2019 Fiscal Year Annual Research Report
Molecular mechanism of slow dynamics in glass-forming liquids: Transition states and transport phenomena
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18H01188
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
金 鋼 大阪大学, 基礎工学研究科, 准教授 (20442527)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
中村 壮伸 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 材料・化学領域, 主任研究員 (10642324)
川崎 猛史 名古屋大学, 理学研究科, 講師 (10760978)
芝 隼人 東北大学, 金属材料研究所, 特任助教 (20549563)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | ガラス転移 / 過冷却液体 / 過冷却水 / ケージジャンプモデル / 高分子ガラス / ボゾンピーク |
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| Outline of Annual Research Achievements |
温度の低下に伴い過冷却液体の運動性は急激に低下し、ガラス転移温度以下では測定不可能となる。そのため過冷却液体はガラス転移を起こす原因を解明するための本質的な情報を保持している。分子レベルの局所構造が運動性逓減の原因と考えられているが、分子数個程度の局所構造と巨視的な輸送係数との関係を記述する枠組を構築する必要がある。分子スケールの局所構造が運動性を逓減させる現象としてケージ効果がある。ケージ効果とは周囲の分子で形成するケージが分子を一定時間拘束する現象であり、これにより分子の運動は低下して拡散係数は低下する。ゆえにケージ構造を明確に定義することは、局所構造-輸送係数の相関を解明する重要な手掛かりとなる。本年度、過冷却水をターゲットとした、ケージ効果と分子拡散の相関を抽出するゲージジャンプモデルを開発した。さらに、シリカガラス、金属ガラスとともに高分子ガラスにおいてもアモルファス性によるボゾンピークが見られることから、高分子のガラス化過程の振動状態密度解析をおこなった。そこでKremer-Grestモデルを用いた高分子溶融体の分子動力学シミュレーションをおこなった。その結果、分子量、屈曲性またさらに共重合性を系統的に変化させることにより、高分子ガラスにおけるボゾンピーク周波数とガラス転移温度の相関を見出した。特に、低分子ガラスのボゾンピークと直接比較することから高分子性に由来する部分との分離をおこない、ガラス温度決定のメカニズムに直結することがわかった。さらに、金属ガラスとシリカガラスを関連付けるポテンシャル調整型分子シミュレーションにおいてフラジリティに依存せずアモルファス性に由来する局在化モードが存在することをがわかった。
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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
本年度の成果として得た過冷却水における水素結合破断プロセスを解明するケージジャンプモデルの開発は、これを足掛かりとすれば一般のガラス物質における運動性逓減と輸送係数の関係、つまりフラジリティの分子論的起源解明できる一般的な枠組みが構築に結びつくと考えている。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後の研究により、ガラスの劇的スローダウンにおける構造緩和する経路と輸送係数・巨視的物性を結びつける解析を目指す。特にガラス状態において顕著なボゾンピークと輸送係数を直接結びつけることが必要不可欠でありこれを解決する。
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