軽元素の含有による液体鉄合金の輸送特性変化に関する第一原理的研究

• 研究領域: 核－マントルの相互作用と共進化～統合的地球深部科学の創成～
• 研究課題/領域番号: 18H04371
• 研究種目: 新学術領域研究(研究領域提案型)
• 配分区分: 補助金
• 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): 2018-04-01 – 2020-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2019年度)
• 配分額: 4,940千円 (直接経費: 3,800千円、間接経費: 1,140千円); 2019年度: 2,470千円 (直接経費: 1,900千円、間接経費: 570千円); 2018年度: 2,470千円 (直接経費: 1,900千円、間接経費: 570千円)
• キーワード: 液体鉄合金 / 地球外核 / 密度汎関数法 / 分子動力学法 / 高圧物性 / 第一原理分子動力学シミュレーション / 輸送特性 / 軽元素 / 第一原理分子動力学法 / 第一原理分子動力学計算

研究実績の概要

本研究では、地球外核を構成する液体鉄合金の輸送特性に対する軽元素含有の影響を明らかにする目的で、第一原理分子動力学法に基づく計算機シミュレーションを行った。前年度は１種類の軽元素（水素、炭素、酸素、ケイ素、硫黄）を含む鉄―軽元素混合系について計算を行い、その輸送特性を調べた。本年度はそれらの構造をより詳しく解析するとともに、２種類の軽元素が含まれた場合の計算を行った。主要な研究成果は以下の通りである。

1）鉄―軽元素混合系に関して、組成依存性（軽元素含有量）を詳しく調べ、高圧下における鉄―軽元素混合系の軽元素間の相互作用を明らかにした。水素－水素間にはほとんど相互作用は存在しないが、酸素－酸素、ケイ素－ケイ素間に関しては、動径分布関数のピーク位置が鉄―鉄と同じ位置にあるため、鉄―鉄と同じような相互作用が存在していると予測される。炭素―炭素間に関しては、高圧下の鉄合金の中でも共有結合のような強い相互作用が存在している。硫黄ー硫黄に関しては、明確な濃度依存性が存在しており、硫黄の濃度が低いときは、硫黄同士があまり近くに存在しないが、硫黄濃度が大きくなるにしたがって、硫黄同士が近く（酸素―酸素間、ケイ素ーケイ素間と同程度）に存在するようになる。

2）鉄にケイ素と酸素、水素と酸素という２種類の軽元素が含まれる３元系液体に対し、第一原理分子動力学シミュレーションを行い、構造的性質を調べた。原子配置の時間発展から鉄ーケイ素―酸素混合液体は高圧下において、鉄ーケイ素―酸素領域と鉄ーケイ素領域に分離する傾向が見えた。鉄ー水素―酸素混合液体に関しては、ケイ素が含まれる系ほど、そのような傾向は見られなかった。

現在までの達成度 (段落)

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [雑誌論文] Structures of liquid iron-light-element mixtures under high pressure (2020)
  • 著者名/発表者名: S. Ohmura, T. Tsuchiya and F. Shimojo
  • 雑誌名: Physica Status Solodi B 巻: in press 号: 11 ページ: 2000098-2000098
  • DOI: 10.1002/pssb.202000098
  • 査読あり
• [雑誌論文] Selective Reduction Mechanism of Graphene Oxide Driven by the Photon Mode versus the Thermal Mode (2019)
  • 著者名/発表者名: M. Hada, K. Miyata, S. Ohmura, Y. Arashida, K. Ichiyanagi, I. Katayama, T. Suzuki, W. Chen, S. Mizote, T. Sawa, T. Yokoya, T. Seki, J. Matsuo, T. Tokunaga, C. Itoh, K. Tsuruta, R. Fukaya, S. Nozawa, S. Adachi, J. Takeda, K. Onda, S. Koshihara, Y. Hayashi, Y. Nishina
  • 雑誌名: ACS Nano 巻: 13 号: 9 ページ: 10103-10112
  • DOI: 10.1021/acsnano.9b03060
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] 共有結合にとらわれた原子が液体中でどのように動くのか ─共有結合性液体の高圧物性 (2019)
  • 著者名/発表者名: 大村 訓史，下條 冬樹，土屋 卓久
  • 雑誌名: 日本物理学会誌 巻: 74 ページ: 621-626
  • NAID: 130007807108
  • 査読あり
• [雑誌論文] QXMD: An open-source program for nonadiabatic quantum molecular dynamics (2019)
  • 著者名/発表者名: Shimojo Fuyuki、Fukushima Shogo、Kumazoe Hiroyuki、Misawa Masaaki、Ohmura Satoshi、Rajak Pankaj、Shimamura Kohei、Bassman Lindsay、Tiwari Subodh、Kalia Rajiv K.、Nakano Aiichiro、Vashishta Priya
  • 雑誌名: SoftwareX 巻: 10 ページ: 100307-100307
  • DOI: 10.1016/j.softx.2019.100307
  • NAID: 120006818786
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Structural change in liquid sulphur from chain polymeric liquid to atomic simple liquid under high pressure (2019)
  • 著者名/発表者名: Satoshi Ohmura and Fuyuki Shimojo
  • 雑誌名: Journal of Physics: Condensed Matter 巻: 31 号: 21 ページ: 215101-215101
  • DOI: 10.1088/1361-648x/ab0a35
  • 査読あり
• [学会発表] Doping effects on photo absorption and excited charge dynamics of organic molecules. (2019)
  • 著者名/発表者名: Satoshi Ohmura
  • 学会等名: OptoX-NANO 2019
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Pressure-induced structural change of liquid sulfur from polymeric liquid to simple liquid (2019)
  • 著者名/発表者名: Satoshi Ohmura
  • 学会等名: The 17th International Conference on liquid amorphous metal (LAM17)
  • 国際学会
• [学会発表] Structural and Transport Properties of Liquid Iron-light-element Mixtures under High Pressure (2019)
  • 著者名/発表者名: Satoshi Ohmura
  • 学会等名: The 14th International Conference on the Structure of Non-Crystalline Materials
  • 国際学会
• [学会発表] Ab initio molecular dynamics study of atomic diffusion in covalent liquid under high pressure (2019)
  • 著者名/発表者名: Satoshi Ohmura
  • 学会等名: 日本地球惑星科学連合大会2019
  • 招待講演
• [学会発表] Structural and transport properties of liquid iron-light-element mixtures under outer core conditions (2019)
  • 著者名/発表者名: Satoshi Ohmura
  • 学会等名: 日本地球惑星科学連合大会2019
• [学会発表] 高圧下における液体シリケートの構造と拡散特性 : 第一原理分子動力学シミュレーション (2019)
  • 著者名/発表者名: 大村訓史
  • 学会等名: 日本物理学会 2019年秋季大会
• [学会発表] 超高圧下における液体硫黄の分子性液体から金属性液体への圧力誘起構造的クロスオーバー (2019)
  • 著者名/発表者名: 大村訓史、下條冬樹
  • 学会等名: 日本物理学会第74回年次大会
• [学会発表] Properties of liquid iron-light-element mixtures under high pressure: ab initio molecular dynamics simulations. (2019)
  • 著者名/発表者名: Satoshi Ohmura and Taku Tsuchiya
  • 学会等名: Matter in Extreme Conditions: from MATerial science to Plasmas for Laboratory Astropohysics
  • 招待講演
• [学会発表] Effects of light elements on transport properties of liquid Fe alloys under high pressure. (2018)
  • 著者名/発表者名: Satoshi Ohmura, Taku Tsuchiya and Hiroki Ichikawa
  • 学会等名: Japan Geosciense Union 2018