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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

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:8.44(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 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:80.65(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

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:38.54(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

ITBLを用いた並列分子動力学シミュレーション

清水 大志; 門吉 朋子; 蕪木 英雄; 山岸 信寛*; 長谷川 幸弘*; 樋口 健二

計算工学講演会論文集, 8(2), p.801 - 804, 2003/05

長時間計算が必要となるシミュレーションを分割する際の一連のリスタート処理について、ネットワーク上に分散した計算機群から利用可能な計算機を自動的に割り当てて実行する分散並列MDシミュレーション環境を構築した。約40万原子のシミュレーションでは、並列分子動力学ステンシルによるシミュレーションプログラムの可搬性とITBLの並列分散プログラム実行環境を組み合わせることにより、効率の良いシミュレーション計算の実行に非常に有効であることが確認された。

論文

並列分子動力学ステンシルの紹介, 3; 基本プログラミング編

清水 大志; 蕪木 英雄

アンサンブル, (22), p.23 - 29, 2003/04

並列計算法開発グループでは、並列計算における基盤ソフトとして並列分子動力学シミュレーションツール「並列分子動力学ステンシル」(Parallel Molecular Dynamics Stencil)を開発した。「ステンシル」は材料物性研究等で広く使用される分子動力学法における並列プログラミングを効率的に進めるため、シミュレーションの対象となる系を記述するプログラムと並列化のためのプログラムを切り分けた後、再構成を行なったものである。本稿では「ステンシル」を用いたプログラミングの方法について具体例を挙げて説明する。

論文

Short-range structure of vitreous P$$_{2}$$O$$_{5}$$ by MD simulation

鈴木 喜博*; 高瀬 桂一*; 秋山 功*; 鈴谷 賢太郎; 梅咲 則正*; 大鳥 範和*

Materials Transactions, 42(11), p.2242 - 2246, 2001/11

 被引用回数:6 パーセンタイル:52.32(Materials Science, Multidisciplinary)

P$$_{2}$$O$$_{5}$$ガラスの短範囲構造を、2体クーロン・ポテンシャルを用いた分子動力学シミュレーション法によって再現することに成功した。P$$_{2}$$O$$_{5}$$ガラスの最隣接原子相関P-Oは、P原子周りのO原子の配位数が4配位のPO$$_{4}$$四面体を形成しており、そのうち3配位のO原子は他のPO$$_{4}$$四面体と頂点共有で架橋(bridging)している架橋酸素(Bridging Oxygen)O$$_{B}$$であり、残りの1配位のO原子は非架橋の酸素(terminal Oxygen)O$$_{T}$$であることが構造化学的に予測され、パルス中性子回折実験の結果からもその短範囲構造は支持されている。われわれは、簡単な2体クーロン・ポテンシャルを用いた分子動力学シミュレーションを行い、パルス中性子回折実験による構造因子のhigh-Q側をよく再現する構造モデルを得た。このモデルの短範囲構造は、距離の長いP-O$$_{B}$$が3つと距離の短いP-O$$_{T}$$が1つからなる非対称なPO$$_{4}$$四面体構造を形成しており、その距離及び配位数は実験結果とよく一致した。このことは、P$$_{2}$$O$$_{5}$$ガラスの短範囲構造は、単に原子(イオン)の持つ電荷とサイズのみから決まっていることを意味している

口頭

ウラニルイオンの自由水およびモンモリロナイト中における拡散挙動; 分子動力学計算

有馬 立身*; 稲垣 八穂広*; 出光 一哉*; 河村 雄行*; 四辻 健治; 舘 幸男

no journal, , 

ウラニルイオン-水-炭酸イオン-モンモリロナイトを計算対象とし、自由水およびモンモリロナイト層間水中における拡散挙動を分子動力学法を用いて評価した。モンモリロナイトについては層電荷および層間水の厚さの関数としてウラニルイオンの拡散係数を評価した。

口頭

Distinct dissociation kinetics among ion pairs; Solvent-coordinate free-energy landscape analysis

米谷 佳晃

no journal, , 

Different ion pairs exhibit different dissociation kinetics. Though such kinetic event is essential for understanding various molecular events, the underlying mechanism remains unclear. In this study, to examine the mechanism of how different kinetics appears, we carried out molecular dynamics simulations for LiCl, NaCl, KCl and CsCl in water. The results showed that the dissociation rate constant is significantly different. The difference in the rate constant arises from the different solvent-state distribution of each ion pair. Analysis of the free-energy landscape with a solvent reaction coordinate and the related rate component analysis clearly showed this tendency. The key is the occurrence of a specific water configuration, where the water takes a bridge configuration by bonding with both ions at the same time. Such water-bridge formation lowers the related dissociation free-energy barrier, thereby making the ion-pair dissociation more likely. Consequently, different probability of water-bridge formation leads to the different ion-pair dissociation kinetics.

