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コンピュータで相転移物質の理論予測が可能に -理論計算で長期的にエネルギーを保存できる蓄熱材料も設計可能に-

2018/01/11

東京大学大学院理学系研究科の大越慎一教授と筑波大学数理物質系の所裕子准教授らの共同研究グループは、固体物質において相転移現象が発現するか否かを、コンピュータ計算により予測可能であることを明らかにしました。相転移物質は、光記録材料などのスイッチング素子として産業界において重要な役割を担っています。今回提案する手法は、対象とする物質の電子状態および格子振動(フォノン)の第一原理計算により、熱力学的エネルギーなどを計算し、これを基に相転移が起こるか否かを判別します。また、その相転移温度も予測が可能であることを発見しました。さらに、統計熱力学計算を組み合わせることにより、相転移に伴う温度ヒステリシスの発現も予測可能であることも解明しました。

図 相転移を予測するための方法論を示すフローチャート(上)と温度ヒステリシスを予測するための方法論を示すフローチャート(下)。(上図)相転移前後の2つの相をα相とβ相として、α相とβ相の間の電荷移動相転移を予測する。(下図)α相とβ相の中間相を仮想に(–A–B–A+–B–)と設定し、この相がもつ余剰生成エンタルピーから内部圧力を求め、これを統計熱力学理論式に組み込むことで、温度ヒステリシスを予測する。

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