2022 Fiscal Year Research-status Report
The microscopic origin of slow dynamics and non-equilibrium phase transition in structural glass systems from the viewpoint of dynamic facilitation
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20K03785
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| Research Institution | Nagoya Institute of Technology |
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Principal Investigator |
礒部 雅晴 名古屋工業大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (80359760)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | 動的ファシリテーション / 構造ガラス / 遅い緩和 / 非平衡相転移 / 分子動力学法 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
「ガラス・ジャミング転移」それらの類似性に着目した「遅い緩和」の神秘な物性について記述する統一的（普遍的）枠組みに関する研究が精力的に行われている．しかし，未だ，決定的な概念や理論が存在せず多くの理論や方法論が創生され，世界中の研究者を魅了し続けている．代表者は，剛体球系の高速Event-Driven分子動力学法(EDMD:1999)とEvent-Chainモンテカルロ法(ECMC:2009)を融合させた「Event-Based Hybrid高速アルゴリズム」(2016)を用い，局所構造解析をする方法論を開発し国際研究協力体制にて，構造ガラス系の遅い緩和の「微視的起源」と「非平衡相転移」を「動的ファシリテーション」の観点から解明をめざしている．
令和4年度は研究計画の3年目であり，昨年の成果を基礎に研究を発展させた．
(I)「分子の局所構造解析」：高密度多成分剛体円板系の厳密な高速自由体積計算(NELF-A)法を開発し圧力計算を従来法と比較検証した。また応用例として，inherent構造を計算する方法論を確立した．
(II)「平衡緩和」： ECMC法やNewtonian ECMC(NEC)法の緩和過程や拡散特性の効率性の違いに着目し微視的機構を系統的に調べた．NECは，液相での拡散や結晶相からの融解で明確な「平衡緩和」効率の優位性が確認された．また固液相転移点(Alder転移点以上)の高密度系において生じるHopping拡散（緩和）においても優位性があることがわかった．
(III)「構造ガラス系のファシリテーション」：ガラス転移点近傍の準空隙駆動「ひも状のホッピング連鎖」協働運動と構造（自由体積）の相関を系統的に調べた．また，排除体積効果と非平衡流の協働現象を調べるため高密度剛体円板の自己駆動粒子(Vicsek)系の相図を作成し，相転移点のシフトと微視的機構を調べた．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本研究では，高密系で生じる「遅い緩和」の微視的機構解明のため，局所構造解析の方法論を開発し，「フリージング」「フリーエネルギー」「ファシリテーション」の3つの概念を軸に研究を遂行している．令和4年度の研究進捗をまとめる．
(a)方法論の開発として，一昨年開発したNELF-A法をより単純なものに改良した．注目する粒子の近接候補粒子群の排除体積円の交点のみに着目し，自由体積を構成する粒子群を効率よく見出すことに成功した．その結果，密度の適用範囲が広く，単純で効率のよい厳密な自由体積計算法が開発できた．副産物として，各自由体積の幾何中心からInherent構造を見出す方法論を確立した．また，異方性（フリーエネルギー）と高密ガラス系のHopping連鎖運動の方向の相関関係について系統的に調べた．
(b) 様々なイベント駆動型アルゴリズムの「平衡緩和」の原理解明を目的とし，Alder転移点近傍における融解過程や拡散特性に着目し，効率性や微視的機構の違いを大規模精密計算により調べた．ECMC法系列ではイベント鎖長が効率や緩和に強く依存するが，全密度領域でNEC法の有用性が確認できた．
(c) 準空隙駆動「ひも状ホッピング連鎖」協働運動(PRL2020)を基礎に，香港理工大学との共同研究にてホッピング待ち時間の確率密度分布べき則理論を等配置アンサンブルを用いて検証した．連続するホップ素過程相関を計算する方法論を導入した結果、高密度での待ち時間が増大し再帰運動が支配的となることが確認できた．
3年目は，招待講演（セミナー）1件、国際会議(CCP 2022他)5件、国内会議8件（内１件は査読付き会議録出版）にて成果発表し，活発に成果発表を行ったため，おおむね当初の計画通りに研究が進展している．
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| Strategy for Future Research Activity |
本プロジェクトは令和4年度で最終年度(3年目)であったが，コロナ禍の影響にて国際会議がオンライン開催であったため，成果発表費用は令和5年度(4年目)に繰り越した．令和5年度は以下の研究の推進方策により，国際会議や原著論文にて成果を公表する．
(1) 高密度分子系の局所構造解析法を確立し，国際会議や原著論文にて公表する．(2) 種々のイベント駆動型アルゴリズムを用いて得られた剛体円板系における平衡緩和の比較や微視的機構の基本原理を解明する．また，分子（素子）を円板から多角粒子（ポリゴン）系へ拡張するため，近年開発された多面体系の高速接触判定法「XenoSweep」を導入し，回転イベント鎖ならびに多角粒子での自由体積計算法を確立する．種々の方法による効率性や平衡緩和の微視的機構をフリーエネルギーの観点から包括的に原著論文にまとめ，国内外の学会で発表を行う．(3) 動的ファシリテーション理論の大きな「パラドックス」すなわち，高密度系で大変位を起こす隙間がなく，Hopping連鎖の最初のトリガーと起源が不明であることを新しい方法論を用いて解明する．先行研究では，静的な粒子配置の自由体積（ソフトスポット）との相関が調べられたが否定された．香港との共同研究で，このトリガーは第2，3近傍まで含めた領域内に準空隙が複数粒子のファシリテーションを起こし，空隙が輸送される機構が明らかとなった(PRL2020)．自由体積の異方性（幾何中心ベクトル）を求める方法論の適用により，連鎖の方向性やフリーエネルギー（エントロピー）の観点から統計則の検証を進める．また，深層学習法を導入し，粒子構造とHoppingとの隠された関係を明らかにする．非平衡相転移として自己駆動剛体円板系の相図で得られた知見を基礎に，多成分アクティブガラス系の転移点シフト現象を調べる．
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| Causes of Carryover |
研究計画3年目は，昨年度に引き続き，コロナ禍にて国際会議などがオンライン開催となるなど，旅費分の予算計画が大幅に変更となった．国際共同研究においては研究打ち合わせや情報の交換において，インターネットによるテレビ会議ソフトを利用したコミュニケーションが有効であるため，予算使用計画を変更し，コロナ禍後の状況を見て，研究計画を１年延長することとした．研究計画3年目で得られた成果は，令和5年度に開催される国際会議に参加し成果公表するために使用する．
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