過飽和蒸気相における均質核形成の自由エネルギー

2001 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 12640504
• 研究機関: 法政大学
• 研究代表者: 片岡 洋右 法政大学, 工学部, 教授 (30025407)
• キーワード: 均質核形成 / 自由エネルギー / クラスター / モンテカルロ法 / 過飽和蒸気相 / 熱力学的積分 / レナードジョーンズ模型

研究概要

過飽和蒸気相でクラスターが生じる時の自由エネルギー差計算法を調べた。われわれは一定体積のもとでのメトロポリス法のカノニカル・モンテカルロ法を使用する。
密度は過飽和蒸気相に相当する値を採用し、低温で安定なクラスターを作成する。この系の温度を上げるとやがてクラスターは壊れる。この現象はクラスター相からモノマー相への相転移と見なすことが出来る。一方、系の温度を上げるときのモンテカルロ・サンプリングにおいて、クラスターが壊れることを禁止すると、モノマー相が出来ず、いわば高温のクラスター相をシミュレート出来る。この考えに基づいて分子数2から70までの系の平均ポテンシャルエネルギーをモンテカルロ法により温度の関数として決め、熱力学的積分により低温度からのエントロピー差を見積もって、ヘルムホルツ自由エネルギーを計算した。これから高温でモノマー相からクラスター相へ変化したときの自由エネルギーを見積もった。モデルはレナードジョーンズ模型である。
一定温度で粒子当たりの粒子あたりの自由エネルギー差を粒子数に対してプロットすると大局的には減少関数であることが分かった。これは粒子数が増すと相転移温度が上昇するためで観測温度に近づいてくるためである。この温度におけるクラスター形成にともなう自由エネルギー変化の粒子数依存性は30から40付近に極大を持つことが明らかになった。この結果は、同じ温度・密度に着いての分子動力学シミュレーションによる泰岡-松本の結果と対応する。

研究成果

• [文献書誌] Y.Kataoka: "The concentration fluctuations and the mutual diffusion coefficient in the supercritical solution"Journal of Molecular Liquids. 90. 35-43 (2001)
• [文献書誌] Y.Kataoka, Y.Yamada: "Monte Carlo Simulation on the Free Energy of Homogeneous Nucleation in the Supersaturated Lennard-Jones Vapor Phase"Fluid Phase Equilibria. (印刷中). (2002)
• [文献書誌] Y.Kataoka, Y.Yamada: "Entropy Sampling Monte Carlo Simulations of the Solid-Liquid Phase Transition for Lennard-Jones System"JCPE Journal. 12. 335-342 (2000)
• [文献書誌] 近藤敦史, 片岡洋右: "半経験的分子軌道法によるエステル交換反応の解析"法政大学計算科学研究センター研究報告. 14. 11-14 (2001)
• [文献書誌] 近藤敦史, 片岡洋右: "経験的分子起動法によるエステル交換反応解析"法政大学計算科学研究センター研究報告. 15(印刷中). (2002)
• [文献書誌] 近藤敦史, 片岡洋右: "メタノールの分子動力学"法政大学計算科学研究センター研究報告. 15(印刷中). (2002)
• [文献書誌] Y.Kataoka: "Supercritical Fluids-Molecular Interaction, Physical Properties, and New Applications"Springer, Y.Arai, T.Sako and Y.Takebayashi(Eds.), pp.23-30, pp.59-64. 446 (2001)
• [文献書誌] 片岡洋右, 三井崇史, 竹内宗孝: "分子動力学法による物理化学実験"三共出版. 184 (2001)