口頭

BCC鉄中に形成したファセットボイドと転位との相互作用

藪内 聖皓*; 木村 晃彦*; 鈴土 知明

no journal, , 

高エネルギー粒子線照射によって材料中には様々な欠陥が形成され、機械特性に大きな変化をもたらす。空孔の集合体であるボイドも照射欠陥の一つであり、転位の運動の障害となり硬化を引き起こす。発表者はこれまでに、イオン照射によってファセットボイドを形成させた純鉄を用いてファセットボイドの強度因子について実験的に考察してきた。得られた強度因子にはある程度の幅があることから、転位とファセットボイドの位置関係によって異なる強度因子を与えていると想定される。本研究では、転位とファセットボイドの位置関係や相互作用するファセット面の違いがどの程度強度因子に影響を及ぼすかについて分子動力学法(MD)を用いて検討することを目的としている。

口頭

MD計算によるBCC金属中のボイドとらせん転位の動的相互作用解析

鬼塚 貴志*; 大久保 学*; 福元 謙一*; 鈴土 知明

no journal, , 

原子力プラントではBCC金属が構造材として多く採用されている。これらの炉内構造物の中性子照射脆化の要因のひとつとして、照射欠陥集合体が転位運動に対して障害物として寄与することが挙げられる。そこで分子動力学法(MD法)等の計算科学手法を用いた転位とボイドの動的な相互作用に関する研究が多数行われているが、らせん転位とボイドの相互作用に関しては未解明な部分が多く残されている。本研究では、分子動力学法によりFe中のらせん転位とボイドの動的相互作用メカニズムの解析を行なった。

口頭

Origin of distinct ion-pair dissociation kinetics revealed by the solvent-coordinate free-energy landscape analysis

米谷 佳晃

no journal, , 

Different ion pairs exhibit different dissociation kinetics. Though such kinetic event is essential for understanding various molecular events, the underlying mechanism remains unclear. In this study, to examine the mechanism of how different kinetics appears, we carried out molecular dynamics simulations for LiCl, NaCl, KCl and CsCl in water. The results showed that the dissociation rate constant is significantly different. The difference in the rate constant mainly arises from the different solvent-state distribution of each ion pair. Analysis of the free-energy landscape with a solvent reaction coordinate and the related rate component analysis clearly showed this tendency. The key is the occurrence of a specific water configuration, where the water takes a bridge configuration by bonding with both ions at the same time. Such water-bridge formation lowers the related dissociation free-energy barrier, thereby making the ion-pair dissociation more likely. Consequently, higher probability of water-bridge formation leads to a higher ion-pair dissociation rate.

口頭

分子動力学シミュレーションを用いた純Fe中のらせん転位とボイドの相互作用の研究,2

鬼塚 貴志*; 大久保 学*; 鈴土 知明; 福元 謙一*

no journal, , 

原子炉の炉内構造物や圧力容器の中性子照射脆化の要因のひとつとして、ボイドなどの照射欠陥集合体が転位の運動を阻害して延性を低下させる可能性が指摘されている。しかしながら、ボイドがらせん転位に対してどの程度強い障害物になるのかということに関して、まだ十分に明らかになっていない。本研究では、鉄鋼材料の代替として純Feを研究対象に選択し、その中でのボイド形成が機械的性質に及ぼす影響を明らかにするため、分子動力学法を用いてボイド-らせん転位の相互作用の原子レベルのシミュレーションを行った。本報では特に、最大せん断応力の評価を行なったのでその結果について報告する。

口頭

Atomistic study on the generation and gliding properties of pyramidal dislocations in magnesium

蕪木 英雄; 板倉 充洋; 山口 正剛

no journal, , 

The generation of non-basal pyramidal dislocations near the c-axis direction is the key to enhancing plasticity in these highly anisotropic hcp magnesium materials. However, the fundamental understanding of the generation and gliding properties of pyramidal dislocations is still not clear because of the large Burgers vector. Using the molecular dynamics method, we have successfully generated $$<$$c+a$$>$$ type I and II screw dislocations from the crack set in the perfect magnesium crystal by applying the shear stress. Visualization of these dislocations is important because the core structures are complex and largely extended. Comparing the results by first-principles calculations, we have found that the core of the type I screw dislocation is smoothly extended while that of the type II screw dislocation has a corrugated structure. We also found that both dislocations can easily cross-slip to other slip planes.

