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論文

Development of the ReaxFF methodology for electrolyte-water systems

Fedkin, M. V.*; Shin, Y. K.*; Dasgupta, N.*; Yeon, J.*; Zhang, W.*; van Duin, D.*; Van Duin, A. C. T.*; 森 健人*; 藤原 敦志*; 町田 昌彦; et al.

Journal of Physical Chemistry A, 123(10), p.2125 - 2141, 2019/03

 パーセンタイル:100(Chemistry, Physical)

Li$$^{+}$$, Na$$^{+}$$, K$$^{+}$$, Cs$$^{+}$$, F$$^{-}$$, Cl$$^{-}$$, I$$^{-}$$などの水-電解質系を記述する新しいReaxFF反応力場を開発した。反力場パラメータは、水結合エネルギー, 水和エネルギーおよびプロトン移動のエネルギーに関連した量子力学的計算に対してトレーニングされている。水中での様々な電解質のイオン化について、分子動力学シミュレーションの結果と実験結果及び熱力学との比較によって力場の検証を行った。その結果、大部分の原子対(水分子の酸素および水素を含むカチオンまたはアニオン)について、得られた動径分布関数はDFT計算の結果と良く一致することがわかった。また、この力場を用いて、アルカリ金属水酸化物と塩化物塩溶液における水分子および電解質イオンの拡散定数が組成および電解質濃度の関数として得られた。

論文

Radiocesium interaction with clay minerals; Theory and simulation advances Post-Fukushima

奥村 雅彦; Kerisit, S.*; Bourg, I. C.*; Lammers, L. N.*; 池田 隆司*; Sassi, M.*; Rosso, K. M.*; 町田 昌彦

Journal of Environmental Radioactivity, 189, p.135 - 145, 2018/09

 被引用回数:3 パーセンタイル:35.18(Environmental Sciences)

東京電力福島第一原子力発電所事故により、環境中に放出された放射性セシウムは土壌中の粘土鉱物に強く吸着されていることがわかっているが、その吸着メカニズムは今も解明されていない。本論文は、これまで蓄積された粘土鉱物による放射性セシウム吸着現象に関する実験結果と、最新のシミュレーション研究の進展をまとめたものである。論文では、実験結果についてまとめられ、それらの結果を基にした最新のシミュレーション研究によって明らかにされた、次のような研究結果について説明されている:(1)粘土鉱物表面におけるセシウム吸着のエネルギースケール、(2)実験では観測が難しい粘土鉱物エッジの原子レベル構造についての理解の進展、(3)粘土鉱物の水和した層間におけるセシウム吸着現象の詳細、(4)ほつれたエッジにおけるイオン半径と層間距離の関係と吸着の選択性、(5)層間におけるセシウムの深部への移動、(6)放射性セシウムの核崩壊の影響。さらに、これらの知見に基づいた除染による廃棄土壌の減容技術開発の可能性についても述べられている。

論文

Atomistic simulation of phosphorus segregation to $$Sigma$$3(111) symmetrical tilt grain boundary in $$alpha$$-iron

海老原 健一; 鈴土 知明

Modelling and Simulation in Materials Science and Engineering, 26(6), p.065005_1 - 065005_10, 2018/09

 パーセンタイル:100(Materials Science, Multidisciplinary)

照射誘起粒界リン偏析の見積もりは原子炉圧力容器鋼の脆化を評価する上で重要な要素であるが、粒界へのリン移動の物理的過程は依然として不明である。このことから、分子動力学を用いて$$Sigma$$3(111)対称傾角粒界へのリン移動を分子動力学シミュレーションによって評価した。結果として、粒界近傍$$sim$$1nmの範囲で、自己格子間原子が粒界に押し出されることで、鉄-リン混合ダンベルのリン原子と八面体格子間リン原子が置換型原子になることを見出した。空孔-リン複合体も解離し、空孔はリン原子を引きずることなく粒界に吸収された。この結果は、従来考えられている偏析プロセスとは異なることから、それについて新しい視点が必要であると示唆している。

論文

Nuclear quantum effects of light and heavy water studied by all-electron first principles path integral simulations

町田 昌彦; 加藤 孝一郎*; 志賀 基之

Journal of Chemical Physics, 148(10), p.102324_1 - 102324_11, 2018/03

 被引用回数:5 パーセンタイル:8.9(Chemistry, Physical)

