研究室紹介

研究内容について

微小化により付加価値を増大させる近未来の工学

　有限要素法（FEM）に代表されるCAE（Computer Aided Engineering）は，以前は高性能計算機が必須であったが，現在では多くの製造業でPC上のパッケージソフトとして利用されている．これは，現在のPCの性能が20年前のスーパーコンピュータのそれを凌駕するという，計算機の指数関数的性能向上に負うところが大きい．機械産業は，20世紀に重厚長大の極値に達したが，現在では小型化・微小化することで高付加価値を達成する方向にシフトしており，特にMEMS（日本語ではマイクロマシン）技術の進展が著しい．機械における微小化は半導体技術を範としている．その代表であるコンピュータ用のCPUは現行7 nm（1,000,000 nm = 1 mm）プロセスで製造されており，Siチップ上の配線幅は原子70個程度である．すなわち，微視的には物質は原子の集合体として扱う必要がある．

自然現象の根本は原子の運動状態の変化

　このような現状を踏まえ，当研究室では将来のCAEの一翼を担うべく，原子・分子レベルでのシミュレーションである分子動力学法の機械材料および流体への適用に関する研究を行っている．分子動力学法により，作動中の機械を構成する固体・液体・気体の微視的な状態やそれらの高速な変化が統合的に解析できる．最近の機械では高性能化を意図して内部要素の微小化が進んでいるので．実験だけでは解明できない問題が増えている．当研究室での研究はその様な問題に対する解答を与えるものである．

分子動力学法とは

　FEM等では物体・流体を連続体として扱うが，それらを離散化した原子・分子の集合体として扱うのが分子動力学法である．個々の原子（分子内の原子も含む）間に作用する力は原子間ポテンシャル関数の位置微分として計算され，各原子の運動方程式は質点系の多体問題として時間で数値積分される．巨視的な物理量の一例を挙げると，物体の温度はそれを構成する原子の平均運動エネルギーから計算される．

研究の焦点

　当研究室では，種々のモデルや初期条件についての計算を，約30台のPCワークステーションで独立して実施している．大規模な場合では，数十万原子からなる系に対し数百万回の数値積分を行っている．分子動力学法の基本原理自体は物理学の分野で数十年の歴史があるが，工学上の種々の問題に適用する場合の適切なモデル化や，数値積分から得られる各原子の座標と速度の時系列データから工学的に有益な情報を得る解析手法については未解決な点が多く，研究の焦点となっている．

研究例

研究例１

　分子動力学法により，ハードディスク（HDD）の磁気ヘッドとプラッタ（ディスク）を想定したモデル（モデル化のために周期境界条件を適用してある）の計算結果を可視化した一例を下に示す．橙色球で示す平行平板が磁気ヘッドとプラッタに対応し，互いに逆方向に直線運動をしている．両者の間隔は最新のHDDに対応する10 nmである．一部の気体分子の軌跡を緑色線で，その最終位置を紫色球で示してある．固体表面と複雑な衝突をする気体分子，固体表面に物理吸着して熱振動する気体分子，気体分子同士の衝突等が生じている様子がわかる．また，このような分子流と固体との間の摩擦力も解析評価している．

研究例２

　近年，宇宙空間上のスペースデブリ（人工的な破片）の衝突による人工衛星の損傷が問題となっている．実験室内では物体を十分に加速できないので模擬実験は難しい．分子動力学法により，上から下へと速度10 km/sで運動する飛翔体と単結晶鉄との正面衝突を計算した．下に衝突直後の両者の断面を示す．黒色球が鉄原子，灰色が飛翔体である．衝突により運動エネルギーが熱に変換されるため，飛翔体は瞬時に気化する．鉄表面には衝突による凹みが形成される．鉄内部は多結晶化するとともに，衝突箇所下部にはV字型の結晶粒界が形成され，その頂点ではボイドが発生する．これを起点として，下から上へと結晶粒界に沿ってボイドが成長する様子が観察される．