Discovery Sagaサイレントキーワード俯瞰

気液界面 / 不均質大気化学 / 取り込み係数 / 適応係数 / 分子動力学 / 拡散 / 液滴法 / 凝結係数 / エアロゾル / 流体解析 / HO2ラジカル

本研究は、近年の大気化学において重要性が強く認識されているエアロゾル表面の構造および気相分子の取り込みを分子レベルで理解することを目的として行われた。気相分子の取り込み係数は大気モデリングで重要になる量であるが、その正確な測定は容易でなく、理論計算による解析が有効である。代表的な実験手法である連続液適法を流体シミュレーションを用いて解析することによって、従来の実験結果に対する改良を行った。その結果分子シミュレーションとの不一致を解決することができた。本年度はこの研究の最終年度として、連続液適法の実験研究者との議論を深めるとともに、水表面での気相分子の取り込みについての理論計算の成果を総説論文(Chem.Rev.)として発表した。
また界面の構造解析手法としての和周波発生分光法の理論計算を大規模並列計算を用いて実行し、水表面について実験と定量的に比較しうる精度の計算が可能であることを実証した。さらに一般的な系への応用を目指して、charge response kernelと呼ばれる新しい分極訂能な分子モデルを開発し、密度汎関数理論に基づく定式化およびプログラミングを行った。

吸着 / 吸収 / 気液界面 / 電解質水溶液 / ノーマルアルコール / 界面活性剤 / 分子動力学

電解質水溶液表面に界面活性剤が吸着していると、水蒸気吸収の際に界面攪乱が発生し、水蒸気吸収量が飛躍的に増加する現象がある。マクロスケールでは一般に表面張力駆動流(マランゴニ効果)と説明されるが、どのような物質が効果的に界面攪乱を引き起こすか、あるいは攪乱に繋がる「揺らぎ」がどのようなメカニズムで発生するか等を明らかにするためには、分子スケールでの吸着の描像を明らかにすることが重要である。本研究においては、水に吸着するノーマルアルコールについて、炭化水素鎖の長さ、アルコール濃度、イオン濃度をパラメータとして分子動力学シミュレーションを行った。分子の詳細なモデルよりも分子集団としての性質に重要な特徴があると考え、分子モデルの決定よりも大規模分子集団の計算に重点を置いた。分子シミュレーションは、直接に分子スケールの実験結果と比較検討する役割だけでなく、マクロな系とどのような繋がりがあるかを明らかにする役割もある。様々な条件における平衡系での計算結果を熱力学的視点から考察することにより、どのような条件においてノーマルアルコールが水面上に不均一な分布を作り、攪乱へと成長していく可能性があるかを明らかにした。また、イオンの存在が吸着の構造的・動的性質に与える影響について明らかにした。大型計算機の発達により計算機上で不均一・非等方系の計算を行うこと、あるいは非平衡の計算を行うことは可能になりつつあるが、そこから定量的に意味のある結論を導き出すことは未だ困難である。大型計算機に適した計算コードの開発とともに計算結果の解析手法の開発も同時に行う必要があり、本研究においてはその一例を示すことができた。

分子動力学 / 電解質水溶液 / 気液界面 / 溶解度 / 蒸気圧低下 / 結晶化過程 / 吸収過程 / EXAFS / 吸収冷凍 / 臭化リチウム水溶液 / 分子構造 / 結晶

本研究では分子動力学により吸収溶液として広く用いられている電解質水溶液の分子構造および結晶化の分子シミュレーションを行い,水溶液のミクロな構造を明らかにするとともに,分子レベルでの溶液の構造が吸収溶液として重要である溶解度,蒸気圧低下等とどのように結びつくかについて考えることを目的とする.希ガスのような単純液体の場合は定量的にも様々なことが明らかにされており,分子シミュレーションは計算機実験として様々な系に応用されているが,電解質水溶液のような複雑液体の場合,分子シミュレーションは主に理論の役割を果たし,様々なレベルでの実験との比較検討が重要である.このような立場から研究を進めた.具体的な実施項目および得られた成果は以下のとおりである.1,分子スケールの溶液構造についての実験との比較検討.複数の塩が含まれている電解質水溶液について簡単な2体ポテンシャルを用いた計算とEXAFS測定を行い,特定のイオン周りの構造がよく一致することを示した.2,溶解度,飽和蒸気圧等のマクロスケールで測定される物性値についての評価.気体と液体が共存するような系で溶解度以上の溶液のシミュレーションを行うことを提案した.これにより系の圧力が飽和濃度での飽和蒸気圧と等しく保たれるため,圧力制御が不要になり計算が簡便になる.代りに非等方性の影響を十分に考慮する必要があるが,大規模な計算が可能な場合,その影響は小さい.3,結晶化過程,吸収過程の分子シミュレーションの検討.吸収過程について吸収速度と非平衡度の関係,吸収速度と溶液濃度の関係を明らかにした.結晶化過程については今後の課題である.

【研究分担者】
杉山正和	東京大学	大学院・工学系研究科	助教授	(Kakenデータベース)

【研究分担者】
大宮司啓文	東京大学	大学院・工学系研究科	助手	(Kakenデータベース)