口頭

分子動力学シミュレーションによる粒界リン偏析過程の考察

海老原 健一; 鈴土 知明; 山口 正剛

no journal, , 

原子炉圧力容器鋼において延性脆性遷移の原因となる粒界脆化を引き起こすリンの粒界偏析過程を原子レベルにおいて考察するため、鉄中でのリンの移動を担う混合格子間原子対、侵入型リン原子、空孔-リン複合体の粒界への移動を分子動力学によってシミュレーションした。その結果、いずれも粒界に達することができず、その手前でリンが置換型原子となることが分かった。この結果は、粒界リン偏析に関するこれまでの理解と異なるものであり、その修正の必要性を示唆している。

口頭

Simulation of phosphorous migration to grain-boundary by molecular dynamics

海老原 健一; 鈴土 知明; 山口 正剛

no journal, , 

原子炉圧力容器鋼において延性脆性遷移の原因となる粒界脆化を引き起こすリンの粒界偏析過程を原子レベルにおいて考察するため、鉄中でのリンの移動を担う混合格子間原子対、侵入型リン原子、空孔-リン複合体の粒界への移動を分子動力学によってシミュレーションしたところ、いずれも粒界に達することができず、その手前でリンが置換型となった。これは粒界の熱ゆらぎとエネルギー安定性の観点から説明できることが分かった。この結果は、従来の粒界リン偏析の考え方を修正するものと考えられる。

口頭

Simulation of irradiation-induced grain boundary phosphorus segregation by first-principles-based rate theory model including trapping and detrapping processes

海老原 健一; 鈴土 知明; 山口 正剛

no journal, , 

原子炉圧力容器材の健全性確保のため、照射下での粒界におけるリンの偏析の定量的評価が必要である。八面体格子間サイトを移動するリン原子を考慮し、また第一原理計算に基づくkMCシミュレーションで評価された拡散係数を使用し、照射誘起粒界リン偏析を評価するコードが開発されている。しかし、粒界におけるリン原子のトラップ・デトラップ過程が考慮されていないため、粒界リン被覆率を評価できない。本研究では、トラップ・デトラップ過程をMDシミュレーションの結果に基づいてモデルに組み込み、粒界リン被覆率の温度依存性を調べた。結果として、照射誘起粒界リン偏析が再現され、これまでのモデルでは計算できなかった高温領域における熱偏析を示す結果も得られた。

口頭

Computational study of phosphorus migration to grain boundary in $$alpha$$-iron

海老原 健一; 鈴土 知明

no journal, , 

原子炉圧力容器鋼の高経年化における脆化機構を理解するため粒界リン偏析はひとつの要因である。照射による粒界リン偏析を評価するためのレート理論モデルが開発されているが、粒界におけるリンの偏析機構が明確でないためそのモデルができていない。本研究では、リン原子の粒界への偏析機構を明確にするため、分子動力学によってリン原子の粒界への移動をシミュレーションし、またその結果を第一原理計算で検証した。その結果、粒界近傍で、リン原子とともに移動する空孔や自己格子間原子は粒界に吸収され、リン原子は置換型となることが分かった。さらに、リン原子と自己格子間原子の混合ダンベルの場合において、この現象は第一原理計算で確認された。なお、本発表は、[Modelling and Simulation in Materials Science and Engineering 26(2018) 065005]の内容を詳細にまとめたものである。

口頭

Rate theory model of phosphorus grain boundary segregation considering atomistic processes

海老原 健一; 鈴土 知明; 山口 正剛

no journal, , 

リンは原子炉圧力容器鋼において粒界脆化を引き起こし延性脆性転移温度の上昇に影響することが考えられる。このことから、照射誘起粒界リン偏析を解析するレート理論モデルを原子レベルの素過程を基に開発している。これまで、分子動力学シミュレーションによる考察に基づき、リンの粒界へのトラップ過程は組み込まれたが、デトラップ過程については従来のモデルを用いていた。そこで、本研究では、分子動力学よってリンの粒界内での移動をシミュレーションし、その挙動を考察した。さらに、その考察に基づき、デトラップ過程をレート理論モデルに組み入れ、照射誘起粒界リン偏析の温度依存性を計算した。その結果、リン原子は、粒界内を鉄原子の隙間を移動することが分かった。レート理論モデルの計算では600$$^{circ}$$C以上になると粒界リン偏析量が大きく増加すること、そして、この増加はリンの粒界偏析エネルギーに依存することが示された。

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