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水素のミクロ・マクロ熱流動特性に対する量子効果発現メカニズムの解明

阐明量子效应对氢微观宏观热力学性质的影响机制

基本信息

批准号：
13J08613
负责人：
永島浩樹
金额：
$ 1.47万
依托单位：
Tohoku University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2013
资助国家：
日本
起止时间：
2013-04-01 至 2015-03-31
项目状态：
已结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-13J08613/
关键词：
水素量子効果分子動力学輸送物性熱物性

项目摘要

昨年度は、セントロイド分子動力学(CMD)法を用いて、水素分子の量子効果がその輸送物性に与える影響とその分子論的メカニズムを明らかにした。交付申請書に記載した通りに、Green-Kuboの方法より液体水素の拡散係数を計算し、古典MD法の結果と比較することで、水素分子の量子効果がその拡散性に与える影響とその温度依存性について議論を行った。さらに、非平衡分子動力学法を用いて熱伝導率の評価も行った。CMD法と古典MD法より得られた拡散係数を対応状態原理に基づいて比較した結果、CMD法の結果と古典MD法の結果はほとんど同じ温度依存性を示すことが明らかとなった。この要因を調べるために、水素分子間ポテンシャルを作成し比較したところ、斥力範囲が広くなり、さらにポテンシャル井戸の深さが浅くなることが分かった。つまり両MD法が同じ温度依存性を示したのは、量子効果による二つの分子間相互作用の変化がお互いの影響を打ち消しあうため、結果的に両MD法が同じ温度依存性を示すことが明らかとなった。さらに非平衡分子動力学法による熱伝導率の解析では、量子効果を考慮することで熱伝導率が低下すことが分かった。これは、量子効果によりポテンシャルエネルギ自体が小さくなり、さらに分子間相互作用が弱くなるため、分子運動によって輸送されるポテンシャルエネルギが低下し、分子間相互作用により輸送されるエネルギが低下することが原因であることが明らかとなった。これらの研究成果は、従来のMD法では水素の熱流動現象を正確に予測できないことを明確にしたものであり、工学的に重要な燃料である水素を安全かつ効率良く使用するためには、大変有意義な研究成果である。また、本研究では、液体における量子効果の分子論的メカニズムについても明らかにしており、これは学術的に大変大きな意義を持っている。

Last year, the molecular dynamics (CMD) method was used to study the transport properties of water molecules and the effects of molecular theory. In the submission application, the Green-Kubo method was used to calculate the dispersion coefficient of liquid water, and the results of the classical MD method were compared. The dispersion properties and effects of the quantum properties of water molecules were discussed. The application of non-equilibrium molecular dynamics to thermal conductivity evaluation The CMD method is based on the dispersion coefficient, and the CMD method is based on the temperature dependence. The main reason for this is that the water molecules are different from each other. The MD method shows the same temperature dependence and quantum effect. The interaction between two molecules affects the interaction. The MD method shows the same temperature dependence and quantum effect. Analysis of thermal conductivity by non-equilibrium molecular dynamics method and quantum effect are considered. The quantum effect of molecular interaction is weak, molecular motion is weak, molecular interaction is weak. These research results are significant and meaningful because the recent MD method can accurately predict the thermal flow phenomenon of water. Water is an important fuel in engineering and can be used safely and efficiently. This study is about the molecular theory of quantum effects in liquids. It is about the academic significance of quantum effects.

项目成果

期刊论文数量（16）

专著数量（0）

科研奖励数量（0）

会议论文数量（0）

专利数量（0）

A Molecular Dynamic Study of Nuclear Quantum Effect on the Diffusion of Hydrogen in Condensed Phase

核量子效应对凝聚相氢扩散的分子动力学研究

DOI：
发表时间：
2014
期刊：
影响因子：
0
作者：
Hiroki Nagashima;Shin-ichi Tsuda;Nobuyuki Tsuboi;A. Koichi Hayashi;Takashi Tokumasu
通讯作者：
Takashi Tokumasu

液体水素の輸送物性における量子効果発現メカニズムの分子動力学的解析

液氢输运特性量子效应表达机制的分子动力学分析

DOI：
发表时间：
2014
期刊：
影响因子：
0
作者：
Hiroki Nagashima;Shin-ichi Tsuda;Nobuyuki Tsuboi;A. Koichi Hayashi;Takashi Tokumasu;永島浩樹　津田伸一　坪井伸幸　林光一　徳増崇
通讯作者：
永島浩樹　津田伸一　坪井伸幸　林光一　徳増崇

量子効果が低温水素の熱・輸送物性メカニズムに与える影響の分子動力学的解析

量子效应对低温氢热学和输运性质影响机制的分子动力学分析