１億原子系トライボ化学反応シミュレータの開発と超低摩耗実現のための理論基盤の構築

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省エネルギー対策に対する強い要請から、自動車を始めとする機械産業において、超低摩擦・超低摩耗技術の実現が急務の課題となっている。そこで本研究では、化学反応を解明可能な反応分子動力学法を発展させ、１億原子系でトライボ化学反応を解明可能なシミュレータを開発し、「化学反応」と「機械的摩擦」が複雑に絡みあった摩耗現象の解明を可能とすることで、超低摩耗を実現するためのトライボ化学反応の制御基盤と学理を構築することを目的とした。本年度は、昨年度に開発した数百万原子系でトライボ化学反応を解明可能な並列化反応分子動力学シミュレータの高速化を実現し、１億原子系でトライボ化学反応を解明可能なトライボ化学反応シミュレータを開発した。さらに当初の予定にはなかったが、近年、第一原理分子動力学法に匹敵する高精度計算を実現しながら、第一原理分子動力学法では不可能な数万原子系の化学反応ダイナミクスを扱えるとして注目されているニューラルネットワークポテンシャル(NNP)に基づく分子動力学シミュレータをも開発した。また開発したNNPに基づく分子動力学シミュレータを活用し、シリコンナイトライドの水潤滑プロセスについて検討を行い、水とシリコンナイトライドがトライボ化学反応を起こすことで、アンモニア分子とコロイダルシリカを生成する摩耗現象を明らかにした。この結果は、研究分担者の実験結果と合致している。実験研究としては、当初の予定通り、水潤滑における超低摩擦現象と超低摩耗現象の研究を実施した。DLCのプラズマ支援化学気相蒸着とSiCのスパッタリングによる物理気相蒸着の同時成膜により形成したSiC-DLC膜が、ステンレス鋼SUS304を相手材として、水潤滑において摩擦係数0.05以下の低摩擦を実現することを明らかにした。その時、SUS304表面にはSiとCによる親水性に富む潤滑膜が自己形成されることも明らかにした。