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ソフト準結晶の形成機構の理論研究

公募研究

研究領域ハイパーマテリアル:補空間が創る新物質科学
研究課題/領域番号 20H05272
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
審査区分 理工系
研究機関岡山大学

研究代表者

松本 正和  岡山大学, 異分野基礎科学研究所, 准教授 (10283459)

研究期間 (年度) 2020-04-01 – 2022-03-31
研究課題ステータス 完了 (2021年度)
配分額 *注記
4,290千円 (直接経費: 3,300千円、間接経費: 990千円)
2021年度: 2,210千円 (直接経費: 1,700千円、間接経費: 510千円)
2020年度: 2,080千円 (直接経費: 1,600千円、間接経費: 480千円)
キーワード水素無秩序氷 / 水素結合ネットワーク / トポロジー / 相互作用 / 超均質性 / 理論化学 / アルゴリズム / 氷 / 包接水和物 / 超複雑結晶構造 / 準結晶 / シミュレーション / 物理化学
研究開始時の研究の概要

準結晶が発見されて以来、どのような金属を、どのような配合で混ぜれば準結晶が作れるかという知識は蓄えられてきたが、なぜ準結晶ができるのか、という根本的な問いはまだ未解決である。本研究では、計算機シミュレーションを用いた構成的アプ ローチにより、「準結晶になるように」原子間相互作用をチューニングし、自由エネルギーの評価を行い、なぜそうでなければならないのかを明らかにする。

研究実績の概要

本計画では、準結晶が生じる機構を探るべく、できるだけ単純な分子モデルを使い、自由エネルギー計算等を駆使して、相互作用を最適化することを目指した。 また、最も単純な分子の一つであるが、非常に複雑な結晶構造を生じうる、水について、新奇な結晶構造を生じさせる方法を検討した。
その過程で、氷に異常に長距離の相関と、それによる異常に均質なエネルギー状態が実現していることを発見した。氷には残余エントロピーが観測されること、それはポーリングのモデルにより非常によく近似されることが知られている。氷の結晶の中では、水分子はアイスルールを満たしながら乱雑に配向していることは理解されていたが、その乱雑さに隠された秩序構造には関心が払われていなかった。氷の中のある分子と周囲との相互作用を近い順に積算していくと、近距離では非常に相互作用のばらつきが大きいにもかかわらず、そのばらつきが(何らかの遠距離相関の存在により)相殺され、遠距離まで積算するとほぼ0に収束する。この現象を我々は発見し、超均質性と名付けた。近距離相互作用が(隣接分子のさまざまな配向のせいで)いかに不均質であっても、超均質性のおかげで氷の中の水分子はほぼ同じエネルギー状態になり、それがポーリングの近似を成り立たせている。ではなぜ、近距離の不均質さを、遠方の分子が相殺できるのか。これを説明する合理的なモデルを我々は構築した。超均質性は水素無秩序氷および水素無秩序包接水和物のすべてで発現する。
この研究に付随して、氷の中で、位相幾何学的条件(アイスルール)を満足しながら乱雑な分子配置を高速で生成する新たなアルゴリズムを提案した。このアルゴリズムは、従来広く用いられていた手法に比べて格段に短時間で構造を生成でき、系の大きさに対して線形時間しかかからない最速アルゴリズムである。

現在までの達成度 (段落)

令和3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3年度が最終年度であるため、記入しない。

報告書

(2件)
  • 2021 実績報告書
  • 2020 実績報告書
  • 研究成果

    (13件)

すべて 2021 2020 その他

すべて 雑誌論文 (8件) (うち査読あり 8件) 学会発表 (2件) (うち国際学会 2件、 招待講演 2件) 図書 (1件) 備考 (2件)

  • [雑誌論文] On the role of intermolecular vibrational motions for ice polymorphs. III. Mode characteristics associated with negative thermal expansion2021

    • 著者名/発表者名
      Tanaka Hideki、Yagasaki Takuma、Matsumoto Masakazu
    • 雑誌名

      The Journal of Chemical Physics

      巻: 155 号: 21 ページ: 214502-214502

    • DOI

      10.1063/5.0068560

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Novel Algorithm to Generate Hydrogen-Disordered Ice Structures2021

    • 著者名/発表者名
      Matsumoto Masakazu、Yagasaki Takuma、Tanaka Hideki
    • 雑誌名

      Journal of Chemical Information and Modeling

      巻: 61 号: 6 ページ: 2542-2546

    • DOI

      10.1021/acs.jcim.1c00440

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] On the anomalous homogeneity of hydrogen-disordered ice and its origin2021

    • 著者名/発表者名
      Matsumoto Masakazu、Yagasaki Takuma、Tanaka Hideki
    • 雑誌名

      The Journal of Chemical Physics

      巻: 155 号: 16 ページ: 164502-164502

    • DOI

      10.1063/5.0065215

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Formation of hot ice caused by carbon nanobrushes. II. Dependency on the radius of nanotubes2021

    • 著者名/発表者名
      Matsumoto Masakazu、Yagasaki Takuma、Tanaka Hideki
    • 雑誌名

      The Journal of Chemical Physics

      巻: 154 号: 9 ページ: 094502-094502

    • DOI

      10.1063/5.0044300

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] 新しい氷の結晶構造を計算機で探す2020

    • 著者名/発表者名
      松本正和, 矢ケ崎琢磨, 平田雅典
    • 雑誌名

      日本物理学会誌

      巻: 75 ページ: 410-415

    • NAID

      130007934263

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Cage occupancy and dissociation enthalpy of hydrocarbon hydrates2020

    • 著者名/発表者名
      Tanaka Hideki、Yagasaki Takuma、Matsumoto Masakazu
    • 雑誌名

      AIChE Journal

      巻: 67 号: 3

    • DOI

      10.1002/aic.17009

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Molecular dynamics study of grain boundaries and triple junctions in ice2020

    • 著者名/発表者名
      Yagasaki Takuma、Matsumoto Masakazu、Tanaka Hideki
    • 雑誌名

      The Journal of Chemical Physics

      巻: 153 号: 12 ページ: 124502-124502

    • DOI

      10.1063/5.0021635

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] On the Occurrence of Clathrate Hydrates in Extreme Conditions: Dissociation Pressures and Occupancies at Cryogenic Temperatures with Application to Planetary Systems2020

    • 著者名/発表者名
      Tanaka Hideki、Yagasaki Takuma、Matsumoto Masakazu
    • 雑誌名

      The Planetary Science Journal

      巻: 1 号: 3 ページ: 80-80

    • DOI

      10.3847/psj/abc3c0

    • NAID

      120006955818

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 査読あり
  • [学会発表] The polymorphism of Ice2021

    • 著者名/発表者名
      Masakazu Matsumoto
    • 学会等名
      International Conference on Discrete Geometric Analysis for Materials Design
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Homogeneity of ice and spin ice2021

    • 著者名/発表者名
      Masakazu Matsumoto, Takuma Yagasaki, Hideki Tanaka
    • 学会等名
      MRM2021
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [図書] 化学が好きになる数の物語100話2020

    • 著者名/発表者名
      ジョエル・レビー
    • 総ページ数
      173
    • 出版者
      ニュートンプレス
    • ISBN
      4315522902
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [備考] 超均質性に関するアルゴリズム

    • URL

      https://github.com/vitroid/hyperhomogeneity

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [備考] 水素無秩序氷を生成するアルゴリズム

    • URL

      https://github.com/vitroid/TileCycles

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書

URL: 

公開日: 2020-04-28   更新日: 2022-12-28  

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