水,重水,トリチウム水の液体状態における構造を第一原理経路積分分子動力学法を用いて研究した。用いた計算手法は、電子と原子核のすべてを量子力学的に取り扱うものであり、現時点で最も正確な計算手法の一つである。シミュレーションした結果は、実験とおおよそ一致しており、核量子効果により、同位体間の構造上の違いが明らかにされた。特に特筆すべき結果は、水分子内のOH共有結合中のHが隣接水分子との水素結合上の中点まで移動できる一方、重水素,トリチウムの順に中点まで行ける確率が減少するという傾向を得たことである。しかしながら、実験との完全な一致は未だ得られておらず、密度汎関数法の改良が必須であることが示唆された。また、最近の研究成果である密度汎関数に対するvan der Waals補正は液体状態における同位体効果を研究する上で必須であることが分かった。

論文

Improving atomic displacement and replacement calculations with physically realistic damage models

Nordlund, K.*; Zinkle, S. J.*; Sand, A. E.*; Granberg, F.*; Averback, R. S.*; Stoller, R.*; 鈴土 知明; Malerba, L.*; Banhart, F.*; Weber, W. J.*; et al.

Nature Communications (Internet), 9, p.1084_1 - 1084_8, 2018/03

 被引用回数:21 パーセンタイル:1.16(Multidisciplinary Sciences)

原子衝突プロセスは、電子顕微鏡、半導体加工、原子力発電等、数多くの先進的な材料技術の基本である。ここ数十年にわたる広範な実験および計算シミュレーション研究によって、弾き出し損傷時に起きる原子スケールのプロセスを理解するための物理的基礎が確立された。損傷を定量化するための現在の国際標準はNorgett-Robinson-Torrens(NRT)-dpaと呼ばれているが、現在それにはいくつかの欠点が知られている。特に、金属のカスケード損傷で生成される欠陥の数は、NRT-dpa予測の約1/3であるのに対し、原子の混合に関与する原子数はdpa値よりも約30倍大きい。本研究では、弾き出し損傷をより現実的に記述し、NRT-dpaを拡張する2つの新しい指標を提案する。

論文

Molecular dynamics simulations of cesium adsorption on illite nanoparticles

Lammers, L.*; Bourg, I. C.*; 奥村 雅彦; Kolluri, K.*; Sposito, G.*; 町田 昌彦

Journal of Colloid and Interface Science, 490, p.608 - 620, 2017/03

 被引用回数:23 パーセンタイル:7.82(Chemistry, Physical)

分子動力学法を用いる粘土鉱物シミュレーションは、これまで、無限系がほとんどであったが、本研究では、初めて粘土鉱物の微粒子の模型を作成し、セシウム吸着のシミュレーションを行った。その結果、微粒子のエッジ表面において、基盤表面では見られない強い吸着が起こることがわかった。特に、セシウムイオンとナトリウムイオンの強豪吸着では、エッジサイトはセシウムを選択的に吸着することがわかった。また、本研究で開発したエッジサイトの力場の構成法についても解説した。

論文

Molecular simulation of cesium adsorption at the basal surface of phyllosilicate minerals

Kerisit, S.*; 奥村 雅彦; Rosso, K. M.*; 町田 昌彦

Clays and Clay Minerals, 64(4), p.389 - 400, 2016/08

 被引用回数:10 パーセンタイル:24.41(Chemistry, Physical)

層状珪酸塩鉱物の基盤表面におけるセシウムの吸着特性について、分子動力学法を用いて系統的に評価した。層電荷と八面体構造の組み合わせにより計6種類の層状珪酸塩鉱物について評価を行い、層電荷の大きさが大きいほど吸着が強く、また、八面体構造の違いに起因する基盤表面のシリコン及びアルミニウムの微細な配置の違いが吸着の強さに影響を与えることがわかった。

論文

Comparative molecular dynamics study on tri-$$n$$-butyl phosphate in organic and aqueous environments and its relevance to nuclear extraction processes

Mu, J.*; 元川 竜平; Williams, C. D.*; 阿久津 和宏*; 西辻 祥太郎*; Masters, A. J.*

Journal of Physical Chemistry B, 120(23), p.5183 - 5193, 2016/06

 被引用回数:12 パーセンタイル:34.67(Chemistry, Physical)

