共同研究報告書


研究区分 一般研究

研究課題

 宇宙ダスト生成過程解明に向けた数値的及び実験的手法による核生成理論の検証
新規・継続の別 継続（平成24年度から）
研究代表者／所属 北大低温研
研究代表者／職名 博士研究員
研究代表者／氏名 田中今日子

研究分担者／氏名／所属／職名
　
氏　　名
所　　属
職　　名

1

 河野明男 海洋研究開発機構 研究員

2

 木村勇気 東北大学 助教

3

 武田隆顕 国立天文台 特任助教

4

 Juerg Diemand 　チューリッヒ大学　 准教授

5

 Raymond Angelil 　チューリッヒ大学　 研究員

6

 田中秀和 北大低温研

7

 佐崎元　 北大低温研

8

 長嶋剣 北大低温研

研究目的 核生成過程は宇宙に大量に存在する氷や岩石から成る宇宙ダストの生成にとって重要なプロセスであり、多くの分野で重要な役割を果たすが分子レベルでの理解は限られている。古典的核形成理論は広く用いられているが、核生成率は実験や分子計算からの得られるものと何桁も一致しないことが示されている。この理論の問題点として臨界核の表面エネルギーの評価に巨視的な表面張力を用いる等、分子レベルの効果を無視している点が挙げられている。研究代表者らは、気相からの核生成過程の分子動力学（MD)計算や核生成や結晶成長実験との連携を行うことにより、精度の高い核生成理論モデルの構築および核生成過程の解明を目指す。
MD計算により得られた核生成率とアルゴン室内実験との比較（Diemand et al.2013)　　
研究内容・成果 今年度の成果として、主に以下の3点が挙げられる。

1. 数10億分子を用いた希ガスの大規模分子動力学計算（田中今日子、田中秀和、Juerg Diemand， Raymond Angelil）

分子動力学（MD）計算の従来の研究では数十万分子以下の計算が行われてきたが、小規模であるため実験値と比べ核生成率が4桁以上高い高過飽和状態しか扱えなかった。本研究では低過飽和の核生成を調べるため、 LAMMPS（Large scale Atomic/Molecular Massively Parallel Simulator） を用いたレナードジョーンズ分子の大規模並列計算機によるMDシミュレーションを行った。これにより 10 億分子までの計算が可能となり、核生成率で 従来より4桁程度小さい現象を調べられ実験と理論のギャップを大幅に狭くすることができるようになった。計算はチューリッヒ大学のJ.DiemandとR. Angelilとの共同研究によりPRACE(Partnarship for Acvanced Computing in Europe)等の大規模並列計算機（ドイツのHERMITなど）を用いて行った。これにより核生成率で従来より4 桁小さい現象を調べることが可能になり、室内実験条件と同様の低過飽和状態においてのアルゴンガスの核生成を定量的に再現することに成功した(Diemand et al. 2013).また凝縮核の性質について詳細に調べ、凝縮核の密度がサイズに依存しバルクのものより低く表面積が大きくなることから実効的な表面エネルギーが大きくなることを明らかにした(Angelilet al. 2014).

2. 水分子の核生成過程の分子動力学計算（田中今日子、河野明男、田中秀和、　武田隆顕）

水分子を用いた核生成過程のMD計算を行った。粒子数は4000水分子と小規模のため、同じ初期温度圧力条件において20計算を行い統計を取った。従来の研究より低い過飽和状態のガスから凝縮核が作られる様子を再現し、核生成率を決定するクラスターの表面エネルギーやモノマーの付着確率の過飽和依存性等について明らかにした (Tanaka et al. 2014)。そしてMD計算の結果が古典的核生成率を第2ビリアル係数を用いて補正した半現象的核生成(SP)モデルと良く一致することをを示した。また付着確率はレナードジョーンズ分子の場合と同様に、過飽和比に強く依存することが明らかになった。本研究の成果は視覚的に分かりやすく理解するために映像を作成し、ホームページなどで映像を広く公開した。

3.　微小重力実験による核生成実験と理論モデルとの比較検証（木村勇気、田中今日子）

微小重力環境下では、熱対流の影響を小さくできることから、理想的な核生成実験を行うことが可能である。2012年12月に観測ロケットを用いた鉄およびタングステン酸化物の核生成実験を行い、凝縮時の温度と過飽和度を明らかにすることに成功した。また高精度の核生成理論との比較を行うことにより付着確率などの物理定数の決定を試みた。
MD計算により得られた核生成率とアルゴン室内実験との比較（Diemand et al.2013)　　
成果となる論文・学会発表等 K. K. Tanaka， A. Kawano and H. Tanaka，　 Molecular dynamics simulations of the nucleation of water: determining the sticking probability and formation energy of a cluster， J. Chem. Phys. 140， 114302 (2014)

R. Angelil， J. Diemand， K. K. Tanaka， and H. Tanaka，　 Properties of Liquid Clusters in Large-scale MD Nucleation Simulations， J. Chem. Phys. 140， 074303 (2014)

J. Diemand， R. Angelil， K. K. Tanaka， and H. Tanaka， Large Scale Molecular Dynamics Simulations of Homogeneous Nucleation，　Journal of Chem. Phys. 139， 0743098 (2013)

K. K. Tanaka， T. Yamamoto， H. Tanaka， H. Miura， M. Nagasawa， and T. Nakamoto， Astrophysical Journal， 764， 120 (2013)