| 研究課題/領域番号 |
20K14659
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| 研究機関 | 東北大学 |
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研究代表者 |
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| 研究期間 (年度) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| キーワード | 熱輸送特性 / 分子動力学法 / 固液界面 |
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| 研究実績の概要 |
固体の熱の大部分は原子の振動によって伝わり，その振動を量子化したのはフォノン（音響量子）である．数値計算手法の一つである分子動力学法によってフォノン解析を行うことでその物質の熱輸送特性を明瞭に表すことができるが固体内に限定される．本研究では，分子動力学法に於いて主に固液界面に適用できる熱輸送特性の解析方法を確立させる．２つの方面から取り組む：①「熱流束スペクトル解析」はフォノン解析と同様に元来固体用の解析手法であるものの，その物理的な解釈と妥当性は未だに不明瞭であり，本研究ではそれらを明確化していく．②より物理的な意味を持った手法として熱流束の自己相関関数の解析を行う．界面における熱流束相関はGreen-Kuboの関係により界面熱抵抗と関連付けられているため，固液界面の熱輸送特性には有効な方法だと思われる．①と②の両方に関して，分子動力学ソフトではあるLAMMPSが主役的な役割を果たしながら，熱の流れを詳細に解析するに必要な機能は十分備わっていないため，本年度は水分子のような剛体でモデリングされるものでも熱の流れの観点から正しく扱えるようにLAMMPSの機能を拡張し，学術論文によって一般公開し、本家のLAMMPSに取り入れてもらった．
②に関して，熱流束の自己相関関数の形から界面の形状によらない熱輸送特性の評価方法を確立した．更に，協力関係にあるグループのせん断力自己相関関数と界面摩擦係数のGreen-Kubo関係に関する知見と比べ，界面熱抵抗の場合，より複雑関数系になることの物理的な解釈を示した．また，別のアップローチとして，界面自由エネルギーと界面熱抵抗に関連があることから，大阪大学とダルムスタット工科大学のグループと協力し，付着仕事算出に関する研究を行った．
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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
研究実績の概要で述べた②の「熱流束の自己相関関数と熱輸送特性の関係」について非常に有望な結果になっている一方，①の「熱流束スペクトル解析」に関してまだ模索中なため，主に②に注力した．
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| 今後の研究の推進方策 |
②単原子分子液体の場合，表面形状によらない熱輸送特性の評価方法の確立に至ったという大きな成果があるため，主にこちらに集中的に発展させていく．具体的にLAMMPSソフトの改修によってより複雑な系の扱いも可能になったため，より現実に近い計算系でも同様な評価方法を確立させる．
①引き続き，妥当性，物理的な意味合いを検証し，必要に応じて手法の再構築を検証する．
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| 次年度使用額が生じた理由 |
コロナ禍のため，オンライ学会が増加し，浪費が大幅減少した．更に，人件費を当ていた留学生は諸事情によって雇用期間が想定より短かった．2022年度では対面学会の復活や投稿予定の論文によって費用が増加するに加え，解析のさらなる高速化のため，年度はじめに新たな計算機を導入する予定がある．そのため，2021年度からの繰り越しも含めて使用することが必要になると考えられる．
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