A refined model for tri-$$n$$-butyl phosphate (TBP), which uses a new set of partial charges generated from our ab initio density functional theory calculations, has been proposed in this study. Molecular dynamics simulations are conducted to determine the thermodynamic properties, transport properties, and the microscopic structures of liquid TBP, TBP/water mixtures, and TBP/$$n$$-alkane mixtures. These results are compared with those obtained from four other TBP models, previously described in the literature. We conclude that our refined TBP model appears to be the only TBP model from this set that, with reasonable accuracy, can simultaneously predict the properties of TBP in bulk TBP, in organic diluents, and in aqueous solution. This new TBP model is thus appropriate for the simulation of liquid-liquid extraction systems in the nuclear extraction process, where one needs to simultaneously model TBP in both aqueous and organic phases. It is also promising for the investigation of the microscopic structure of the organic phase in these processes and for the characterization of third-phase formation, where TBP again interacts simultaneously with both polar and nonpolar molecules. Because the proposed TBP model uses OPLS-2005 Lennard-Jones parameters, it may be used with confidence to model mixtures of TBP with other species whose parameters are given by the OPLS-2005 force field.

論文

Molecular dynamics simulation of telomeric single-stranded DNA and POT1

冠城 雅晃; 山田 寛尚*; 宮川 毅*; 森河 良太*; 高須 昌子*; 加藤 宝光*; 上坂 充*

Polymer Journal, 48(2), p.189 - 195, 2016/02

 被引用回数:2 パーセンタイル:79.95(Polymer Science)

本研究は、テロメア一本鎖DNAとPOT1について分子動力学シミュレーションを100ns行った。テロメアDNAとPOT1の結合状態を確認するため、POT1の$$C_alpha$$原子とテロメアDNAのO5'原子の距離を計算した。そして、単独状態と結合状態において、テロメア一本鎖DNAの両端塩基間距離、根平均二乗距離(RMSD)、慣性半径を計算した。さらに、単独状態と結合状態の根平均二乗揺らぎ(RMSF)を比較し、POT1とテロメアDNAの間の水素結合の平均数も計算した。グリニシン94(Gln94)と一本鎖テロメアDNAでPOT1と最近接なTTAGGGの一番目(G')のグアニンの間に水素結合が最頻度で現れる。そして、Gln94とG'が単独状態と結合状態でのRMSF値の差が最大になる。本研究では、Gln94とG'は、結合系において重要な部分で、結合状態の安定性に関係していると結論づけている。

論文

Comparative molecular simulation studies of oxidation reactions and hydrogen release for zirconium metals and silicon carbide under severe accident conditions

町田 昌彦; 中村 博樹; Srinivasan, S. G.*; Van Duin, A. C. T.*

Proceedings of 23rd International Conference on Nuclear Engineering (ICONE-23) (DVD-ROM), 4 Pages, 2015/05

ジルコニウムは燃料被覆管として広く用いられ、その機械的及び熱的性質は様々な実験によって調べられてきた。特に、過酷事故時の高温高圧時におけるジルコニウムの酸化反応は重要な課題であり、酸化により生じる水素発生の問題は、福島原発事故に見られるように水素爆発を誘発するため、極めて重要な材料学上の課題として認識されている。したがって、最近では耐酸化材量として水素発生量が少ないシリコンカーバイド等の代替材料が研究されている。そこで、本研究では、原子・分子レベルのシミュレーションによって、これらの材料の高温高圧下での酸化反応を追跡し、界面にてどのような反応ダイナミクスが起こるかを化学反応分子動力学法を用いて調べた。その結果として、両者が同じ高温高圧条件下でどのような反応を示すか、その特徴が分かり、その反応進展過程と水素発生量とを比較解析することができた。本発表では、それらのシミュレーション比較結果を示し、酸化被膜が原子・分子レベルでどのように変化し、水素がどのような過程の下発生するかを明らかにする。

