| 研究課題/領域番号 |
19K05132
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| 研究機関 | 八戸工業高等専門学校 |
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研究代表者 |
本間 哲雄 八戸工業高等専門学校, その他部局等, 准教授 (10369910)
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| 研究分担者 |
百瀬 健 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 講師 (10611163)
秋月 信 東京大学, 大学院新領域創成科学研究科, 講師 (30707188)
佐藤 剛史 宇都宮大学, 工学部, 准教授 (60375524)
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| 研究期間 (年度) |
2019-04-01 – 2023-03-31
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| キーワード | 核生成 / 晶析 / 超臨界水 / 分子シミュレーション / 亜臨界水 |
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| 研究実績の概要 |
本研究では、実機での課題発見・解決に必要な晶析・表面反応機構を模倣するために、分子シミュレーションと離散要素法(DEM)を活用した核生成・表面反応過程を模擬する実用シミュレータを開発し、実機レベルでのナノ粒子生成や固体表面反応過程を可視化して、製造プロセスの知見・設計指針の提供に資することを目的とした。
上記の目的を達成するために、本研究では、まず晶析・表面反応過程を分子レベル（量子化学計算、分子シミュレーション）で解明して、晶析モデル構築に必要なミクロ物性値の取得（核生成に必要な活性化エネルギーや臨界核半径）を目指す。続いて、分子レベルでのミクロ物性値をメソスケールでの核生成モデルへ適用するために、DEMへ適用できる核生成モデルを開発し、晶析・表面反応過程を模倣する実用シミュレータの開発を目指している。
これまでに、メソスケール計算に適用できる核生成モデル構築のために、DFT計算とMD法を用いて結晶化過程を模擬することが可能になった。令和３年度では、引き続きMD法を用いてZnO 晶析過程の模擬を行い、ZnOを模倣するAll-Atomモデルの構築および妥当性の検討を行った。分散力にLennard-Jones ポテンシャルを用いたLJ モデルを用いたシミュレーションからはFCC構造が得られ、速やかに結晶化することを明らかにした。また、分散力にBuckingham ポテンシャルを用いたHwang モデルの場合では、六方晶系のウルツ鉱型構造を取る傾向が示唆された。さらに、結晶化過程の温度・濃度依存性も見積もることが可能となった。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
3: やや遅れている
理由
メソスケールシミュレーションへ適用できる核生成モデルを構築するために、これまでに水溶液中でのDFT計算から水和自由エネルギーの粒子サイズ依存性を算出し、幼核・臨界核の生成自由エネルギーやサイズの算出を試みた。また、溶媒を明示的に取り込んだ臨界核を想定し、分子動力学法を用いて臨界核のモデル化と自由エネルギー計算から結晶化過程を模擬したが、核生成過程の自由エネルギーや濃度依存性については、妥当性の評価が課題となっていた。令和３年度では、ZnOを模擬するポテンシャルモデルの再構築を行い、妥当性の評価を行った。ZnOを模擬する分子モデルは僅少であるが、固体を表現できるHwangのモデルを参考に、分散力にLennard-Jones ポテンシャルを用いたLJ モデルを構築した。LJモデルによる結晶化過程は、ZnおよびOイオンが会合し、ZnOクラスターを形成したのちに、速やかにFCC構造を形成する機構で進行することを明らかにした。また、Hwangモデルについては一旦、鎖状構造を形成し、鎖状構造が相互に衝突して分岐鎖が生じ、環状構造や4, 6, 8員環構造が形成することを明らかにした。また、環状構造のうち、4員環および8員環は結晶化初期から存在し、時間経過とともに6員環へ変化することが明らかとなった。このことは、4, 8員環が一旦形成してから、安定な6員環構造へ転移するものと考えられる。計算時間範囲での結晶化過程の最終形態は6員環構造の集合体と鎖状構造が混在した状態となり、集合体のサイズが臨界核のサイズになりえると考える。結晶化過程の温度・濃度依存性については、温度増加、濃度増加により結晶化過程が早まることを明らかになり、結晶化のメカニズム自体が変化することは見られなかった。また、これらの知見を活かして、DEM法による結晶化過程のシミュレーションを行うべく、ソフトウェアの評価を進めた。
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| 今後の研究の推進方策 |
結晶核生成過程のモデル化のために核生成に係る活性化エネルギーと臨界核サイズの決定法についての目途が立ったと考える。令和４年度では、検討中のDEMによる結晶化過程のシミュレーションを行うべく、ソフトウェアの構築を進め、実機レベルでの均一核生成過程及び不均一核生成過程を模倣する計画である。
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| 次年度使用額が生じた理由 |
核生成過程のモデル化に時間を要したため、計算機用消耗品の次年度仕様が発生した。核生成過程は模擬できたため、離散要素法(DEM)を使った模擬に必要な消耗品に予算執行する。
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