ナノチューブの機能破壊を誘引する非線形局在振動

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均一なカーボンナノチューブ(CNT)に引張りひずみを負荷すると、局所に五員環と七員環から成るStone-Wales(SW)欠陥が導入される。この構造変化は、CNTの電気的機能喪失をもたらすものであるが、その欠陥発生箇所の予測は不可能とされてきた。一方、非線形局在振動(ILM : Intrinsic Localized Mode)は、局所で振幅の大きい振動が継続する非線形離散システムに特有の現象であり、近年、我々は原子構造体中でILMが存在し得ることを初めて示した。ILMは、構造不均一(例えば、き裂)がない場合にも局所的な運動エネルギーの集中を引き起こす力学現象であり、局所からの欠陥生成等の構造的不安定を誘発すると考えられる。本研究では、分子動力学法によるCNTのひずみ負荷シミュレーションを行い、非線形局在振動(ILM)の特性を解明するとともに、SW欠陥の生成メカニズムとの関連性を明らかにする。本年度は、前年度の成果に基づいて選定したILM励起可能性の高い複数の条件を対象に引張り分子動力学計算を実施した。低ひずみ域ではILMの励起に対しCNT構造は変化しないが、ある一定の負荷以上ではILM励起箇所からSW欠陥が生成・拡大することを示した。さらに詳細な振動特性解析を実施したところ、(1)局所でILMが励起し、非線形原子間相互作用により振動数ならびに振幅が増大する、(2)増幅されたILMにより振動方向の炭素原子間の共有結合が切断される、(3)切断された炭素原子はILMにより多大な運動量を有し、これが周囲の結合の組換えを促すことでSW欠陥が生成される、ことを明らかにした。本成果は学術誌Physical Review Bに掲載されるなど国際的に高い評価を受けており、我々が示したILMによる構造不安定の誘発は、ナノレベルの新しい破壊機構の一つとして今後さらなる研究・発展が期待される。