2019 Fiscal Year Annual Research Report
Computational study of contact angles in wettability based on nano-modelings of local structures at interfaces
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17K17762
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| Research Institution | Japan Advanced Institute of Science and Technology |
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Principal Investigator |
本郷 研太 北陸先端科学技術大学院大学, 情報社会基盤研究センター, 准教授 (60405040)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | 表面・界面物性 / 濡れ性 / シミュレーション工学 / 化学物理 / 第一原理計算 / 量子モンテカルロ法 / 分子間力 / モデリング |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は、固液界面の局所構造モデリングを通じて第一原理算定可能な物性量を用いることで、巨視的な物理量である濡れ性接触角を評価する。まず、固液界面を形成する特徴的な原子配列に着目し、その局所構造に対して第一原理計算による相互作用評価を行う。次に、濡れ性接触角のヤングの式に現れる表面・界面エネルギーをこの第一原理評価で得られた相互作用で近似して、接触角を評価する。このようなナノモデリングに基づく接触角の第一原理算定は、これまで先行事例に乏しく、その汎用性評価は未検証のままであった。
本研究は、界面局所構造ナノモデリングの有効性と汎用性を検証し、濡れ性接触角の第一原理算定スキームを確立することを目的としている。本研究では、撥水性を持つ典型的な表面系である銅表面を対象として、複数の局所界面モデル、すなわち、銅表面上に置いた水クラスターを複数考慮して、局所構造モデルと呼応する接触角の分布を調べた。その結果、局所構造モデルに依存して、接触角は分布を持ち、15度程度のレンジを持っていた。当初の計画では、接触角の構造モデル依存性はそれほど大きくないと想定していたため、最適な構造モデルを選択する方針自体を検討していなかった。モデル選択の指標として、実際の固液界面構造についての実験事実なども検討したが、そのような方針でのモデル選択は難しく、本研究では方針を変更して、最適な構造モデルの選択という方針をやめ、統計力学的なアンサンブル平均として取り扱う方針に変更した。その結果、実験参照値と非常に良く一致する結果が得られることが確認できた。アンサンブルとしての局所構造モデルの選択に恣意性はあるものの、平均操作自体には恣意性はなく、より汎用的な接触角算定スキームを確立することができた。
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