Nucleation Process from Gas Phase by Molecular Dynamics Simulations ―Modification of Nucleation Rate and Its Application to the Noctilucent Clouds―
Nucleation Process from Gas Phase by Molecular Dynamics Simulations ―Modification of Nucleation Rate and Its Application to the Noctilucent Clouds―
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通过分子动力学模拟从气相成核过程“成核率的修正及其在夜光云中的应用”
DOI：
10.11203/jar.37.247
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发表时间：
2022
期刊：
影响因子：
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通讯作者：
田中 今日子
中科院分区：
文献类型：
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作者：
田中 今日子
水蒸気からの水滴形成や凍結などの相変化の初期は核生成過程から始まる. 核生成は母相から局所的に新しい相 (核と呼ぶ) が現れる過程であり, 気象分野におけるエアロゾルや雲の生成プロセスや材料科学など, さまざまな分野に関連する基本的なプロセスである. 核生成過程において凝縮相の分子の空間的・時間的な密度の揺らぎにより核の生成と消滅が可逆的に行われ, ある臨界サイズ以上になると安定相として成長する 1, 2). この凝縮核の生成頻度である核生成率は相変化の進行速度や新たな相の構造 (結晶構造やサイズなど) を決定する重要な量である. 古典的核生成理論は核形成過程の巨視的な記述を与え広く用いられているが, 核生成率の不定性が問題として残されている 2–5). たとえば, 古典的核生成理論による核の生成率の予測は, 水に対しては実験値より数桁程度高いのに対して, アルゴンは何桁 (温度によっては 10 桁以上) も低くなることが指摘されており, 理論値のずれは物質や温度圧力条件などにより異なる 3–5). 分子動力学 (MD) シミュレーションは多数の分子や原子の集合系において, ある条件のもとで個々の原子・分子に対して運動方程式を数値的に解いて直接軌跡を追跡し, 集合体の統計的振る舞いや構造・性質を研究する手法であり, 核生成過程の詳細を分子レベルで調べることができる 6–9). 運動方程式を解くには分子間相互作用が必要となるが, この相互作用による力が十分な精度で正しく数値解が得られれば, MD シミュレーションにより自然界で観察されるものが十分な精度で再現可能である. MD シミュレーションでは, 核生成率のみならず, 臨界クラスターやクラスター生成のためのギブスの自由エネルギーや分子の付着確率などの詳細な情報が得られ, 理論の検証が可能である. 核生成過程は多数の分子の中から局所的にごく少数の核が形成される現象であり, 低過飽和状態での低い核形成率 J [1/time/volume] を再現するためには大きな粒子数が必要である. 均質核生成の MD シミュレーションでは従来 1 万から 10 万体程度の分子が用いられており, 得られる核生成率は実験値と比較すると, かなり大きな値であった. 近年は計算機環境の進歩や並列計算用の汎用コードの登場により, マルチコア CPU を用いた大規模計算が容易になり, 実験値と同条件の低い核生成率を再現することもできるようになってきた. われわれのグループでは LAMMPS10) を用いて, 最大 80 億体分子を用いた希ガスや 400 万分子の水分子の