2013 Fiscal Year Research-status Report
過冷却液体の結晶化と温度変調非線形応答の理論的研究
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25400429
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Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
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| Research Institution | Tokyo Denki University |
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Principal Investigator |
小田垣 孝 東京電機大学, 理工学部, 教授 (90214147)
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| Project Period (FY) |
2013-04-01 – 2016-03-31
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| Keywords | 温度変調応答 / 過冷却液体 / 結晶化 / 初到達時間 / 自由エンルギーランドスケープ / ガラス転移 |
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| Research Abstract |
本研究の目的は、自由エネルギーランドスケープ（ＦＥＬ）を用いて，液体、過冷却液体、ガラス、結晶の、熱力学性質と動的性質を統一的に理解する理論的枠組みを完成させることにある。ＦＥＬを直接観測できる手段として、温度変調スペクトルスコピーの理論を構築すること、および過冷却液体の結晶化過程を理解する理論を完成させ、分子動力学シミュレーションを利用したその検証を主要テーマとし、ＦＥＬの構造の解析やFELを用いた液体の結晶化の研究を行い、次の成果を得た。
１）ＦＥＬ描像で記述できる系の温度変調に対する応答が、重ね合わせの原理を満たす、即ち線形応答として記述できることを示した。また、温度変調の中間散乱関数、感受率について、基本的枠組みを展開し、その特徴を拡散方程式を用いて明らかにした。これまでの誘電緩和に対する温度変調効果の研究成果とあわせて、３回の国際会議の招待講演,1回の学会発表を行った。
２）FEL描像に基いて過冷却液体の結晶化の現象論を完成させ、アメリカ物理学会で発表した。計算機シミュレーションに関しては、元共同研究者水口博士から提供してもらったプログラムのチューニングを行い、さらに初期条件をコントロールする方法を開発した。
３）ＦＥＬの構造と緩和時間の関係を、密度汎関数理論を用いて解析し、成果を論文で発表した。また、液相、ガラス状態、結晶相を実現できるレナード・ジューンズ・ガウスポテンシャル系（ＬＪＧ系）の相図を熱力学的摂動理論を用いて決定し、その成果を１回の国際会議招待講演、２回の国際会議での発表を行った。
これらの非平衡系に対する基本的考え方は、放電現象や金属非金属転移にも展開されている。
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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
本研究の目的は、液体、過冷却液体、ガラス、結晶の間の転移現象を統一的に理解する自由エネルギーランドスケープ（ＦＥＬ）理論を構築することである。その目的に向かって、注意深く計画された手準にしたがって研究を進めており、
（１）ＦＥＬを直接観測する手段としての温度変調スペクトロスコピー法の理論の完成と（２）過冷却液体の結晶化過程を理解するＦＥＬ理論を確立し、それを検証することにステップバイステップで取り組んでいる。（１）に関しては、トイモデルを用いて現象の見え方を確認し、ミクロなモデルに基づく定式化と結果の検証に取り組んでいる。（２）に関しては、分子動力学シミュレーションのプログラムを，現有のワークステーションに入れ、動作確認を行った。結晶化に対する初期構造（結晶核の存在）の効果の研究をするために、初期条件の与え方を工夫し、今後順次，シミュレーションを実行する。ベトナムの研究者との共同研究は、メールによる問題点の相互確認にとどまっている。一方、理論的取組においては、結晶化時間を初到達時間として求める理論的枠組みを完成させ、ＦＥＬ理論が動的効果と熱力学的効果を同時に表現できることを示した。
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| Strategy for Future Research Activity |
これまで、当初の計画通りほぼ順調に経過しており、これまでの研究を継続・発展させる。過冷却液体の結晶化については、構築した現象論をより精密な理論で基礎づけること、また結晶核の導入によって結晶化が如何に促進されるかを理解する方法を開発する。
これらの研究の応用としてタンパク質の結晶化についての文献調査を行う。
分子動力学シミュレーションに関しては、初期条件として導入する結晶核の大きさの関数として結晶化時間を求め、さらにその過程におけるＦＥＬの解析を行う。
また、ホーチミン市立大学のHoang教授との共同研究として、制限された空間内における３次元ＬＪＧ液体の結晶化過程の分子動力学シミュレーションから、結晶化過程の原子レベルの情報を得る。そのため、今年度実施できなかったHoang 教授の研究室訪問を実現し、共同研究を促進させる。一方、熱力学的摂動論を用いた３次元ＬＪＧ系の安定相を決定する研究を完成させ、論文を執筆する。
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| Expenditure Plans for the Next FY Research Funding |
今年度は、教育改善推進室長としての役職に関わる仕事が忙しく、共同研究のためのベトナムへの旅行が実行できなかったこと、また、国際会議での発表のための旅費は大学から支給される研究費が使用できたため海外旅費の執行が予定より少なかった。また、購入を予定していたワークステーションについて、Windows XP のサポートがなくなるという状況の中で、数台ある現有のワークステーションとの役割分担を時間をかけて設計し、またWindows8 が使いにくいことからそのバージョンアップを待つことにして、その購入を２０１４年度に持ち越したため次年度使用額が生じた。
今年度に高速大容量のワークステーションを購入し、共同研究および国際会議での発表を積極的に行うことにする。
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