研究内容

ここでは我々が行なっている研究を紹介します.
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金属樹脂間の接着強度に及ぼす水分効果についてのハイブリッド量子古典シミュレーション
 ものづくり産業を接着(密着)や封止の用途で支えているエポキシ系接着剤は,自動車のマルチマテリアル化や過酷環境での高信頼度な(圧力)センサー等の需要の高まりにより,より一層の性能向上が期待されている.本研究では,古くから知られている大問題である「水分による接着力低下現象」を,電子・原子レベルからの大規模シミュレーションにより解明することに成功した.シミュレーションに際しては,自然酸化膜を持つ金属Al系に,エポキシ樹脂系を接触させ,その接触部には水分子を導入した.また,エポキシ樹脂のモデルとして,エポキシ基の存在を強調したモデルと,OH基の存在を強調したモデルの2種類を用意した.接触部における1500原子程度の領域を,DC-RGDFTコードによるDFTで電子状態から計算し,残りの領域は古典原子間ポテンシャルにより計算した.特に,OH基の存在を強調した分子モデルを用いた場合に,実験相当の接着強度を,水分による強度低下を含めて再現することに成功した.さらに,実験測定が難しい化学反応を数種類見出した.

キーワード:有機無機界面,エポキシ樹脂,Al,接着,ハイブリッドシミュレーション


大規模系の電子状態計算コードの開発
 数千原子規模の大規模な対象系にも適用できる,新しい電子状態計算法とその汎用コードを研究・開発している.Kohn-Shamの定式化に基づく密度汎関数法のコードは,電子軌道を多数の平面波を使って簡便に表現し計算することがしばしば行われる.しかしその結果,スパコンの多数のノードを使った計算の際には効率が良くない.そのため,原子のダイナミクスを調べるシミュレーションでは,原子数は百オーダーが実用上の限界である.これに対して我々は,実空間での格子点上の数値として軌道関数を表現する実空間グリッド密度汎関数コード(RGDFT)を開発した.実空間表現であることから境界条件や全電荷数を自由に設定できる.この方法では,全格子点を仮想的に分割して各ノードが担当する格子点数を少なくすることで,スパコンの多数のノードを用いる際に高い性能が得られる.最近さらに,数千原子規模の対象系を扱えるように,対象系自身も仮想的にドメインに分割し,各ドメインでの実空間グリッド密度汎関数計算の結果を統合する新しい定式化も提案しコード化(DC-RGDFT)した.この方法によると,対象系の全原子に働く力を原子数に比例する計算量で得ることができる.DC-RGDFTは,スパコン京の多数のノードを用いた性能テストで,良い結果を示している.

キーワード:量子力学,第一原理計算,スーパーコンピュータ


Liイオン二次電池の負極SEIの第一原理シミュレーション
 Liイオン電池は,様々な種類がある蓄電池の中でも電圧が高く,多数回の繰り返し利用が可能であり,コンパクトでもあるため,電子機器を中心に現在最も使われている.しかしLiイオン電池を,自動車等の動力として利用するには,さらに様々な面での性能アップが必要である.Liイオン電池の内部では,初回充電時,その負極と電解質との界面に,固体電解質皮膜(SEI)とよばれる薄い膜が生じる.LiイオンがSEIを通過する際のレートを上げることが,電池の出力性能を向上させる為に重要となっている.我々は,独自に開発した電子状態計算コードDC-RGDFTを用いて,Liイオン電池のグラファイル負極の近傍に生成されるSEI-電解液界面を透過するLiイオン群に関して,これまでの5倍を超える規模(約2400原子)での第一原理シミュレーションを行うことに世界で初めて成功した.その結果,電解質に添加する塩によるLiイオン透過率の増大効果等を発見した.

