高圧下における鉄ー軽元素混合液体の結合状態と不混和に関する第一原理分子動力学計算

• 研究課題/領域番号: 21K03705
• 研究種目: 基盤研究(C)
• 配分区分: 基金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 小区分17040:固体地球科学関連
• 研究機関: 広島工業大学
• 研究代表者: 大村 訓史 広島工業大学, 工学部, 准教授 (90729352)
• 研究期間 (年度): 2021-04-01 – 2024-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2023年度)
• 配分額: 4,030千円 (直接経費: 3,100千円、間接経費: 930千円); 2023年度: 1,040千円 (直接経費: 800千円、間接経費: 240千円); 2022年度: 1,040千円 (直接経費: 800千円、間接経費: 240千円); 2021年度: 1,950千円 (直接経費: 1,500千円、間接経費: 450千円)
• キーワード: 地球外核 / 不混和 / 液体鉄混合系 / 第一原理分子動力学法 / 結合状態 / 機械学習型ポテンシャル / 液体鉄ー軽元素混合系 / 機械学習分子動力学計算 / 3元系 / 電子状態計算 / 分子動力学法 / 高圧物性 / 機械学習型原子間ポテンシャル / 第一原理分子動力学計算 / 不混和性

研究開始時の研究の概要

地球外核（液体核）の熱伝導率などの輸送特性に関して、これまで多くの研究がなされており、軽元素（H,C,O,Si,S）の及ぼす影響は解明されつつある。しかしながら、２種類の軽元素が含まれた場合の不混和に関する問題、すなわち、軽元素がそもそも液体鉄に溶けない可能性については未解決のままである。本研究では、この液体鉄の混和―不混和問題に第一原理分子動力学シミュレーションと原子間結合状態の解析によって、解決を図る。本研究によって得られる結果は、現在の地球外核の構成物質を制約するための新たな情報となり、さらには、地球核の形成・進化過程を知るために必要な知見となる。

研究成果の概要

H,C,O,Si,Sのうち、2種類の軽元素が含まれる液体鉄混合系に対して、第一原理分子動力学法を用いて、高圧下における構造的性質と結合状態などの電子的性質を明らかにした。高温高圧環境下においても、軽元素の種類によって、軽元素同士間に共有結合的な相互作用が存在することが明らかとなった。特にSiとOの結合は構造的性質に加えて、Siの電荷にも影響し、Oと結合したSiの電荷は正寄りになることが分かった。さらにSiとOの空間分布を見ると、Siに比べてOの存在領域に偏りがあることが解明された。また機械学習を用いて比較的大規模なシミュレーションを行い、大きな系においてもOの分布の偏りを確認できた。

研究成果の学術的意義や社会的意義

本研究では、原子間の化学結合という観点から液体鉄ー軽元素混合系の電子的、構造的性質を明らかにした。この結果は、軽元素同士の相互作用によって電荷の揺らぎが生まれ、原子の存在分布にも偏りが生じることを示唆しており、地球外核の混和・不混和問題に重要な知見を与えるものである。また液体のような乱れた系、かつ組成が非常に偏った系においても機械学習を用いることで計算の大規模化ができる可能性を示している。

