2021 Fiscal Year Annual Research Report
Buckling-induced giant property response in nanostructures and mechanical design of novel devices
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19H02020
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
梅野 宜崇 東京大学, 生産技術研究所, 教授 (40314231)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
島 弘幸 山梨大学, 大学院総合研究部, 教授 (40312392)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 座屈 / マルチフィジックス / 原子モデリング / 欠陥 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本年度は，Stone-Wales型欠陥がカーボンナノチューブの座屈挙動に及ぼす影響をより詳細かつ定量的に調べることに主眼を置き，特にStone-Wales型欠陥の影響が顕著に現れたzig-zag型ナノチューブに対し，軸方向圧縮座屈の原子シミュレーションを行った．特に，広範囲のナノチューブ径を持つ多数のモデルを対象に網羅的に調べることに注力した．
無欠陥のzig-zag型ナノチューブの場合と同様に，直径増大に伴って３つの座屈モード（Ｓタイプ，Ｚタイプ，Ｉタイプと呼称）が生じたが，各モードを分かつ径の閾値が欠陥の有無によって変化することが分かった．さらに，無欠陥ナノチューブでは座屈モード境界において座屈の臨界応力やひずみがピークを示していたが，Stone-Wales欠陥導入によりこれらの遷移が滑らかとなるなど興味深い特性が明らかとなった．座屈臨界応力とナノチューブ径の関係について，小径の範囲および大径の範囲を支配する冪乗則に基づいて得られた関数形でよく表せることを示した．
また，複数のStone-Wales欠陥が配置されたモデルに対しても検討を行い，二つの欠陥の位置関係によって座屈臨界点が大きく異なる可能性があることが分かった．
座屈変形による電子状態の変化を効率よく予測するマルチフィジックスポテンシャルについては定性的には機能することが確認されたが，多数のナノチューブモデルに対する学習を継続することにより徐々に精度が向上しつつある．
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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
カーボン径ナノ構造体の座屈挙動，特に当初目的としていた欠陥が座屈挙動に及ぼす影響については，径の影響について網羅的な検討を行うことで極めて興味深い特性が見つかるなど，新規デバイス設計を行う際に重要となる知見が蓄積されつつある．
なかでも座屈モード間の遷移の際にみられる臨界応力のピークと欠陥の有無との関係や，座屈臨界応力とナノチューブ径の支配方程式の導出などは，異なるサイズのモデルに対して網羅的な解析を丁寧に行うことで初めて得られた有用な知見である．
さらに，セラミックス系中空ナノ構造体などカーボン系以外の多元系ナノ構造体の座屈に関する分子動力学シミュレーションにも着手し，カーボンナノチューブと非カーボン系ナノ構造体の座屈挙動，特に欠陥が及ぼす影響についての相関性の検討も開始している．
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| Strategy for Future Research Activity |
欠陥を導入したナノチューブの座屈挙動について，マクロ柱状構造体の座屈と対応づけることでナノ構造体の座屈力学理論を構築し，任意の座屈挙動を及ぼすナノ構造体の簡便かつ高精度な設計指針の作成を試みる．多元系ナノ構造体への展開（イモゴライトやペロブスカイト型ナノ構造体の座屈挙動解析）を引き続き行う．これらについてはカーボン系ナノ構造体に比べ構造の柔軟性が低く局所ひずみ許容性が小さいことが予想されるため，オイラー形座屈だけでなくらせん形状への遷移など，３次元的な構造変化についても視野に入れ検討を行う．また，マルチフィジックスポテンシャルの更なる精度向上ならびに多元系構造体への拡張にも取り組む．
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