相互作用の時間ゆらぎに基づいたイオン伝導機構の深化

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高いイオン伝導度を示す無機固体電解質の開発が活発に行われ，結晶構造に基づく静電的相互作用や空隙サイズのような静的な原子配列に基づいたイオン伝導機構が論じられている。このような静的な構造に加えて時間的に変化する互作用(時間ゆらぎ)が伝導特性と関係すると考え、核磁気共鳴実験により時間ゆらぎする相互作用の観察と分子シミュレーションによる実験データを解釈を行った。核磁気共鳴実験では、核間距離を反映する核双極子相互作用に着目し、これを観察するためのパルスシーケンスの整備と解析コードの整備を行った。分子シミュレーションによる解析では、対象材料の大規模分子シミュレーションが行えるよう第一原理計算を再現する古典分子動力学計算用の力場を開発した。力場パラメータは、大域的最適解を得るために差分進化法を用いて最適化した。ポテンシャル関数には、原子間の結合距離、結合角、および二面角等を変数にもつClass II（COMPASS）ポテンシャルと、Stillinger-Weberポテンシャルの3体項を組み合わせて用いた。これに加え、ユニット間の電荷比を保ったまま原子の部分電荷の最適化を行うことで、実験的に観測されたユニット比に基づいて溶融急冷によりガラス構造を作製することが可能となった。3体ポテンシャルは相互作用の精度向上を目的として用いた。次に、最適化した力場パラメータの検証として約8000原子の分子動力学計算を行い、実験またはAIMDで得られた格子定数、動径分布関数、構造因子および導電率等について比較した。検証データには力場パラメータの開発で用いた6つの化合物に加え、新たに硫化物ガラスを用いた。検証結果、結晶・ガラス構造およびイオン伝導度を開発した力場を用いた分子動力学でよく再現できることを確認した。