Development of Multi-level Tribology Simulator based on Ultra-accelerated Quantum Chemical Molecular Dynamics

2012 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 20226005
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (S)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Research Field: Design engineering/Machine functional elements/Tribology
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: MIYAMOTO Akira 東北大学, 未来科学技術共同研究センター, 教授 (50093076)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): TAKABA Hiromitsu 東北大学, 大学院工学研究科, 准教授 (80302769) ; ENDOU Akira 東北大学, 大学院工学研究科, 准教授 (90344704) ; TSUBOI Hideyuki 東北大学, 未来科学技術共同研究センター, 准教授 (20375182) ; KOYAMA Michihisa 東北大学, 大学院工学研究科, 助教 (60372306) ; HATAKEYAMA Nozomu 東北大学, 未来科学技術共同研究センター, 准教授 (50312666) ; SUZUKI Ai 東北大学, 未来科学技術共同研究センター, 助教 (40463781) ; MIURA Ryuji 東北大学, 未来科学技術共同研究センター, 助教 ; NAGUMO Ryo 東北大学, 未来科学技術共同研究センター, 助教
• Project Period (FY): 2008 – 2012
• Keywords: マルチレベル / 量子分子動力学 / トライボケミカル / シミュレータ / 摩擦

Research Abstract

The multi-level tribology simulator was developed to analyze the tribology phenomenon containing microscopic, mesoscopic and macroscopic levels based on the quantum theory. This was realized for the first time by development of an ultra-accelerated quantum chemical molecular dynamics method, an automation program for precision determinations of interparticle interaction potentials, and so on. This simulator was applied to the tribochemical reaction of engine oil additives and validated by comparison with experimental results.

