量子ナノ流動システム研究分野

ナノ流動研究部門

Nanoscale Flow Research Division

量子ナノ流動システム研究分野

Quantum Nanoscale Flow Systems Laboratory

教 授
徳増 崇
Professor
Takashi
Tokumasu

流体の流動現象には、原子・分子のスケールで生じる「化学反応」が流体のマクロな「拡散現象」に大きく影響する場合がしばしば見受けられます。また、水素のように極めて軽い原子は、その原子を質点として見なすことができず、その影響が物質の相図などに現れることがあります。このような性質が現れるメカニズムを解析したり、これらの物質で構成されているナノスケールの流動システムの挙動を解析する場合、通常の分子動力学法ではその性質を正確に再現できないため、この物質の「量子性」を考慮した手法を用いて解析する必要があります。本研究分野では、このような流体の「量子性」が熱流動現象に影響を及ぼす系を対象にして、その量子効果を取り込んだ様々な手法を用いてその性質を解明し、工学的に応用することを目的として研究を行っています。

In the flow phenomena of fluid, it is often seen that the "chemical reaction" which occurs at the atomic/molecular scale affects much on the macroscopic "diffusion phenomena" of fluids. Moreover, very light atoms, such as hydrogen, cannot be regarded as a mass point and its effect sometimes appears at the phase diagram of this substance. When we analyze the mechanism by which the characteristics appears or behaviors of nanoscale flow systems which consists of such substances, it is necessary to analyze them by the method in which the "quantum effect" of the substances is considered because the conventional molecular dynamics method cannot treat such characteristics accurately. Our laboratory treats the system in which the quantum effect of such fluid affects on the flow phenomena, and conducts research on clarification of its physical mechanism by various methods with considering the quantum effect and its application for engineering aspects.

水素の量子性が熱流動特性に与える影響に関する量子・分子動力学的研究
A quantum/molecular dynamics study of the effect of quantum characteristics of hydrogen on its flow characteristics

液体水素の熱流動特性を分子動力学法で正確に再現するためには、水素原子の位置の不確定性を考慮した手法を用いる必要があります。本研究では経路積分セントロイド分子動力学法を用いてこの量子性を考慮し、水素の量子性がマクロな物性値に影響をおよぼすメカニズムについて解析を行っています。

It is necessary to use the method which consider the uncertainty of position of hydrogen atoms to reproduce the flow characteristics of liquid hydrogen accurately by molecular dynamics method. In this study we treat the quantum characteristics of hydrogen by using path integral centroid molecular dynamics method and analyze the mechanism by which the quantum characteristics of hydrogen affects on the macroscopic flow phenomena of liquid hydrogen.

プロトン輸送現象解明のためのプロトンホッピングモデルの構築
Construction of proton hopping model to analyze the transport phenomena of proton

プロトン(H+)は水中では水分子(H2O)と結合してオキソニウムイオン(H3O+)として存在しますが、このオキソニウムイオンは「プロトンホッピング」という化学反応を利用した移動機構により水よりも4~5倍速く水中を拡散します。本研究では、様々な量子計算によりその性質を解明し、古典分子動力学法の範囲でこのプロトンホッピングを取り扱えるモデルの構築を目指しています。

In water a proton (H+) exists as an oxonium ion (H2O) by connecting with water molecule (H2O). The diffusivity of oxonium ion is 4-5 times larger than that of water molecule by the mechanism which uses a kind of chemical reaction called "proton hopping". In this study we investigate the characteristics of "proton hopping" by various quantum calculations and make a model to treat proton hopping in the framework of classical molecular dynamics.

触媒金属表面上の分子解離現象に関する研究
Study of dissociation phenomena of molecules on catalyst surface

触媒金属表面上で分子が解離する現象は、金属表面上の自由電子が分子の反結合性軌道を占有することによって起こります。この現象を分子動力学法で再現するには、金属表面上の電子状態を考慮した解析を行う必要があります。本研究では、電子状態を考慮できる相互作用ポテンシャルを構築して分子の解離現象を解析し、その結果からさらに大規模なシステムの計算に適用可能な分子解離モデルの構築を目指して研究を行っています。

Dissociation of molecules on a catalyst surface occurs by filling anti-bonding orbitals of molecules with free electrons on metal surface. It is necessary to consider the state of electrons on metal surface to reproduce the phenomenon by molecular dynamics method. In this study we construct an interaction potential which can treat the state of electrons and analyze the dissociation of molecules. Moreover, from the results, we construct the dissociation model of molecules which can be applied to simulations of larger system.

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