論文

水素脆化モデル構築のための原子及び連続体手法による粒界面上微小き裂近傍の応力分布の考察

海老原 健一; 蕪木 英雄; 板倉 充洋

「鋼の機械的特性に及ぼす水素の効果とその評価」シンポジウム予稿集(USB Flash Drive), 6 Pages, 2014/09

水素脆化は鉄鋼材料の強度低下や破壊をもたらす要因の1つであり、その機構の解明が求められている。高強度鋼の遅れ破壊や溶接部の低温割れは、偏析水素による粒界強度低下が主な原因と考えており、その機構は応力腐食割れと同様と考えられる。粒界強度低下に基づく水素脆化モデルでは、水素による粒界強度低下を原子レベルスケールの計算で評価し、その情報を用い巨視的スケールの強度やき裂進展の評価がなされているが、両スケール間におけるスケールのモデル化についてはあまり明確でない。特に、微視き裂先端での応力集中について、き裂周囲を弾性体とするモデルがあるが、その妥当性も明確でない。本研究では、微視き裂を含みその周囲に転位がない系の引張によるき裂周囲の応力を分子動力学(MD)と連続体計算(FEM)の計算手法で評価し、その差異について考察した。その結果、1%以下の低いひずみでは、両手法による応力分布は同様の結果となったが、それ以上になるとき裂先端の応力集中部から両者の差が大きくなった。また、応力集中のモデル化については、き裂周辺を単なる弾性体とするだけではMDの結果を再現できなかった。

論文

Properties of hadron and quark matter studied with molecular dynamics

秋村 友香; 丸山 敏毅; 吉永 尚孝*; 千葉 敏

Acta Physica Hungarica A, 27(2-3), p.355 - 358, 2006/10

クォーク多体系の分子動力学シミュレーションによって低温低密度でのバリオン物質から高温高密度でのクォーク物質への相転移を記述する。また広い温度,密度領域での物質の状態方程式を調べる。さらに物質の粘性,熱伝導率などを調べ、クォーク物質,バリオン物質の物性やダイナミクスに関する知見を得る。

論文

First-principles molecular dynamics simulation of SiC devices; "Generation of amorphous SiO$$_{2}$$/SiC interface"

宮下 敦巳; 吉川 正人; 叶野 琢磨; 大沼 敏治*; 酒井 高行*; 岩沢 美佐子*; 曽根田 直樹*

Annual Report of the Earth Simulator Center April 2004 - March 2005, p.287 - 291, 2005/12

Siに比べ優れた物理特性を持つSiCを用いた半導体デバイスは、従来のSiやGaAs半導体デバイスでは動作が困難な、原子炉や宇宙環境等、極限環境下で用いられる素子として期待されている。半導体素子界面では原子レベルの欠陥の荷電状態が電気特性を支配しているため、この界面構造を計算機上で模擬し、界面欠陥構造がどのようにデバイス特性に影響するのか導出するため、地球シミュレータを用いた第一原理分子動力学計算で$$rm SiO_{2}/SiC$$界面構造を構築し電子構造を決定する。400原子程度の中規模モデルを用いてアモルファス$$rm SiO_{2}/SiC$$界面構造生成を行った。加熱温度は4000K、加熱時間は3ps、急冷速度は-1000K/ps、界面でのSiC可動層は4層とし、2200Kで$$rm SiO_{2}$$側終端固定層を開放し自由端とすることによって、$$rm SiO_{2}$$層でのアモルファス化を促進させた。生成された界面はダングリングボンドが消滅しており、清浄界面に近い状態が再現されたが、バンドギャップ中には欠陥準位が存在するのが観察された。欠陥準位は界面に存在する酸素から生じており、結合に寄与できない局在した電子分布が準位の原因となっていることがわかった。

論文

Calculation of heat capacities of light and heavy water by path-integral molecular dynamics

志賀 基之; 篠田 渉*

Journal of Chemical Physics, 123(13), p.134502_1 - 134502_8, 2005/10

 被引用回数:36 パーセンタイル:20.23(Chemistry, Physical)

比熱には、特に低い温度で量子力学的効果が非常に強く効くからである。例えば、今までの通常の古典的分子動力学法では水の比熱を過大評価してしまうことが知られている。本研究では、量子効果を考慮した経路積分分子動力学法を用いて、比熱が計算できることを示す。水の三態の比熱とその同位体効果について、計算が広い温度領域で実験を再現することに初めて成功した。

論文

Molecular dynamics simulation for the baryon-quark phase transition at finite baryon density

秋村 友香; 丸山 敏毅; 吉永 尚孝*; 千葉 敏

European Physical Journal A, 25(3), p.405 - 411, 2005/09

 被引用回数:3 パーセンタイル:66.81(Physics, Nuclear)

クォーク多体系の分子動力学を用いて、低密度のバリオン物質から高密度のクォーク物質への相転移の機構を調べ、相互作用と運動エネルギーの競合により物質の状態が変化することを明らかにした。また、中間子交換力をクォーク間に導入することで、バリオン物質の状態方程式をよく知られているものに合わせることができた。これにより、相転移が起こる高密度でストレンジ物質と通常原子核物質のどちらが安定であるかを議論することができるようになった。さらに、有限温度でのシミュレーションを行い、温度-密度平面でのバリオン物質,クォーク物質の相図を求めた。