Research Products

• [Journal Article] "Anti- wear Chemistry of ZDDP and Calcium Borate Nano-additive. Coupling Experiments, Chemical Hardness Predictions, and MD Calculations (2013)
  • Author(s): Jean Michel Martin, Tasuku Onodera, Maria-Isabel De Barros Bouchet, Nozomu Hatakeyama, and Akira Miyamoto
  • Journal Title: Tribol. Lett. Volume: 50 Pages: 95-104
  • DOI: DOI:10.1007/s11249-013-0108-z
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Antiwear Chemistry of ZDDP: Coupling Classical MD and Tight-Binding Quantum Chemical MD Methods (TB-QCMD) (2013)
  • Author(s): Tasuku Onodera,Jean Michel Martin, Clotilde Minfray, Fabrice Dassenoy, and Akira Miyamoto
  • Journal Title: Tribol. Lett. Volume: 50 Pages: 31-39
  • DOI: DOI:10.1007/s11249-012-0063-0
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Friction Reduction Mechanism of Hydrogen-and Fluorine-Terminated Diamond-Like Carbon Films Investigated by Molecular Dynamics and Quantum Chemical Calculation (2012)
  • Author(s): Shandan Bai, Tasuku Onodera, Ryo Nagumo, Ryuji Miura, Ai Suzuki, Hideyuki Tsuboi, Nozomu Hatakeyama, Hiromitsu Takaba, Momoji Kubo, and Akira Miyamoto
  • Journal Title: J. Phys. Chem. C Volume: 116 Pages: 12559-12565
  • DOI: DOI:10.1021/jp300937n
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Influences of Film Deposition Condition on Friction of Diamond-Like Carbon Film: A Theoretical Investigation (2010)
  • Author(s): Tasuku Onodera, Takanori Kuriaki, Shandan Bai, Ryo Nagumo, Ryuji Miura, Ai Suzuki, Hideyuki Tsuboi, Nozomu Hatakeyama, Akira Endou, Hiromitsu Takaba, Momoji Kubo, and Akira Miyamoto
  • Journal Title: Tribol. Online Volume: 5 Pages: 173-180
  • DOI: DOI:10.2474/trol.5.173
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] A Computational Chemistry Study on Friction of h-MoS2. Part II. Friction Anisotropy (2010)
  • Author(s): Tasuku Onodera, Yusuke Morita, Ryo Nagumo, Ryuji Miura, Ai Suzuki, Hideyuki Tsuboi, Nozomu Hatakeyama, Akira Endou, Hiromitsu Takaba, Fabrice Dassenoy, Clotilde Minfray, Lucile Joly-Pottuz, Momoji Kubo, Jean-Michel Martin, and Akira Miyamoto
  • Journal Title: J. Phys. Chem. B Volume: 114 Pages: 15832-15838
  • DOI: DOI:10.1021/jp1064775
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Development of a Quantum Chemical Molecular Dynamics Tribochemical Simulator and Its Application to Tribochemical Reaction Dynamics of Lubricant Additives (2010)
  • Author(s): Tasuku Onodera, Ryuji Miura, Ai Suzuki, Hideyuki Tsuboi, Nozomu Hatakeyama, Akira Endou, Hiromitsu Takaba, Momoji Kubo, and Akira Miyamoto
  • Journal Title: Modelling Simul. Mater. Sci. Eng. Volume: 18 Pages: 034009
  • DOI: DOI:10.1088/0965-0393/18/3/034009
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Tribochemical Reaction Dynamics of Molybdenum Dithiocarbamate on the Nascent Iron Surface: A Hybrid Quantum Chemical/Classical Molecular Dynamics Study (2010)
  • Author(s): Tasuku Onodera, Yusuke Morita, Ai Suzuki, Riadh Sahnoun, Michihisa Koyama, Hideyuki Tsuboi, Nozomu Hatakeyama, Akira Endou, Hiromitsu Takaba, Carlos A. Del Carpio, Ramesh C. Deka, Momoji Kubo, and Akira Miyamoto
  • Journal Title: J. Nanosci. Nanotechnol. Volume: 10 Pages: 2495-2502
  • DOI: DOI:10.1166/jnn.2010.1399
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] A Computational Chemistry Study on Friction of h-MoS2 Part I: Mechanism of Single Sheet Lubrication (2009)
  • Author(s): Tasuku Onodera, Yusuke Morita, Ai Suzuki, Michihisa Koyama, Hideyuki Tsuboi, Nozomu Hatakeyama, Akira Endou, Hiromitsu Takaba, Momoji Kubo, Fabrice Dassenoy, Clotilde Minfray, Lucile Joly-Pottuz, Jean-Michel Martin, and Akira Miyamoto
  • Journal Title: J. Phys. Chem. B Volume: 113 Pages: 16526-16536
  • DOI: DOI:10.1021/jp9069866
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Influence of Nanometer Scale Film Structure of ZDDP Tribofilm on Its Mechanical Properties: A Computational Chemistry Study (2009)
  • Author(s): Tasuku Onodera, Yusuke Morita, Ai Suzuki, Riadh Sahnoun, Michihisa Koyama, Hideyuki Tsuboi, Nozomu Hatakeyama, Akira Endou, Hiromitsu Takaba, Carlos A. Del Carpio, Ramesh C. Deka, Momoji Kubo, and Akira Miyamoto
  • Journal Title: Appl. Surf. Sci. Volume: 256 Pages: 976-979
  • DOI: DOI:10.1016/j.apsusc.2009.04.205
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] A Theoretical Study of Dynamic Behavior of Diphenyldisulphide Molecule on Fe Surface: Novel Ultra-Accelerated Quantum Chemical Molecular Dynamics Approach (2008)
  • Author(s): Akira Endou, Tasuku Onodera, Sayaka Nara, Ai Suzuki, Michihisa Koyama, Hideyuki Tsuboi, Nozomu Hatakeyama, Hiromitsu Takaba, Carlos A. Del Carpio, Ramesh C. Deka, Momoji Kubo, and Akira Miyamoto
