2018 Fiscal Year Research-status Report
格子欠陥ダイナミクスを利用した低次元ナノ炭素材料の自発曲率形成機構の解明
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17K14145
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| Research Institution | University of Fukui |
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Principal Investigator |
LEI XIAOWEN 福井大学, 学術研究院工学系部門, 准教授 (50726148)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | 格子欠陥 / 曲率 / 低次元炭素材料 / 回位 / 転位 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
三次元構造体で線欠陥として定義される転位や回位（転傾）では、欠陥の芯となる特異線の周囲に特異応力場が形成される。一方、二次元構造体に欠陥を導入すると、欠陥の周囲の応力場は曲率を変化させる駆動力として作用し、応力場の緩和と形状変化が生じる。このメカニズムを積極的に利用すれば低次元材料の形態制御が可能になると考えられる。本研究では、グラフェンシートやカーボンナノチューブなどの可展面に六員環の周期的配列が写像された低次元ナノ炭素構造体の完全結晶に、欠陥を導入することによって形成される面外変形メカニズムを自発曲率の変化として理解し、欠陥の生成・消滅および移動による面外変形の制御と、ナノ構造体の形態制御の設計原理の獲得を目的とする。
設備備品として低次元曲率構造造形装置を導入し、前年度の考案した連続体モデルを用いて、ナノ構造体と相似な力学特性を有するプロトタイプ造形した。応力フリーの状態で固有の曲率を有する薄肉構造体を実際に整形し、その実際の変形特性を助として飛び移りや屈服といった座屈を拡張した構造安定論（広義の座屈理論）による解析を連続体モデルベースで行った。まず軸対象の古典弾性論解析を基礎とし、さらに有限変形を考慮した解析を行った。得られた解析結果から複数の欠陥が弾性的に相互作用問題を考えた。線形論に基づく古典的な転位論ではこのような場は単なる重ね合わせによって評価できるが、低次元材料では面外変形によって、上に凸、下に凸といった解の唯一性が破綻するだけでなく、幾何学的な非線形性が本質的に重要になるためたんなる重ね合わせでは評価できない可能性があった。
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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
有限変形を考慮した解析を行った。低次元材料では面外変形によって、上に凸、下に凸といった解の唯一性が破綻するだけでなく、幾何学的な非線形性が本質的に重要になるためたんなる重ね合わせでは評価できない可能性があった。日本機械学会計算力学講演会、M&M材料力学カンファレンス、the 9th Multiscale Materials Modeling (MMMM2018) に参加し、情報収集と成果発表を行った。
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| Strategy for Future Research Activity |
欠陥の生成・消滅、移動によって、所定の欠陥配置を構成する可能性を調べ、ナノ機能曲面設計論の礎となる理論を構築する。すべりや上昇といった結晶学的な欠陥の移動がナノ炭素構造でも観察されているので、その欠陥の移動に伴う曲面構造の変化を原子シミュレーションによって解析する。さらに、欠陥の移動に必要な活性化エネルギーをNudged Elastic Band (NEB) 法を用いて評価する。すでにNEB 法を用いたアルゴリズムについては経験を有している。設備備品として導入する大容量構造データ記憶装置に、大量の基本解析データを保存し、欠陥の相互作用のポスト処理、可視化などのために用いる。生成・消滅・移動により動的に構成される欠陥配置を平成29年度の静的な結果と比較し、自発曲率に基づくナノ機能曲面設計論の礎となる理論を構築する。
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| Causes of Carryover |
2017年度に妊娠・出産のために予定していた研究成果の国際会議と国内学会での発表を2018年度と2019年度に行うために未使用額としてが生じた。2019年度の使用計画は日本機械学会計算力学講演会、M&M 材料力学カンファレンス、オストラリアに開催する THE 13TH INTERNATIONAL CONFERENCE ON THE MECHANICAL BEHAVIOUR OF MATERIALS (ICM13)国際会議に参加し、成果発表を行う。得られた成果は速やかに論文として投稿するとともに、最終年度の研究成果広報資料を作成する。
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