2021 Fiscal Year Research-status Report
Proposal of the thermodynamic characteristics for predicting the onset of a liquid-liquid transition
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20K03790
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| Research Institution | Ehime University |
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Principal Investigator |
渕崎 員弘 愛媛大学, 理工学研究科(理学系), 教授 (10243883)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | ヨウ化錫 / ポリアモルフィズム / 非晶質状態間遷移 / 秩序変数 / 密度 / 対称性 / CAESAR法 / エントロピー |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の目的はポリアモルフィズム発現の熱学条件を整理、考察することである。これまでの研究から相転移(状態遷移)前後での各相(状態)間のエネルギー差とエントロピー差が重要な因子となることが分かっている。このため液体や非晶質状態の熱学量、特にエントロピーの正確な推定が不可欠となる。
まず、母体となる理論体系をレヴュー論文という形で整備した。ポリアモルフィズム発現に関する最初の見解を与えたRapoportの仕事、およびポリアモルフィズム状態図計算の基礎を与えたPonyatovskyの仕事を、この方面の最新版であるAnisimovらの取扱方から眺め直し、最も核心にある考え方を浮き彫りにした。ポリアモルフィズムに関する実験結果も蓄積され、これらの中から理論を構築する上で鍵となる物質を厳選し、それらのポリアモルフィズム発現の様子をまとめた。特に最近の硫黄に関する実験結果との比較から、Rapoportの融解曲線異常はポリアモルフィズム発現の必要条件とならない点を明言した。また、 Anisimovの方法を場の理論へさらに拡張する上での秩序変数について触れた。
次に、昨年度報告したヨウ化錫の高密度非晶質状態間の状態遷移を熱学的に論じるための整備を進めた。この遷移が起こる15 GP付近では常温以外の実験が行われておらず、昇温した際の構造緩和先を知ることが必要である。このための高圧プレスを用いる実験技法を整え、日本物理学会 2021年秋季大会にて報告した。この技法を用いて、2022年度に高エネルギー加速研究機構にて採択された課題にて高圧下での放射光X線その場観察を行う。この実験で得られるであろう、結晶化途上の非晶質状態にある回折パターンから3次元構造を推定する方法の構築に着手した。この構造を再現できる物理模型を与えられればGoddardらの方法により、非晶質状態の熱学量を計算できるはずである。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
4: Progress in research has been delayed.
Reason
最大の原因は高エネルギー加速器研究機構の研究課題として採択されているにもかかわらず、コロナ禍での出張自粛と高圧発生装置の故障により、申請内容の実験が遂行できなかった点にある。特に予備実験等を通して万全の準備を整えていたにもかかわらず、高圧発生装置が目的荷重を印加できなかったことが悔やまれる。回折データの解析法を確立するため、低圧状態での観測を余技なくされた。この装置故障は何ら前兆を伴わない、全く予期せぬ事象であった。
次の要因は2021年度の過度の授業負担であった。4つの授業を新たに負担することは事前に分かっていたが、年度開始直前にカリキュラムと授業実施体制(クォータ制とセメスター制の混在)の不整合が発覚し、後学期授業がクォータ制実施となり、授業内容の見直しを強いられたことである。加えて、学期途中で遠隔・対面の切り替えがなされ、教材の整備に多大な時間を割かざるを得なかった。報告者は系長補佐として理学部運営の中心を担っているが、想定外の授業負担により、実質の研究エフォートは2020年度より低下した。
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| Strategy for Future Research Activity |
高エネルギー加速器研究機構の圧力発生装置は修理が終わり、150トンの荷重印加が可能であることが確認できており、同機構での採択課題内容を展開できるはずである。即ち、15 GPa前後での高密度非晶質状態間の遷移を確認し、それらの3次元構造を可視化する。ポリアモルフィズム発現条件を明らかにする上で、低圧側の高密度非晶質状態がどの結晶相の準安定状態であるか、換言すれば、多少の昇温により、どの結晶構造に緩和するかを確認することが最優先課題となる。緩和先として、その構造が未解明の中間結晶相となると報告者は予想している。この結晶相は金属相である。そこで、金属I2結合をバックボーンとした構造をとっており、このバックボーンは低圧側高密度非晶質にも受け継がれているはずである。即ち、ヨウ化錫は密度とともに分子性→高分子性→原子性構造に遷移すると考えている。この構造の可視化のために逆モンテカルロ法とは思想的に異なる構造解析方法を開発する。この方法は単に構造を可視化するだけでなく、その構造を再現する「物理モデル」を提供するもので、既に定式化を終えている。単純液体とヨウ化錫液体モデルを用いて新方法のパフォーマンスを定量的に評価する。
さて、上記の構造遷移の妥当性を熱学的に説明するには各状態のエントロピー見積もりが必須となる。上述の「物理モデル」が得られると、これにGoddardらの方法を適用して自由エネルギーやエントロピーが評価できることになる。これにより、一連の形態の変化が理に適ったものであることを示すことができるであろう。
なお、今年度は本研究の最終年度にあたるため、「研究実績の概要」で述べたレヴューをもとにポリアモルフィズムを発現する物質の熱学的特徴を総括し、本研究の最終目標である複数の液相(含準安定非晶質状態)の出現に関する熱学トレンドを定量化する指標を抽出する。
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| Causes of Carryover |
成果報告を予定していた2021年9月開催予定の欧州高圧国際会議はコロナ禍で開催されなかった。また、同様に、1件の国内研究会と2件の国内学会はすべて遠隔開催となった。これらの発表のために計上していた旅費は一切使用しなかった。
2021年度に計算のための高性能計算機の購入を計画していたが、「現在までの進捗状況」で述べた通り、運営業務に加えて想定外の教育業務が加わったため、その整備に必要な時間を捻出できず、導入を断念した。
2022年度、国内ではwith coronaに政策転換がはかられたため、学会等は通常開催される公算が大きい。また、秋からは欧州で国際会議も開催される見込みである。これまで通り、研究発表の機会として、これらの学会や国際会議に積極的に参加する計画である。また、2022年度は大学授業も「正常化」したため、本来の研究エフォートを取り戻せるはずである。昨年度断念した計算機導入を行う予定である。また、それに伴うソフトウェアの導入も必要となる。
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Research Products
(8 results)
