温度勾配を持つナノ構造材料における界面拡散駆動変形過程の原子論的解明

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固体材料においても流体と同じように温度勾配を駆動力とした拡散が起こることは知られているものの，従来のマクロスケール材料においてその影響は無視できるほど小さいものであるとされてきた．しかしながら，材料の寸法スケールをナノスケールまで小さくしたとき，表面や結晶粒界といった界面における原子の拡散が従来の材料と比べて変形に大きく寄与することが明らかになっている．本研究課題では原子モデリング手法を用いて温度勾配を持つナノ構造材料の界面での原子拡散挙動と，それに伴う変形メカニズムの詳細の原子論的解明を目指す．令和4年度は、温度勾配下に置かれたナノワイヤの内部及び外部での定常的な原子拡散の加速モデル構築を目的として、グランドカノニカルモンテカルロ法による原子分布解析モデルの構築に取り組んだ。はじめに、グランドカノニカルモンテカルロ法による原子分布発展モデルを適用するために必要となる表面原子及び材料内部の原子空孔の化学ポテンシャルの獲得を行った。様々な温度下における空孔形成エネルギーおよび表面への原子吸着エネルギーを分子動力学法により求めることで、材料内部と表面との化学ポテンシャルの差を計算し、これらの値の荷重依存性を評価した。これにより、圧縮応力下で原子の流出が促進されることを定量的に示した。その後、獲得した化学ポテンシャルパラメータを入力としたグランドカノニカルモンテカルロ法による計算を実施することにより、表面原子拡散および、高温側・低温側それぞれでの材料表面と内部での原子の流入・流出過程に対する有効性を検討した。