2021 Fiscal Year Annual Research Report
アモルファス固体の安定性は原子配列からどのように決まるのか？
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19K03778
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| Research Institution | National Institute of Advanced Industrial Science and Technology |
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Principal Investigator |
西尾 憲吾 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 (70443207)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | アモルファス / 安定性 / 構造 / 分子動力学シミュレーション |
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| Outline of Annual Research Achievements |
多くの物質はアモルファス固体として存在できるが、全ての物質がアモルファス固体として存在できるのかどうかは物理学の未解決問題の一つである。D. Turnbullはアルゴンや金をアモルファス化することができれば、それは、アモルファス状態の普遍性を示す説得力のある証拠になると提案した。分子動力学シミュレーションで液体アルゴンを急冷するとガラス状アルゴンを作ることができるが、その構造はすぐに結晶化するため固体ではない。D. Turnullの定義に従うならば、ある構造を固体とみなすためには、その構造は一日以上安定に存在する必要がある。
令和二年度までに、非晶質のアルゴンに三層の二十面体クラスターをランダムに分散させることによって(これをTICアルゴンと呼ぶ)、アモルファス・アルゴンを作ることができる可能性があることを見出した。令和三年度は、この可能性を検証するために、分子動力学シミュレーションを用いてTICアルゴンの安定性を調べた。その結果、液体を急冷して作ったガラス状アルゴンの寿命は4.2Kという低温でも232nsという短い時間であるのに対し、TICアルゴンは7K以下で一日以上ものあいだ安定に存在することが明らかになった。すなわわち、TICアルゴンはアモルファス固体であることが明らかになった。この結果は、アモルファス固体の普遍性を強く支持するものである。
ガラス状アルゴンはエントロピー駆動の構造をとっているため結晶化のエネルギー障壁が低い。一方、三層の二十面体クラスターはエネルギー的に準安定であるため、TICアルゴンの結晶化のエネルギー障壁はガラス状アルゴンよりも高い。そのため、TICアルゴンの寿命はガラス状アルゴンよりも格段に長いと説明できる。このことから、エネルギー的に準安定な非晶質クラスターを分散させることによって、任意のアモルファス構造の安定性を高めることができると提案した。
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Research Products
(2 results)
