2018 Fiscal Year Research-status Report
非熱系拡張動的ファシリテーション理論による高密分子系の非平衡相転移の統一的解明
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17K05574
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| Research Institution | Nagoya Institute of Technology |
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Principal Investigator |
礒部 雅晴 名古屋工業大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (80359760)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | 高密剛体球系 / 分子動力学法 / 非平衡相転移 / 動的協働促進機構 / 時空アンサンブル |
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| Outline of Annual Research Achievements |
近年、高密分子・粉体系の「ガラス・ジャミング転移」それらの類似性に着目した「遅い緩和」を記述する統一的（普遍的）枠組みに関する研究が精力的に行われている。これまで多角的な観点から問題解決の努力がなされてきているが、多くの新しい観点からの研究が絶え間なく創生され、世界中の研究者を魅了し続けている。本研究では、代表者の開発した高密度剛体球系の解析に必要不可欠な高速アルゴリズムならびに新しい解析手法といった方法論を用い、「フリージング(freezing)」「フラジリティ(fragility)」「ファシリテーション(facilitation)」という概念を軸に、理論・実験・計算機シミュレーションによる国際共同研究を遂行している。特に、過圧縮液体の動的機構とガラス転移のメカニズムは、熱力学起源の理論と動的ファシリテーション理論(Dynamic Facilitation:DF)との間に大きな論争がある。熱的起源によらない(密度が唯一の制御変数となる)高密度な非熱系に着目し、分子・粉体・ガラス系へ一般化された動的ファシリテーション機構や時空アンサンブル解析により非平衡相転移を解明することを目標とし研究を遂行している。
平成30年度は研究計画の2年目であり以下の研究を中心に遂行した。(a)「フリージング(freezing)」として高速化の鍵となるイベント鎖のパラメーターと緩和機構の関係性を調べた。(b)「ファシリテーション(facilitation)」の共同研究(中国・香港)として、高密度の過圧縮液体系のシミュレーションで得られた結果とコロイド系実験の結果とを直接比較しDF理論の検証ならびに「遅い緩和の起源」についての新しい微視的物理機構について明らかにした。
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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
本研究は、3つの研究ステージで構成されている。(I). 「フリージング」：3次元結晶構造間の安定性(精密な自由エネルギー計算) と融解の動的起源の探求。(II). 「フラジリティ」：非熱ガラス系の分子をソフト化した際の系の柔らかさとの関係、動的不均一性とひも状の協働促進運動の変化(実験とシミュレーションの比較)並びにその理論検証。 (III). 「ファシリテーション」：高密ガラス・ジャミング転移の励起構造の時空間解析による非平衡相転移の解明。これらの研究遂行のため、 (i)「Event-Based Hybrid 高速アルゴリズム」(ii)「近接粒子に対する新しい配向秩序変数と動的多体相関関数法」(iii) 「TPS法と時空アンサンブル解析」の3つの新しい方法論を導入し、高密系解析の方法論の確立と非熱分子系の統一的解明をめざしている。
平成30年度は主に (II)に関して、香港理工大学・ハルビン工業大学（深セン）などとの共同研究を発展させた。昨年度から継続で、コロイド系実験との比較検証によりDF予想を支持する結果ならびに新しい緩和機構の存在も観測された。実験、シミュレーションで得られた軌道データによる解析の確認作業を慎重に行い現在成果をまとめている。また、高密クラスター衝突と衝撃波の発生機構の大規模剛体球分子動力学法による解析結果を含め、日本物理学会誌特集「広がり巻き込む乱流現象」の記事として「粉体乱流―ミクロとマクロの架け橋へ」を共同執筆した（7月号掲載）。平成31年度は、分子シミュレーション学会夏の学校の講師としての依頼講演1、解説論文1、国際会議1にて研究成果を発表した。学内業務により国際会議３件ほど参加を断念せざるをえなくなったが、共同研究は見込んだ程度の遅延にとどまっているため、おおむね当初の計画通り研究が進展していると考えている。
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| Strategy for Future Research Activity |
2019年度は本プロジェクトの最終年度となる。国際共同体制を密にして、結果の相互チェックを頻繁に行い、ガラス・ジャミング転移を含めた高密分子系の動的挙動、ならびに「遅い緩和」の分子レベルの動的メカニズムの解明にむけ、統一的理解をめざす。研究推進の具体的な方策として、2年目に導入したバルク型並列計算に対応できる大容量のファイルサーバも含めた計算機環境を用い、広範囲なパラメーター空間でのデータの精密化を系統的に遂行する。3つの研究ステージにおいては、(I) Event-Chain MCによる緩和機構の全容解明。(II)コロイド系実験の結果との比較検証を精密化させ、フラジリティとの関係を明瞭にすることをめざす。また蓄積した大規模な分子の軌道データより、ひも状の協働促進運動のトリガーとなるソフトスポットと分子の配置構造の関係性をシミュレーションと実験の双方から調べる。(III) ガラス・ジャミング転移の包括的な理解をめざし「3次元剛体球系における動的ファシリテーション機構」の解明並びに近年大きな問題となりつつある剛体球極限でのジャミング転移の振る舞いを調べるため直接計算による「剛体球系におけるジャミング転移」の解明、といった研究を遂行する。これらの研究成果を原著論文にまとめ、国内外の学会で発表を行う予定である。
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| Causes of Carryover |
昨年度残金が6974と一万円以下となったため、本年度に繰り越した。
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