研究成果

• [雑誌論文] 分子動力学法による結晶状態と非晶質状態の11Åトバモライトの局所力学特性 (2024)
  • 著者名/発表者名: I. KANEMASU 、S. OHMURA 、N. TAKEDA
  • 雑誌名: セメント・コンクリート論文集 巻: 77 号: 1 ページ: 9-16
  • DOI: 10.14250/cement.77.9
  • ISSN: 0916-3182, 2187-3313
  • 年月日: 2024-03-29
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Chemical bonding properties of liquid methane under high-density conditions (2023)
  • 著者名/発表者名: Murayama D.、Ohmura S.、Kodama R.、Ozaki N.
  • 雑誌名: Journal of Applied Physics 巻: 134 号: 9 ページ: 095902-095902
  • DOI: 10.1063/5.0156913
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Ab Initio Molecular-Dynamics Study of Structural and Bonding Properties of Liquid Fe-Light-Element-O Systems Under High Pressure (2022)
  • 著者名/発表者名: Ohmura Satoshi、Shimojo Fuyuki、Tsuchiya Taku
  • 雑誌名: Frontiers in Earth Science 巻: 10
  • DOI: 10.3389/feart.2022.873088
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Liquid Structure of Tantalum under Internal Negative Pressure (2021)
  • 著者名/発表者名: K. Katagiri, N. Ozaki, S. Ohmura, B. Albertazzi, Y. Hironaka, Y. Inubushi, K. Ishida, M. Koenig, K. Miyanishi, H. Nakamura, M. Nishikino, T. Okuchi, T. Sato, Y. Seto, K.Shigemori, K. Sueda, Y. Tange, T. Togashi, Y. Umeda, M. Yabashi, T. Yabuuchi, and R. Kodama
  • 雑誌名: Physical Review Letters 巻: 126 号: 17 ページ: 175503-175503
  • DOI: 10.1103/physrevlett.126.175503
  • 査読あり / 国際共著
• [学会発表] Molecular dynamics study of Fe-Light-Element mixtures under high pressure using DFT and neural network interatomic potential (2023)
  • 著者名/発表者名: Satoshi Ohmura, Kohei Shimamura, Fuyuki Shimojo
  • 学会等名: CCP2023 - 34th IUPAP Conference on Computational Physics
  • 国際学会
• [学会発表] Molecular dynamics study of uniaxial tensile and compressive behavior of crystalline and amorphous tobermorite (2023)
  • 著者名/発表者名: Ikumi Kanemasu, Satoshi Ohmura
  • 学会等名: CCP2023 - 34th IUPAP Conference on Computational Physics
  • 国際学会
• [学会発表] 分子動力学シミュレーションから導かれるマイクロクラックを含むα水晶の振動特性 (2023)
  • 著者名/発表者名: 舩橋 郁地、小林 亮、大村 訓史、河合 研志
  • 学会等名: 日本地球惑星科学連合2023年大会
• [学会発表] 分子動力学法によるケイ酸カルシウム水和物(トバモライト)の引張・圧縮シミュレーション (2023)
  • 著者名/発表者名: 金舛 育実、大村 訓史
  • 学会等名: 日本地球惑星科学連合2023年大会
• [学会発表] ヘッドマウントディスプレイを用いた分子動力学シミュレーションの可視化の試み (2023)
  • 著者名/発表者名: 土屋 旬、大村 訓史、河合 研志
  • 学会等名: 日本地球惑星科学連合2023年大会
• [学会発表] Molecular Dynamic Simulations of Elastic Wave Interaction with Microcracks in α-Quartz Crystal (2023)
  • 著者名/発表者名: Ikuchi Funahashi, Ryo Kobayashi, Satoshi Ohmura, Kenji Kawai
  • 学会等名: CCP2023 - 34th IUPAP Conference on Computational Physics
  • 国際学会
• [学会発表] Properties of liquid Fe-O-Light-Element ternary systems under high pressure : molecular dynamics simulations (2022)
  • 著者名/発表者名: Satoshi Ohmura
  • 学会等名: INTERNATIONAL CONFERENCE ON HIGH ENERGY DENSITY SCIENCES 2022 (HEDS2022)
  • 国際学会
• [学会発表] Bonding and structure of liquid iron-light-element-oxygen ternary alloys under high pressure: molecular dynamics simulations (2022)
  • 著者名/発表者名: Satoshi Ohmura
  • 学会等名: The 18th International Conference on Liquid and Amorphous Metals
  • 国際学会
• [学会発表] Pressure-induced structural change of liquid sulfur from polymeric liquid to simple liquid (2022)
  • 著者名/発表者名: Satoshi Ohmura
  • 学会等名: 日本地球惑星科学連合2022年大会(JpGU 2022)
• [学会発表] 第一原理分子動力学法による液体鉄―軽元素混合系の 高圧下における構造と結合状態 広 (2022)
  • 著者名/発表者名: 大村訓史、下條冬樹、土屋卓久
  • 学会等名: 日本物理学会第77回年次大会
• [学会発表] Properties of liquid Fe mixtures under high-pressure conditions (2021)
  • 著者名/発表者名: 大村訓史
  • 学会等名: 地球惑星科学連合大会 JpGU2021
  • 招待講演
• [学会発表] 第一原理分子動力学計算で探る極限超高圧下 の物質構造 (2021)
  • 著者名/発表者名: 大村訓史
  • 学会等名: ワークショップ レーザー超高圧力による新物質合成
  • 招待講演
• [学会発表] ケイ酸塩液体の超高圧物性 (2021)
  • 著者名/発表者名: 大村訓史、下條冬樹
  • 学会等名: 日本物理学会2021年秋季大会