単成分系のガラス転移ダイナミクスおよびポリアモルフィズム

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物質のガラス形成能を予測することは、応用的な観点からも非常に重要である。しかし、現実の物質には複数の相互作用が存在し、また構造も複雑であるため、どの要因が、物質のガラス形成能にどのような影響を与えたのか判別しにくい。そこで、非常に単純なモデルを考え、特に引力の変化と結晶形成能(言い換えるとガラス形成能)との関係のみに着目した。相互作用ポテンシャルの引力部分のみが異なる3つのモデルについて分子動力学シミュレーションを実行し、古典核生成理論を用いて結晶形成能の違いを調べた。液体-結晶界面の揺らぎを利用して界面自由エネルギーを計算し、引力項の影響が大きいほど界面自由エネルギーが大きくなる、すなわち結晶核生成が難しくなることを明らかにした。一方で、液体と結晶のギブス自由エネルギー差からは、引力項の影響が大きいほど結晶核形成が容易になるという反対の結果が得られた。つまり、結晶核生成を制御する2つの因子が競合していることが分かった。これらの計算結果を用いて、古典核生成理論から核生成時間を見積もり、シミュレーションで決定した結晶化時間(核生成時間ではなく成長過程も含まれる)と比較した。核生成時間を見積もる際に、界面自由エネルギーの温度依存性を3通りに仮定したところ、温度に対して直線的に減少する関係式が、シミュレーションの結晶化時間を最も良く表現できることが分かった。このことは、エントロピーが支配的であることを意味する。また、単純なシステムの結晶化時間は、古典核生成理論から十分に予測できることを明らかにした。簡単なモデル系を用いたこれらの結果は一般的であり、幅広い分野に影響を与えるものである。