ケイ酸塩融体の粘性の微視的理論

SiO_2のフレームワーク構造を持つケイ酸塩融体では、圧力を増すと粘性が減少する。この融体の異常なふるまいと低温での結晶の圧力誘起アモルファス化とは、シリコン原子のまわりの酸素原子配位数変化が重要である点で、たがいに密接に関連していると考えられる。本研究の目的は、原子レベルのシミュレーションを用いて両者の関係を明らかにし、フレームワーク構造をもつ融体特有の動的性質の起源を解明することである。古典分子動力学法を用いた我々のこれまでの研究から、4配位のシリコン原子が一時的に6配位状態を経由して拡散が起きるとすれば、粘性の異常な圧力依存性が簡単に説明できることが示されている。本年度はさらに解析を進め、低温での4配位の多形と6配位の多形のエンタルピー差を高温での粘性の圧力依存性と直接結びつける式を導出し論文にまとめた。残された問題の中でもっとも重要なのは、4配位から6配位にうつるための活性化エネルギーが妥当なものであるかどうか、また実際に古典分子動力学法で見られた原子移動経路が、電子状態変化まで考えたときに可能なものであるかどうかという点であろう。そこで本年度は、SiO_2の圧力誘起構造変化の第一原理電子状態計算をめざし、圧力一定のカ-・パリネロ法プログラムの開発を行った。さらにこのプログラムの最初の応用例として、ダイヤモンド構造のシリコン(単体)が高圧でβ-tin構造に変化する過程をとりあげ、多次元ポテンシャル面の解折と動的シミュレーションを行った。

SiO_2のフレームワーク構造を持つケイ酸塩融体では、圧力を増すと粘性が減少する。この融体の異常なふるまいと低温での結晶の圧力誘起アモルファス化とは、シリコン原子のまわりの酸素原子配位数変化が重要である点で、たがいに密接に関連していると考えられる。本研究の目的は、原子レベルのシミュレーションを用いて両者の関係を明らかにし、フレームワーク構造をもつ融体特有の動的性質の起源を解明することである。古典分子動力学法を用いた我々のこれまでの研究から、4配位のシリコン原子が一時的に6配位状態を経由して拡散が起きるとすれば、粘性の異常な圧力依存性が簡単に説明できることが示されている。本年度はさらに解析を進め、低温での4配位の多形と6配位の多形のエンタルピー差を高温での粘性の圧力依存性と直接結びつける式を導出し論文にまとめた。残された問題の中でもっとも重要なのは、4配位から6配位にうつるための活性化エネルギーが妥当なものであるかどうか、また実際に古典分子動力学法で見られた原子移動経路が、電子状態変化まで考えたときに可能なものであるかどうかという点であろう。そこで本年度は、SiO_2の圧力誘起構造変化の第一原理電子状態計算をめざし、圧力一定のカ-・パリネロ法プログラムの開発を行った。さらにこのプログラムの最初の応用例として、ダイヤモンド構造のシリコン(単体)が高圧でβ-tin構造に変化する過程をとりあげ、多次元ポテンシャル面の解折と動的シミュレーションを行った。