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2020 年度 実績報告書

局所的空間対称性の破れを基礎にした新しい液体物理学

研究課題

研究課題/領域番号 18H03675
研究機関東京大学

研究代表者

田中 肇  東京大学, 大学院新領域創成科学研究科, 客員共同研究員 (60159019)

研究分担者 高江 恭平  東京大学, 生産技術研究所, 特任講師 (30739321)
研究期間 (年度) 2018-04-01 – 2021-03-31
キーワード液体物理学 / 水の異常性 / 液体・液体転移 / ガラス転移 / 結晶化
研究実績の概要

ガラス転移をめぐる大きな論争の種は、液体の構造が粘性の増大に重要な働きをしているか否かという点である。液体を構成する粒子間に引力と斥力の作用が存在するLennard-Jonesポテンシャルと、その斥力部分だけを取り出したWCAポテンシャルで相互作用する2つの液体のシミュレーション結果を比べると、X線などで観察される構造因子は全く変わらないのに、ダイナミクス(粒子運動)の遅くなり方は2つの系で大きく異なることが報告され、ダイナミクスを決める上で構造が重要ではない証拠と考えられてきた。
今回、我々が過去に導入した「局所的なパッキング能が高い粒子配置構造」を用いて2つの系の構造を比べたところ、実は構造が大きく異なることが明らかになり、引力相互作用が液体の構造を大きく変え、その結果、ダイナミクスにも多大な影響を与えていることを発見した。今回の成果は従来の常識に反し,液体の構造を決めるには2体相関では不十分であり、3体以上の多体相関が不可欠であることを示したといえる。本研究の成果は、液体の構造を記述するには角度情報が不可欠であること、さらには、長年の謎であったガラス転移に伴う粘性の増大が、液体の構造化にあることを示唆しており、液体の理解に大きなインパクトを与えるものと期待される(Phys. Rev. Lett.に発表)。
また、コロイド系の一粒子レベル観察により、結晶多形を示す系の結晶化過程において、どのように最終構造が形成されるかを明らかにすることに成功した。液体の中でできては消える局所的に安定な構造の存在下で、結晶化初期には、さまざまな結晶構造を内包した結晶の核が形成されるが、これらの構造が競合しながら、時間とともにより安定な結晶が徐々に発達し安定化されていく機構を明らかにした点に新規性がある(Sci. Adv.に発表)。

現在までの達成度 (段落)

令和2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2年度が最終年度であるため、記入しない。

  • 研究成果

    (10件)

すべて 2020 その他

すべて 国際共同研究 (1件) 雑誌論文 (8件) (うち国際共著 5件、 査読あり 8件、 オープンアクセス 5件) 学会発表 (1件) (うち国際学会 1件、 招待講演 1件)

  • [国際共同研究] 復旦大学/上海交通大学(中国)

    • 国名
      中国
    • 外国機関名
      復旦大学/上海交通大学
  • [雑誌論文] Role of attractive interactions in structure ordering and dynamics of glass-forming liquids2020

    • 著者名/発表者名
      Hua Tong and Hajime Tanaka
    • 雑誌名

      Physical Review Letters

      巻: 124 ページ: 225501

    • DOI

      10.1103/PhysRevLett.124.225501

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Revealing roles of competing local structural orderings in crystallization of polymorphic systems2020

    • 著者名/発表者名
      Minhuan Li, Yanshuang Chen, Hajime Tanaka, Peng Tan
    • 雑誌名

      Science Advances

      巻: 6 ページ: eaaw8938

    • DOI

      10.1126/sciadv.aaw8938

    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Morphology selection kinetics of crystallization in a sphere2020

    • 著者名/発表者名
      Yanshuang Chen, Zhenwei Yao, Shixiang Tang, Hua Tong, Taiki Yanagishima, Hajime Tanaka, Peng Tan
    • 雑誌名

      Nature Physics

      巻: 17 ページ: 121-127

    • DOI

      10.1038/s41567-020-0991-9

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Emergent solidity of amorphous materials as a consequence of mechanical self-organisation2020

    • 著者名/発表者名
      Hua Tong, Shiladitya Sengupta & Hajime Tanaka
    • 雑誌名

      Nature Communications

      巻: 11 ページ: 4863

    • DOI

      10.1038/s41467-020-18663-7

    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] A unique route of colloidal phase separation yields stress-free gels2020

    • 著者名/発表者名
      Hideyo Tsurusawa, Shunto Arai, Hajime Tanaka
    • 雑誌名

      Science Advances

      巻: 6 ページ: eabb8107

    • DOI

      10.1126/sciadv.abb8107

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Liquid-liquid transition and polyamorphism2020

    • 著者名/発表者名
      Hajime Tanaka
    • 雑誌名

      The Journal of Chemical Physics

      巻: 153 ページ: 130901

    • DOI

      10.1063/5.0021045

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] The anomalies and criticality of liquid water2020

    • 著者名/発表者名
      Rui SHi and Hajime Tanaka
    • 雑誌名

      Proceedings of the National Academy of Science of the United States of America

      巻: 117 ページ: 26591-26599

    • DOI

      10.1073/pnas.2008426117

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Physical origin of glass formation from multicomponent systems2020

    • 著者名/発表者名
      Yuan-Chao Hu, Hajime Tanaka
    • 雑誌名

      Science Advances

      巻: 6 ページ: eabd2928

    • DOI

      10.1126/sciadv.abd2928

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [学会発表] Viscoelastic Phase Separation and Its Link to Mechanical Fracture2020

    • 著者名/発表者名
      Hajime Tanajka
    • 学会等名
      eCoSoM-2020
    • 国際学会 / 招待講演

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公開日: 2021-12-27  

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