キーワード:量子力学,第一原理計算,Liイオン二次電池,固体電解質皮膜(SEI)

 


Liイオン二次電池の新規正極材料の探索

 Liイオン二次電池は,繰り返しエネルギー貯蔵できる蓄電池として, 携帯電話やモバイルPC等の携帯機器用電源として広く用いられています. 最近では,電気自動車やプラグインハイブリッド自動車,さらには定置型蓄電池などの大型電池に向けた さらなる高性能化(安全性向上,高容量化,高エネルギー密度化,高耐久性,低コスト化等)の研究が盛んになされています. 実際の電池では,正極材料でのリチウムの出し入れが電池の容量や電圧,耐久性を決定するため, 正極材料内部あるいは正極材料と電解質との界面での化学反応を原子レベルで理解することが求められています. 本テーマでは,最先端の計測技術を持つ実験グループと緊密な連携を取りながら, シミュレーション技術を駆使して充放電時の電池内部の化学反応を解明し,新規正極材料の開発を目指します.
・平成23-24年度,日産自動車と共同研究
・MRS-J若手奨励賞
・ISEOD2014 Best Poster Award
・2012 MRS Spring @ San Francisco, Blue Ribbon (Best Poster Nominee)
・2013 MRS Spring @ San Francisco, Blue Ribbon (Best Poster Nominee)

キーワード:量子力学,第一原理計算,固体物理,Liイオン二次電池


原子間ポテンシャル作成ツール開発

分子動力学(MD)シミュレーションは非常に強力なツールですが,そのシミュレーションが現実をよく再現しているかどうかは,原子間ポテンシャル(原子間の相互作用)の精度に強く依存します.原子間ポテンシャルはその関数形と含まれるパラメータにより決まります.本研究室では,第一原理計算を再現するようにパラメータを最適化するツールを開発しています(https://github.com/ryokbys/nap).これを用いることで,いかなる材料であっても第一原理計算の結果を再現する原子間ポテンシャルを構築してMDシミュレーションが可能となります.また,近年活発に開発されるようになってきている機械学習型(ニューラル・ネットワーク(NN))ポテンシャルも構築することができ,これを用いることで数meV/atom精度で第一原理計算結果を再現するMDシミュレーションが可能となります

キーワード:原子間ポテンシャル,ニューラル・ネットワーク・ポテンシャル

 


高エネルギーHe照射による金属中欠陥生成および表面ナノ構造形成機構の解明
 核融合炉で使われるダイバータとよばれる材料表面に,非常に硬く熱に強いタングステン金属を用いることが考えられていますが,核融合反応で生じる高エネルギーの粒子にさらされることで,多くの欠陥が生じることや,表面にナノ構造が形成されることが分かってきました.しかし,どのようにそれらの欠陥や表面ナノ構造が生じるのかといった詳しい機構が分かっていないため,それを抑制することができません.また,表面ナノ構造を制御し,意図して作れるようになれば,触媒や太陽光発電システムなどの産業応用が期待されます.
 そこで我々の研究室では,電子状態計算や分子動力学法を用いて,タングステン内部に侵入したヘリウム原子がどのように振舞い,欠陥を生成していくのかを研究しています.これまでに,ヘリウム原子が集ることで単体でいる場合よりも素早く動くこと,凝集することで自己増殖的に結晶構造を壊してタングステン内にバブル発生させることなどを明かにしました.(左図はタングステン中にヘリウム原子(赤玉)が凝集している様子.)

キーワード:第一原理計算,分子動力学,ナノ構造,結晶欠陥,固体物理


シミュレーション可視化ツールの開発
 本研究室では,電子密度や原子配置を可視化するアプリケーションを独自に開発しています. 上記のような画像や動画として計算結果を見ることができ,シミュレーション結果の理解を視覚的に助けてくれます. 完全に一からJava言語で書かれおり,ほとんど全てのOSで実行することができます.
 世の中にはこの手のソフトウェアはたくさんあり,非常に高機能でフリーなソフトウェアもありますが,我々の研究室でも独自に開発しています.そうすることで,ソフトウェアの中身を完全に分かっているので,コードを少し変更するだけで,自分が表示したいものを好きなように描画できるというメリットがあります.(AkiraMAV

キーワード:コンピュータ・グラフィクス,OpenGL,Java言語