分子動力学法によるダスト粒子間相互作用の解明と大規模並列計算で探るダスト成長過程

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惑星材料であるダストの成長は数値計算によって調べられている。ダストは多数のモノマー(微粒子)が合体して形成されたものである。数値計算ではモノマー運動を計算しており、その際にモノマーに働く力として、2球の接触相互作用を与えるJKR理論が用いられているが、JKR理論では分子の効果を考慮していない。本研究では分子動力学シミュレーションを用いて、ミクロ物理を考慮したJKR理論の見直しを行った。我々は2球のモノマー正面衝突シミュレーションを行い、2球間に働く力や付着確率、跳ね返り後の速度などのサイズ、衝突速度、温度依存性を調べた。その結果、JKR理論では予想できない運動エネルギー散逸が見られ、特に衝突速度依存性では高速度衝突における塑性変形によるエネルギー散逸が確認できた。温度依存性では、高温ほど付着確率が増加することが分かった。本研究は、これらの結果に対してエネルギーの観点で注目することにより、マクロ的描像ではモノマー運動エネルギーが散逸する現象は、ミクロ的描像ではモノマー中の分子が持つ熱エネルギーとポテンシャルエネルギーへの変化であることを示した。特に高速度衝突による塑性変形や高温時の結果は、モノマー変形によるポテンシャルエネルギー変化が主な原因であることが分かった。本研究で明らかにしたJKR理論とシミュレーションの差に対し、シミュレーションを再現するための2球間に生じる摩擦のような散逸力を追加することにより、JKR理論の見直しを試みた。本研究ではKrijt et al. (2013)を参考に、2球の相対速度と接触面の半径に依存するモデルを考え、モデルの妥当性を検証した。その結果、相対速度の3乗と接触半径の3/2乗に比例する散逸力モデルがシミュレーションを再現し、より現実的な接触相互作用になることが分かった。現在、これらの結果について論文を執筆中である。