論文

Geometrical H/D isotope effect on hydrogen bonds in charged water clusters

立川 仁典*; 志賀 基之

Journal of the American Chemical Society, 127(34), p.11908 - 11909, 2005/08

 被引用回数:72 パーセンタイル:14.93(Chemistry, Multidisciplinary)

水素の同位体効果は水素結合の強さを微妙に変えることがある。水クラスターの正イオンと負イオンの配置の同位体効果を第一原理経路積分分子動力学法により詳細に解析したところ、重水素置換により正イオンでは酸素間結合が縮むのに対し、負イオンでは酸素間結合が伸びることを見いだした。前者はOH結合の非調和性のためであり、後者はO-H-O結合の共鳴のためであると考えられる。

論文

Ab initio path integral molecular dynamics simulation study on the dihydrogen bond of NH$$_{4}$$$$^{+}$$ $$cdot$$$$cdot$$$$cdot$$ BeH$$_{2}$$

林 愛子*; 志賀 基之; 立川 仁典*

Chemical Physics Letters, 410(1-3), p.54 - 58, 2005/07

 被引用回数:9 パーセンタイル:65.38(Chemistry, Physical)

水素結合は通常、水素と電気陰性度の高いフッ素,酸素,窒素などの原子の間に働くことが多いが、幾つかの例外がある。二水素結合はその一つで、正と負にそれぞれ帯電した水素原子に働く引力である。この研究では、二水素結合を持つ簡単な分子クラスター系BeH$$_2-$$NH$$_4$$$$^+$$を例にとり、二水素結合の特徴に関して第一原理経路積分分子動力学シミュレーションにより詳細に解析した。

論文

Protein boson peak originated from hydration-related multiple minima energy landscape

城地 保昌*; 北尾 彰朗*; 郷 信広

Journal of the American Chemical Society, 127(24), p.8705 - 8709, 2005/06

 被引用回数:23 パーセンタイル:38.3(Chemistry, Multidisciplinary)

ボゾンピークとは200K以下の生体高分子を含む多くのガラス状物質による非弾性中性子散乱やラマン散乱スペクトルの低振数領域に見られる幅の広いピークを指す。本論文では蛋白質のボゾンピークの起源に関する新しい描像を与える。分子動力学シミュレーションによれば、蛋白質分子のまわりの構造水分子は蛋白質のエネルギー地形の多極小性を一層際立たせ、これがボゾンピークの起源となっている。ピークは蛋白質分子が、水分子に由来するエネルギー極小構造に低温で束縛されることによって生じる。

論文

水の比熱; 経路積分分子動力学法によるアプローチ

志賀 基之

アンサンブル, 7(2), p.21 - 25, 2005/04

一般に、比熱を定量的に計算することは分子シミュレーションに難しいが重要な問題である。その理由は、特に低い温度領域では原子運動の量子力学的効果が大きいからである。このような量子系に対して有効なのは、経路積分シミュレーション法である。しかしながら、比熱はエネルギーの分散値であるゆえに多大な計算量を必要とするため、近年の並列型コンピュータと効率の良いアルゴリズムをもってして初めて可能になってきた。本講演では、経路積分分子動力学法を用いた比熱計算法を紹介するとともに、水の三態の比熱について応用計算について紹介する。

論文

Hydration of Y$$^{3+}$$ ion; A Car-Parrinello molecular dynamics study

池田 隆司; 平田 勝; 木村 貴海

Journal of Chemical Physics, 122(2), p.024510_1 - 024510_5, 2005/01

 被引用回数:24 パーセンタイル:32.07(Chemistry, Physical)

0.8$$M$$ YCl$$_{3}$$水溶液中のY$$^{3+}$$イオンの水和構造と水和イオンのダイナミクスを、過剰プロトンが存在する場合としない場合の2条件について、第一原理分子動力学法により調べた。どちらの条件でもY$$^{3+}$$の第一水和殻には水8分子が含まれ、それらがsquare antiprismを形成する結果となった。この構造はX線吸収端構造の実験から推測されている構造と一致している。局在軌道を用いた電子状態の詳細な解析から、水分子がY$$^{3+}$$イオンに配位することにより、特に酸素原子の電荷分布に大きな変化が生じており、バルク水を基準とした$$^{17}$$O NMRは約-20ppmの化学シフトを示すことがわかった。

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