導入した系におけるリチウムイオンのダイナミクスを分子動力学シミュレーションによって調べ、加速機構について検討した。
前年度、ダイシリケート系で、密度（あるいはその関数であるポロシティ）に依存して拡散係数が大きく変化し、拡散係数が最大値を示すことが分かったので、これについてさらに研究を進め、最大値ができる理由やどの時間領域でダイナミクスの加速が起きているのかを明らかにすることができた。つまり、加速は主にイオンがまだケージの中で非線形運動をしているNCL領域にすでに認められ、ケージの幾何学的な自由度の変化が主な原因であることが明らかになった。このような機構解明に特性時間の逆数のアレニウスプロットが有用であることを示した。さらに、元の系に見られるダイナミクスの動的不均一性（速いイオンと遅いイオンの共存）が多孔質系にもみられることが分かり、その非ガウス性パラメータによる特徴づけなどを行った。また、イオンの周囲の酸素の配位数などを用いて局所構造を特徴づけて、イオンのダイナミクスと構造の関係を確立できた。これらの成果は、国際共著論文としてJ. Non-Cryst. Solids 誌に掲載されたほか、GCEMSE2018、ICG2018の2件の国際会議での招待講演、および Nanotech-2018の基調講演として発表した。
また、この加速機構や系の自己組織化による再配置と系の圧力が大きく関係することが明らかになってきたので、これについても検討を開始した。特に、NVE条件で得られた多孔質系において圧力一定のシミュレーション行うと自己修復過程が認められたので、これについてもさらに詳細な検討を進めている。
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
当初目的としていた多孔質系でのNVE条件でのイオンの加速機構について明らかにできた。まず、多孔質を導入したリチウムダイシリケート系ガラスの分子動力学シミュレーションの結果、大きなイオンダイナミクスの加速がNVE条件で予測され、この時のイオンの加速機構を、平均二乗変位の変化を詳細に調べることにより検討し、どの時間領域に関わる運動が変化しているのかを明らかにすることができた。さらに、系の密度を変化させて多孔質を系に導入したときには拡散係数の極大が生じるが、この起源も明らかにできた。この様に、MSDの特性時間を調べることで可能な加速機構がうまく分離して評価できることを示すことができたが、このような手法は他の系の機構解明にも役立つ。
これより密度を低くした領域では、より大きなボイド（数nmの領域）の自己組織化が起こることが分かったので、この機構についても検討した結果、その挙動が系の内部圧の変化に関係した一種のストレス緩和によることが明らかになった。またこの挙動は、関連した系で調べられているStress-Strain曲線の挙動ともよく対応していた。
さらに、この加速機構がイオンの動的不均一性とどのような関係にあるかを、時空相関関数などを用いて明らかにすることができた。これらの結果は、物理学上の重要な未解決問題とされるガラス転移の機構とも大きく関わっているので波及効果が大きい。また、多孔質系が、基礎科学研究のプラットフォームとしても重要な役割を持つことが示された。これらの成果は、論文発表したほか、Pan Stanfordから出版予定の本に盛り込んでいる。このように一定の成果と新しい方向性が見いだされ、これらの関連分野への波及効果も大きいことから、おおむね順調に進展していると言えよう。
|
| Strategy for Future Research Activity |
当初の31年度の予定であった、mechanicalな性質やストレス緩和との関係についての結果が、30年度にすでに得られているので、この研究をさらに自己修復機構の研究に発展させていくことにしたので、この事情について説明する。
このNVE条件で得られた多孔質系をNPT条件で緩和させていくと、系の自己修復（ヒーリング）が認められた。この挙動は前述のストレス緩和挙動とも深く関係しておりこの問題はさらに発展させていく必要があると思われる。これらの挙動はコンポジット系を扱う上での基礎としても重要なので、軸足をこちらに移して研究を展開していく。この自己修復過程を出発密度が異なる場合や温度が異なる場合について比較を行い、修復の関数形などの詳細に明らかにし機構の解明を試みる。これまでの結果を盛り込んだ本を出版予定であるので、この仕上げを行っていく。
|
| Causes of Carryover |
今年度の国内での発表予定を取りやめ、来年度の国際会議の招待講演の依頼を多くいただいたので、その旅費や登録料に充てることにした。
大阪で２件の国際会議がある他、Las Vegasでの国際会議で招待講演を予定している。また、バージョンアップする予定だったソフトウェアがあるが、一部使えなくなる機能があることが分かったので、再検討して次年度に購入するものを決めたい。
|
