2019 年度実施状況報告書

量子ー古典ハイブリッド法を用いた結晶粒界を起源とする塑性変形の高精度解析

研究課題

研究課題/領域番号	19K04090
研究機関	名古屋工業大学
研究代表者	浦長瀬正幸名古屋工業大学, 工学(系)研究科(研究院), 研究員 (00512766)
研究期間 (年度)	2019-04-01 – 2022-03-31
キーワード	結晶粒界 / 塑性変形 / 量子－古典ハイブリッドシミュレーション / 密度汎関数理論 / 分子動力学シミュレーション / 材料強度
研究実績の概要	結晶粒界が塑性変形など物質の強度に影響を及ぼすことは既に知られているが、その影響について量子－古典ハイブリッドシミュレーションを用いて定量的に評価するために必要となる種々のプログラムコードを実装した。まず、原子埋め込み法やクーロンポテンシャルなど古典ポテンシャルにより各原子に作用する力及びエネルギーを評価するためのプログラムを作成し、これまでに使用してきた分子動力学シミュレーションコードで利用することを可能にした。近年ナノカーボンの応用に注目が集まっており、その強度を評価することの重要性が高まっていることからグラフェン粒界を研究対象に設定し、ボロノイ分割を利用してグラフェン粒界を作成するプログラムおよび各炭素原子に作用する力を計算するプログラムを作成した。そしてそれらのプログラムを用いてグラフェン粒界モデルの両端を引っ張った際にグラフェンの炭素間の結合が破壊されるのに必要な力を古典分子動力学シミュレーションにより評価し、粒界エネルギーとの関係についてのデータを得た。これは量子－古典ハイブリッドシミュレーションの結果と比較する際に必要となるデータである。これまで利用してきた密度汎関数理論に基づく量子力学計算プログラムと古典分子動力学シミュレーションのプログラムを組み合わせることにより、量子－古典ハイブリッドシミュレーションを実行するためのプログラムを作成し、それらのプログラムが想定通りに作動していることを確認した。以上を通して本格的に研究を遂行するための準備が整った。
現在までの達成度 (区分)	現在までの達成度 (区分) 3: やや遅れている理由当初は１年目終了時点で量子‐古典ハイブリッドシミュレーションに必要なプログラムを実装し、少なくとも一つのモデルについて本格的な計算をスタートさせることを想定していたが、最新のものを含めた先行研究の情報収集や古典シミュレーションの実装及びそれに伴うデバッグ等に予定以上の時間を要したため、ハイブリッドシミュレーションに関してはデバッグを行い想定通りに作動したことを確認する段階にとどまっている。近年ナノカーボンの物性が注目されていることからグラフェンの粒界を研究対象に設定し研究を進めているが、グラフェンは二次元物質であるためシミュレーションに必要な時間が比較的短く、デバッグ等に費やす時間が当初の想定よりも短縮できたことで、序盤の遅れはある程度取り戻せたと考えられるため（３）のやや遅れているという評価が適切であると判断した。
今後の研究の推進方策	今年度前半は、前年度古典分子動力学シミュレーションにより実施した粒界を有するグラフェンの引張変形について量子－古典ハイブリッドシミュレーションを実施し、二つのシミュレーションの結果の差異について検討する。また、グラフェンの炭素原子を窒素原子やホウ素原子に置換したモデルについても同様の引張変形のシミュレーションを実施する。ただし、複数種の原子を記述する古典ポテンシャルの信頼性は十分といえないため、古典分子動力学シミュレーションとの比較については時間が余っている場合にのみ実施する。グラフェンについてのシミュレーションを完了後、金属の塑性変形についての量子－古典ハイブリッドシミュレーションによる解析を実施する。研究対象としてはアルミニウムの対称傾角粒界を予定している。金属の古典シミュレーションに関するプログラムは既に作成しているため、グラフェンのハイブリッド計算に用いたプログラムを少し変更することで金属の塑性変形のハイブリッド計算が可能である。従って準備期間はそれほど必要ではないと考えられるが、シミュレーション結果が得られるには長時間の計算が必要であり、その間手持ち無沙汰になることを避けるために古典シミュレーションで得られた結果から粒界のどのようなパラメータが金属の塑性変形に強く影響を及ぼすかについての検討を実施する。
次年度使用額が生じた理由	研究の初期段階でやや遅れが生じたために研究経費の使用計画について再検討を実施した結果、研究成果発表のための旅費や大規模計算用の他大学のスパコンの利用料は次年度以降に用いるのがよいと判断したため、初年度の使用は少額となった。また購入を予定していたソフトウェアが現在用いているパソコンに対応しておらず取りやめにしたこと、及び年明け以降にパソコンの買い替えを検討していたが、新型コロナウイルスの影響等を鑑み延期を決断したことも使用額が減少したことの一因となっている。２０２０年度の研究経費の使用計画としては２０１９年度に実施を断念したパソコンの買い替えに加えて、研究の要となるシミュレーションを滞りなく実行するために他大学のスパコンの利用料を当初の予定（各年度２０万円）よりも増額して利用を申請することを予定している。