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2021 年度 実施状況報告書

高圧下における鉄ー軽元素混合液体の結合状態と不混和に関する第一原理分子動力学計算

研究課題

研究課題/領域番号 21K03705
研究機関広島工業大学

研究代表者

大村 訓史  広島工業大学, 工学部, 准教授 (90729352)

研究期間 (年度) 2021-04-01 – 2024-03-31
キーワード液体鉄混合系 / 3元系 / 電子状態計算 / 分子動力学法 / 結合状態 / 高圧物性
研究実績の概要

本研究では、2種類の軽元素を含む液体鉄合金の高圧下における不混和性を解明する目的で、第一原理分子動力学法に基づく計算機シミュレーションを行っている。本年度の主要な研究成果は以下の通りである。

1) 140 GPaの圧力下における液体 Fe-Si-O混合系のシミュレーションから、2種類の軽元素が入った系においても、液体Fe-Si混合系、液体Fe-O混合系と同じように、ケイ素は”置換型”のサイトに、酸素は”侵入型”のサイトに存在することが分かった。
2)液体Fe-Si-O混合系の結合的性質を詳しく調べることで、Si-OとSi-Siには、共有結合的相互作用が存在していることが分かった。特に、Si-O結合は、原子の電荷にも影響を与えており、酸素と結合することでケイ素の電荷が正の方向にシフトしていることが分かった。つまり、酸素と結合してないケイ素と酸素と結合しているケイ素の電荷には明確な違いがあり、酸素と結合してる電荷の方がより高い電荷をもつことが分かった。また、Si-O間の共有結合のライフタイムを約0.5 ps程度と見積もることができた。Si-Si結合のライフタイムは、それより長く約1ps 程度であることが分かった。
3)Fe-Si-O混合系に加え、液体Fe-H-O、Fe-C-O、Fe-S-O混合系に対してシミュレーションを行い、構造的性質を詳しく調べた。液体 Fe-Si-O混合系と同様に、硫黄は液体鉄の”置換型”のサイトに、酸素、水素、炭素は”侵入型”のサイトに存在することが明らかとなった。

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

予定していた液体Fe-Si-O混合系の構造的性質、結合状態を第一原理分子動力学シミュレーションから明らかにしている。また、Fe-H-Oなどの他の液体鉄混合系(3元系)のシミュレーションにも着手できている。そのため、(2)を選択した。

今後の研究の推進方策

2022年度は、液体Fe-Si-O混合系のより高圧力下におけるシミュレーションを行い、結合状態の変化と不混和性の関係性を調べる。また、液体Fe-H-O、Fe-C-O、Fe-S-O、Fe-Si-S混合系に関してシミュレーションを行い、液体Fe-Si-Oとの構造的・結合的な類似・相違点を明らかにしていく。また、これらの液体の機械学習型ポテンシャルを用いた分子動力学シミュレーションを実施する予定である。

次年度使用額が生じた理由

新型コロナウイルスの影響で県をまたぐ移動ができず、当初予定していた対面での打ち合わ せ及び学会参加をオンラインに切り替えたことで未使用額が生じた。そのため、次年度は当初予定より密に打ち合わせを行いながら、成果発表(学会発表や論文投稿)に関する費用として未使用額を使用していく予定である。

  • 研究成果

    (5件)

すべて 2022 2021

すべて 雑誌論文 (1件) (うち査読あり 1件) 学会発表 (4件) (うち招待講演 2件)

  • [雑誌論文] Liquid Structure of Tantalum under Internal Negative Pressure2021

    • 著者名/発表者名
      Katagiri K.、Ozaki N.、Ohmura S.、Albertazzi B.、Hironaka Y.、Inubushi Y.、Ishida K.、Koenig M.、Miyanishi K.、Nakamura H.、Nishikino M.、Okuchi T.、Sato T.、Seto Y.、Shigemori K.、Sueda K.、Tange Y.、Togashi T.、Umeda Y.、Yabashi M.、Yabuuchi T.、Kodama R.
    • 雑誌名

      Physical Review Letters

      巻: 126 ページ: 175503

    • DOI

      10.1103/PhysRevLett.126.175503

    • 査読あり
  • [学会発表] 第一原理分子動力学法による液体鉄―軽元素混合系の 高圧下における構造と結合状態 広2022

    • 著者名/発表者名
      大村訓史、下條冬樹、土屋卓久
    • 学会等名
      日本物理学会第77回年次大会
  • [学会発表] Properties of liquid Fe mixtures under high-pressure conditions2021

    • 著者名/発表者名
      大村訓史
    • 学会等名
      地球惑星科学連合大会 JpGU2021
    • 招待講演
  • [学会発表] 第一原理分子動力学計算で探る極限超高圧下 の物質構造2021

    • 著者名/発表者名
      大村訓史
    • 学会等名
      ワークショップ レーザー超高圧力による新物質合成
    • 招待講演
  • [学会発表] ケイ酸塩液体の超高圧物性2021

    • 著者名/発表者名
      大村訓史、下條冬樹
    • 学会等名
      日本物理学会2021年秋季大会

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公開日: 2022-12-28  

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