Effect of interlayer cations on montmorillonite swelling; Comparison between molecular dynamic simulations and experiments

四辻 健治*; 舘 幸男; 佐久間 博*; 河村 雄行*

Applied Clay Science, 204, p.106034_1 - 106034_13, 2021/04

https://doi.org/10.1016/j.clay.2021.106034

This study investigated swelling behaviors of montmorillonite with interlayer cations including monovalent Na, K and Cs, and divalent Ca and Sr by molecular dynamics simulations and experimental measurements coupling X-ray diffraction and water vapor adsorption. The comparative analysis provides a consistent picture of the swelling mechanisms of montmorillonite and their dependence on the interlayer cations. From comparative analysis of the effects of the interlayer cations, the main factor affecting the swelling behaviors of montmorillonite with monovalent and divalent interlayer cations seems to be the hydration free energy of the interlayer cations. The crystalline swelling ability and the saturated water contents in the interlayer of montmorillonite can be correlated to the hydration free energy of each interlayer cations. The additional key factor is the preference of outer- or inner-sphere complex of interlayer cations and resulting cations distributions in the interlayer space. This effect has a significant impact in the case of monovalent cations, resulting different swelling behaviors between outer-sphere Na and inner-sphere K and Cs.

分子動力学法によるモンモリロナイト層間中の水とイオンの物性評価; 拡散モデルへの反映

四辻 健治*; 舘 幸男; 河村 雄行*; 有馬 立身*; 佐久間 博*

粘土科学, 58(1), p.8 - 25, 2019/00

https://doi.org/10.11362/jcssjnendokagaku.58.1_8

分子動力学シミュレーションによってモンモリロナイト層間間隙中の水分子やイオンの物性を調査した。膨潤挙動や安定な水和状態に対する層間陽イオンや層電荷による影響が最初に評価された。層間間隙中の水分子や陽イオンの拡散係数はバルク水と比較して小さく、層間間隙が広がるにつれてバルク水に近づくことが確認された。推定された層間間隙水の電粘性効果による粘性係数の変化は、1層あるいは2層水和状態において、また層電荷が高い条件において顕著であった。これらのMD計算によって得られた傾向は、既存の実測データや先行するMD計算事例とも整合することが確認できた。さらに、現状の拡散モデルに用いている電粘性効果を表現するモデルとパラメータは、MD計算結果と実測データの比較を通じて改善できることが示された。これらのMD計算によって得られる分子レベルでの現象理解は、圧縮モンモリロナイト中の拡散モデルの開発と改良に有益な情報を与えるものである。

A Severe artifact in simulation of liquid water using a long cut-off length; Appearance of a strange layer structure

米谷 佳晃

Chemical Physics Letters, 406(1-3), p.49 - 53, 2005/04

https://doi.org/10.1016/j.cplett.2005.02.073

18の長いカットオフ距離を用いて水の分子動力学シミュレーションを行ったところ、水の挙動に著しいアーティファクトが現れた。この結果から、カットオフ距離の増加によりシミュレーション結果が改善されるとは限らないことが判明した。さらに、これまでに長いカットオフ距離を用いて行われてきた水を含む生体分子系のシミュレーションにも予想外に大きいアーティファクトが存在していた可能性が示唆されている。

Molecular dynamics simulation of atomic beam bombardment in solid surface

江里 幸一郎*; 功刀 資彰

Microscale Thermophys. Eng., 1(2), p.137 - 142, 1997/00

https://doi.org/10.1080/108939597200331

異なる粒子(モノマー(3keV)、クラスター(32原子,100eV/atom))照射時の標的材料原子層の動的挙動を分子動力学法を用いて解析した。モノマー照射では標的原子層内に入射粒子が進入し、内部に高温域が形成された。2体相関関数の変化より入射粒子近傍の原子層は溶融し液体に近い構造になっているものと考えられる。また、クラスター照射では標的内原子表面にクレーターが形成され、その際、生じた高温高圧領域が原子層内部に伝播していく様子が観察された。その伝播速度は材料の内部の音速に近いことを示した。

Ab initio molecular dynamics for simple liquid metals based on the hypernetted-chain approximation

