| 研究課題/領域番号 |
17K05589
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| 研究機関 | 早稲田大学 |
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研究代表者 |
青木 圭子 早稲田大学, 理工学術院, 客員上級研究員 (90252163)
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| 研究期間 (年度) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| キーワード | ガラス / 固有構造 / 分子動力学シミュレーション / シンプレクティック解法 / 弾性 |
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| 研究実績の概要 |
ガラスが緩和する最終的な構造は inherent structure (固有構造) と呼ばれており、局所的な自由エネルギーの谷間（ベーズン）におけるエネルギーゆらぎの中で存在できる準安定な構造である。本研究では、ゆらぎの異方性を許容するようなストレス制御を含んだ分子動力学シミュレーション法を用いることにより、長時間に渡って安定に実現する単成分球形粒子系のガラスの固有状態を研究している。ソフトマターのためのシンプレクティック解法を用いれば、決定論的な時間発展方程式から熱力学的準安定状態が得られ、物性値測定ができる。つまり、従来の方法とは一線を画し、熱履歴に依存することなくガラスの固有状態を得られ、各温度におけるランドスケープを独立にもとめられる。
ガラスの本質である「固い構造」は、どのように捉えることが出来るのか。また何に起因しているのか。こうした問いに答えるため、特に本年度は弾性的な性質を求めることを中心に研究を行った。各種の実験的手法から求められる弾性に係わる物性値のなかでも、特にガラスとの関連から注目されているのはポアソン比である。ポアソン比は、１方向のみに応力をかけた場合に、応力に直角方向に発生するひずみと応力方向のひずみの比である。とくに本研究のシミュレーション手法では、シミュレーション領域の形状変化はポアソン比の測定と同じように、しかし自発的に静水圧を保つように起こる。従って、ミクロな自発的ひずみの比を取ることによりマクロなポアソン比に相当する物性値を求めることが出来る。また、自発的なゆらぎによって起こるひずみと応力の関係から(ヤング率や体積弾性率に相当する)ミクロな弾性率を求めることが出来る。特に、平均自乗変位が急激に立ち上がる前後の温度で、弾性がどのように変化しているかの測定を行った。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
現在までに 5376粒子系で再現されたガラスの固有構造を詳細に解析している。特に自発的ゆらぎの下で測定できる弾性的な諸物理量が得られている。これらの結果、本研究に用いたシミュレーション法がミクロな弾性率の測定にも適している事がわかった。
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| 今後の研究の推進方策 |
ガラス転移温度近傍で平均自乗変位が急激に立ち上がる現象は、無機ガラスから生体系に至るまで、様々なガラスの実験で報告されている。平均自乗変位が急激に立ち上がる前後の温度で、弾性的な性質およびダイナミックスがどのように変化するかを詳細に解析する。また、本研究のシミュレーションにおけるストレステンソル制御では、自発的にシミュレーションセルの体積のみならず形も変化する。自発的な形状変化からひずみを求め、同時刻の内部ストレステンソルから応力を測定し、それらの長時間データから応力-ひずみ曲線を求めることにより、弾性率を求める。また、ひずみの比よりポアソン比に相当する値も求める。ガラスの固いという特徴と動的不均一性との関連性を調べることは、動的な特徴と静的な特徴をつなぐ重要な意味を持つ。ガラスの固有構造で形状弾性・体積弾性とその温度依存性を計算し、ダイナミックスとの関係が明らかにする。
ガラスの「固い構造」は、何に起因しているのか。その本質に迫りたい。
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