2021 Fiscal Year Annual Research Report
量子ビーム実験・構造モデリング・トポロジカル解析の融合による非晶質材料の構造研究
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19K05648
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
小野寺 陽平 京都大学, 複合原子力科学研究所, 助教 (20531031)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | ガラス / アモルファス / 中性子回折 / X線回折 / 逆モンテカルロ法 / 分子動力学計算 / トポロジカル解析 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では酸化物系の非晶質材料を対象とし、量子ビーム実験データを利用したデータ駆動型モデリングによって非晶質の3次元構造モデルを構築し、さらに先端数理学に基づいたトポロジカル解析を導入することより、非晶質材料に潜在する未知の秩序を抽出することを目的としている。
最終年度となる今年度は、昨年度に引き続き、電気化学的に合成した非晶質Al2O3に関する構造研究を実施した。本試料の示差熱分析(DTA)結果においてガラス転移が観測されたことから、単独でガラスを形成しないとされる中間酸化物であるAl2O3のバルクガラスの合成に成功した。さらに、逆モンテカルロ(RMC)法と分子動力学(MD)計算をハイブリッド化した構造モデリングによって中性子・X線回折およびNMRによる構造データを再現するガラスの３次元構造モデルを構築し、そのトポロジカル解析により、Al2O3ガラスは酸素原子が高いパッキング状態にあり、典型的なガラス形成物質とは大きく異なった構造を持つことを明らかにした。
また、液体およびアモルファス状態のSiについてもRMC-MD法で構築した3次元構造モデルのトポロジカル解析を実施し、Siの低いアモルファス形成能について典型的なガラス形成物質であるSiO2との比較を通して考察した。その結果、Siでは液体とアモルファス状態で密度と構造の変化が大きいこと（SiO2では液体ーアモルファス間の変化は小さい）、SiO2では短距離構造ユニットであるSiO4四面体の四面体中心ー頂点原子間で配位数のコントラスト（Siが４配位、Oが２配位）が生じるのに対して、アモルファスSiの構造ユニットであるSiSi4四面体ではそのようなコントラストが生じないことがアモルファス形成能において重要であることを示した。
上記に加えて、Ag-V-Te-O低融点ガラスに関する論文が現時点で受理されている。
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