  • Journal Title: Tribol. Online Volume: 3 Pages: 280-284
  • DOI: DOI:10.2474/trol.3.280
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Experimental and Molecular Dynamics Simulations of Tribochemical Reactions with ZDDP: Zinc Phosphate-Iron Oxide Reaction (2008)
  • Author(s): Clotilde Minfray, Tasuku Onodera, Thierry Le Mogne, Sayaka Nara, Shuko Takahashi, Hideyuki Tsuboi, Michihisa Koyama, Akira Endou, Hiromitsu Takaba, Momoji Kubo, Carlos A. Del Carpio, Jean-Michel Martin, and Akira Miyamoto
  • Journal Title: Tribol. Trans. Volume: 51 Pages: 589-601
  • DOI: DOI:10.1080/10402000802011737
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] A Theoretical Investigation on the Abrasive Wear Prevention Mechanism of ZDDP and ZP Tribofilms (2008)
  • Author(s): Tasuku Onodera, Yusuke Morita, Ai Suzuki, Riadh Sahnoun, Michihisa Koyama, Hideyuki Tsuboi, Nozomu Hatakeyama, Akira Endou, Hiromitsu Takaba, Momoji Kubo, Carlos A. Del Carpio, Ramesh C. Deka, Clotilde Minfray, Jean-Michel Martin, and Akira Miyamoto
  • Journal Title: Appl. Surf. Sci. Volume: 254 Pages: 7976-7979
  • DOI: DOI:10.1016/j.apsusc.2008.04.057
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Development of a New Molecular Dynamics Method for Tribochemical Reaction and Its Application to Formation Dynamics of MoS2 Tribofilm (2008)
  • Author(s): Yusuke Morita, Tasuku Onodera, Ai Suzuki, Riadh Sahnoun, Michihisa Koyama, Hideyuki Tsuboi, Nozomu Hatakeyama, Akira Endou, Hiromitsu Takaba, Momoji Kubo, Carlos A. Del Carpio, Takatoshi Shin-yoshi, Noriaki Nishino, Atsushi Suzuki, and Akira Miyamoto
  • Journal Title: Appl. Surf. Sci. Volume: 254 Pages: 7618-7621
  • DOI: DOI:10.1016/j.apsusc.2008.01.123
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Effect of Surface Termination on Super-Low Friction of Diamond Film: A Theoretical Study (2008)
  • Author(s): Yusuke Morita, Toshiaki Shibata, Tasuku Onodera, Riadh Sahnoun, Michihisa Koyama, Hideyuki Tsuboi, Nozomu Hatakeyama, Akira Endou, Hiromitsu Takaba, Momoji Kubo, Carlos A. Del Carpio, and Akira Miyamoto
  • Journal Title: Jpn. J. Appl. Phys. Volume: 47 Pages: 3032-3035
  • DOI: DOI:10.1143/JJAP.47.3032
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] A Theoretical Investigation on Dynamic Behavior of the Molybdenum Dithiocarbamate Molecule in the Engine Oil Phase (2008)
  • Author(s): Tasuku Onodera, Yusuke Morita, Ai Suzuki, Riadh Sahnoun, Michihisa Koyama, Hideyuki Tsuboi, Nozomu Hatakeyama, Akira Endou, Hiromitsu Takaba, Carlos A. Del Carpio, Momoji Kubo, Takatoshi Shin-yoshi, Noriaki Nishino, Atsushi Suzuki, and Akira Miyamoto
  • Journal Title: Tribol. Online Volume: 3 Pages: 80-85
  • DOI: DOI:10.2474/trol.3.80
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 物性推算のなかの分子シミュレーション (2012)
  • Author(s): 宮本 明
  • Organizer: 化学工学会
  • Place of Presentation: 東北大学(招待講演)
  • Year and Date: 2012-09-20
• [Presentation] Quantum Chemical Molecular Dynamics Approach for Tribochemistry (2011)
  • Author(s): 宮本 明
  • Organizer: Tribochemistry Hagi
  • Place of Presentation: 山口(招待講演)
  • Year and Date: 2011-10-27
• [Presentation] 実践的コンピュータ化学から見た表面科学の魅力 (2010)
  • Author(s): 宮本 明
  • Organizer: 日本表面科学会
  • Place of Presentation: 東北大学(招待講演)
  • Year and Date: 2010-03-10
• [Presentation] New Horizons in Tribology: The Computational Chemistry Paradigm (2009)
  • Author(s): 宮本 明
  • Organizer: World Tribology Congress
  • Place of Presentation: 京都(招待講演)
  • Year and Date: 2009-09-09
• [Presentation] 産業革新のための実践的コンピュータ化学:現状と展望 (2008)
  • Author(s): 宮本 明
  • Organizer: 化学工学会
  • Place of Presentation: 東北大学(招待講演)
  • Year and Date: 2008-09-24
• [Remarks] マスメディアによる情報発信 2011年11月30日、放送大学科目「物質・材料工学と社会」の第14回、「材料評価とコンピュータ設計」に研究代表者がゲスト解説者として出演、収録された。2011年度に開設されて以降、毎年度放送されている。
• [Remarks] アウトリーチ活動 高校生を対象とした大規模な講義ライブ「夢ナビライブ」に参加した。2011年7月12日に大阪会場、2011年7月16日と2012年7月14日には東京ビッグサイトにて、研究代表者が本研究に関する成果を含む講義を行った。
• [Remarks] その他の行事 2008年8月29日、研究代表者の研究室が主催するコンビナトリアル計算化学講習会「量子分子動力学法の講義-応用範囲と適用限界」において、約30名の受講者に対し、本研究に関連する成果の一部を紹介した。本講習会は、方法論や応用例の紹介のみならず、実際にコンピュータを用いた講習会も兼ねたものとなっており、好評であった。
• [Remarks] 研究代表者の研究室ホームページにて学会発表資料・リストを公開中で、一部動画も公開するなど、よりアピールしやすいような工夫もしている。
  • URL: http://www.aki.che.tohoku.ac.jp/gyouseki_top.htm
• [Remarks] パンフレットの配布 研究代表者及び分担者によって、数多くの国際シンポジウム、国際展示会、招待講演、他大学での講義にて、日英両言語の研究内容を紹介するパンフレットを配布し(累計頒布部数6000部以上)、研究成果をアピールしているほか、パンフレットは研究室ホームページでも公開している。
  • URL: http://www.aki.che.tohoku.ac.jp/whatiscomb.html
• [Remarks] ソフトウェアの市販化 研究代表者の研究室における研究成果の一部は、(株)菱化システムやペガサスソフト(株)などのソフト会社を通じ、市販ソフトウェアとして国内外の大学、企業などに提供されている。