神林 奨; 千原 順三

Molecular Simulation, 16, p.31 - 46, 1996/00

https://doi.org/10.1080/08927029608024059

従来のカーパリネロの理論による分子動力学法とは異なった、新しい第1原理的分子動力学法(QHNC-MD法)を考案した。QHNC-MD法では、液体金属中の電子及びイオンに関する動径分布関数と有効イオン間ポテンシャルに対する量子的HNC方程式を、古典的分子動力学シミュレーションを用いて解く方法である。この方法では、分子動力学シミュレーションによって得られるイオン間分布関数と有効イオン間ポテンシャルを自己無撞着に決定することが可能である。また、QHNC-MD法による有効イオン間ポテンシャルの収束計算は高速であり、しかも、数千から数万個の規模のシミュレーションが可能である。この点はカーパリネロ手法と大きく異なる部分である。液体アルカリ金属に関するQHNC-MDシミュレーションから得られた静的構造因子は、X線・中性子線実験の結果と極めて良く一致し、従来のQHNC方程式の近似解に見られる欠点を取り除くことが可能となった。

過冷却液体の構造・熱物性・動的性質

神林 奨

JAERI-M 92-181, 126 Pages, 1992/12

JAERI-M-92-181.pdf:3.46MB

逆べきポテンシャルによって粒子間相互作用が表されるソフト球モデルに対して、液体理論の積分方程式と等温分子動力学シミュレーションを適用し、平衡状態にある過冷却液体の構造・熱物性・動的性質を求め、得られた結果がポテンシァルパラメータのとり方に対してどのような依存性を示すか考察した。積分方程式を用いた解析では、熱力学的自己無撞着近似の1つであるRY近似と新たに提案したMHNCS近似を用いて、過冷却液体の構造と熱物性を求めた。RY近似の結果にKacポテンシァルと呼ばれる引力の効果を取り込むことにより得られた温度・エントロピー曲線から、極度の過冷却領域では、液体が安定に存在しないことがわかった。また、MHNCS近似の結果は、コンピュータシミュレーションの結果ときわめて良く一致し、過冷却液体の構造的特徴が基本ダイアグラムによって導かれることを示した。2成分溶液の相分離に対する安定性や、1成分液体の動的性質をソフト球モデルによって計算した結果、柔らかい芯のポテンシァルが液体アルカリ金属の性質に対応し、堅い芯のポテンシャルが液化不活性気体の性質に対応することが明らかになった。

Theoretical investigations of the dynamic properties of liquid caesium near the melting point

神林 奨; G.Kahl*

Europhysics Letters, 18(5), p.421 - 426, 1992/03

https://doi.org/10.1209/0295-5075/18/5/008

ミクロカノニカルアンサンブルの分子動力学シミュレーションを用いて、融点近傍の液体セシウムの動的性質を考察した。シミュレーションの熱力学的条件は、308K、1.8321g/cmであり最新の中性子実験のものと等しい。原子間ポテンシァルは、擬ポテンシャル理論を使って作成した。シミュレーション結果から得られた動的性質は、平均2乗変位、密度相関関数および動的構造因子である。中性子実験から得られた動的構造因子との比較では、短波長領域(=0.1)を除いて、よい一致を得た。密度相関関数、動的構造因子から求めた音速は、正の分散関係を持つ。静的構造因子の第1ピークの波長より長い波長領域では、音波の伝播は、観測されなかった。動的性質や、熱力学的性質・静的性質は、実験値と非常に良い精度で一致した。

固体内原子衝突の計算に関する調査

布施 元正*; 岩田 忠夫

JAERI-M 85-118, 37 Pages, 1985/08

JAERI-M-85-118.pdf:1.0MB

核融合炉材料の照射損傷は固体内原子衝突によって生じるが、この現象に関する理論的研究は大型計算機の発達とともに近年急速な進展をみせている。本報では、固体内原子衝突過程の計算機シミュミレーション手法のうち、分子動力学法と呼ばれている計算手法による多体原子衝突の計算に関する文献を中心に調査し、その結果をまとめた。調査項目は、(1)原子間ポテンシャルとその適用性、(2)分子動力学法、(3)フレンケル対生成過程などのシミュレーション結果である。計算機シミュレーションによる多体原子衝突過程の解析の結果、集束置換衝突現象、結晶中でのはじき出し閾エネルギーの異方性等が解明されている。