JP5308285B2 - Simulation system and simulation program - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To efficiently simulate the behavior of a layered compound. <P>SOLUTION: Each layer of a layered compound is coarse-grained as a rigid sheet being a dynamic unit to determine internal action caused by the interlayer interaction with a rigid sheet of an adjacent layer and internal oscillation (S1-S3) with respect to the rigid sheet of each coarse-grained layer. After this, the behavior of a layered compound formed of a plurality of rigid sheets is computed (S5). <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&amp;INPIT

Description

本発明は、グラファイトや雲母といった層状化合物についての挙動をシミュレーションするシミュレーションシステムに関する。   The present invention relates to a simulation system that simulates the behavior of a layered compound such as graphite and mica.

グラファイトや雲母といった層状化合物の中のある種の物質は、低摩擦特性を示すことがある。雲母はそれほど低摩擦ではないが、グラファイトや、二硫化モリブデンといった固体は摩擦係数が低い。こうした化合物は、宇宙空間などオイルの使えない人工衛星の部品などにおいて固体潤滑剤として用いられたり、結晶のもととなる化合物を自動車のエンジンオイルに添加剤として混ぜてしゅう動面で結晶化させて低摩擦にする、というように使われる。   Certain materials in layered compounds such as graphite and mica may exhibit low friction properties. Mica is not very low friction, but solids such as graphite and molybdenum disulfide have a low coefficient of friction. These compounds are used as solid lubricants in parts of satellites that cannot use oil, such as in outer space, or the compounds that form crystals are mixed into automobile engine oils as additives and crystallized on the sliding surface. And low friction.

層状化合物において、層間相互作用がvan der Waals力によるグラファイトのような結晶であっても、二硫化モリブデンのようなイオン結晶であっても、摩擦力が低い理由は、層間ですべりが起こるためであると説明されている。   The reason why the frictional force is low in the layered compound is that the interlayer interaction is a crystal like graphite due to van der Waals force or an ionic crystal like molybdenum disulfide because the slip occurs between the layers. It is explained that there is.

このような層状化合物について、詳細な解析が可能であれば、用途に応じてどのような層状化合物を使用すべきなどの構造設計などが行える。   If such a layered compound can be analyzed in detail, structural design such as what layered compound should be used according to the application can be performed.

これに関連して、特許文献1には、流体中の高分子(紐状ミセル)を粗視化したブラウン動力学シミュレーションが示されている。また、高分子の粗視化手法については、特許文献2、3などに示されている。さらに、トライボ関係の分子シミュレーションについては、特許文献4などがある。   In this connection, Patent Document 1 discloses a Brownian dynamics simulation in which a macromolecule (string micelle) in a fluid is coarse-grained. Moreover, the macroscopic coarse-graining technique is disclosed in Patent Documents 2 and 3 and the like. Furthermore, there exists patent document 4 etc. about the molecular simulation regarding a tribo.

特許03980600号公報Japanese Patent No. 03980600 特開2002−80406号公報JP 2002-80406 A 特開2006−338449号公報JP 2006-338449 A 特開平8−35831号公報JP-A-8-35831

特許文献1〜3では、二次元的な周期性を持つ相互作用を層間相互作用として規定していないため、層状化合物の運動を現実的に扱うことが出来ない。また、液体に対応する手法であるため、拡散係数などの各粗視化粒子の内部振動に起因する作用が等方的である系を取り扱い、異方性の作用が大きい層状化合物の特性を再現できない。従って、特許文献1に挙げられた方法では、層状化合物の挙動を解析できない。   In Patent Documents 1 to 3, since an interaction having a two-dimensional periodicity is not defined as an interlayer interaction, the motion of the layered compound cannot be practically handled. In addition, because it is a method for liquids, it handles systems that are isotropic due to the internal vibrations of each coarse-grained particle, such as the diffusion coefficient, and reproduces the characteristics of layered compounds with high anisotropic effects. Can not. Therefore, the method described in Patent Document 1 cannot analyze the behavior of the layered compound.

特許文献4では、原理的には全原子モデルにより層状化合物の摩擦挙動を扱うことができる。しかし、層状化合物についての現実的な挙動を解析しようとすると、対称となる原子数が非常に大きく、従って全原子モデルを利用すると膨大な計算時間を必要となる。   In Patent Document 4, in principle, the friction behavior of a layered compound can be handled by an all-atom model. However, when trying to analyze the realistic behavior of layered compounds, the number of symmetric atoms is very large. Therefore, if an all-atom model is used, enormous calculation time is required.

本発明は、層状化合物について各層を力学的単位となる剛体シートとして粗視化し、粗視化した各層の剛体シートについて、隣接層の剛体シートとの層間相互作用、内部振動に起因する内部作用を決定し、その後に、複数層の剛体シートからなる層状化合物の挙動についての計算を行うことを特徴とする。   The present invention coarse-grains each layer of a layered compound as a rigid body sheet as a mechanical unit, and the coarse-grained rigid sheet of each layer exhibits an internal interaction due to interlayer interaction with an adjacent rigid body sheet and internal vibration. After that, the behavior of the layered compound composed of a plurality of layers of rigid sheets is calculated.

また、前記層間相互作用は、相互ポテンシャルを含み、相互ポテンシャルは電子レベルおよび原子レベルの微視的なシミュレーションにより決定することが好適である。   Further, the interlayer interaction includes a mutual potential, and the mutual potential is preferably determined by microscopic simulation at an electron level and an atomic level.

また、相互作用ポテンシャルが、二次元の周期性および末端効果の少なくとも1つを有するものであることが好適である。   In addition, it is preferable that the interaction potential has at least one of a two-dimensional periodicity and a terminal effect.

また、前記内部作用は、原子レベルの微視的なレベルにおいて決定することが好適である。   The internal action is preferably determined at a microscopic level at the atomic level.

さらに、2つの固体原子層に挟まれた層状化合物に対して圧力およびせん断を印加し、せん断応力を含む力学的応答を得ることにより、層状化合物の挙動をシミュレーションすることが好適である。   Furthermore, it is preferable to simulate the behavior of the layered compound by applying pressure and shear to the layered compound sandwiched between two solid atomic layers to obtain a mechanical response including shear stress.

また、本発明は、このようなシミュレーションを行うためのプログラムである。   Further, the present invention is a program for performing such a simulation.

本発明によれば、層状化合物の摩擦力のような力学的特性、熱安定性などの挙動を効率よく計算できる。これによって、所望の分子特性を示す層状化合物の分子設計を行うことが可能となる。   According to the present invention, it is possible to efficiently calculate the behavior of the layered compound such as the mechanical properties such as the frictional force and the thermal stability. This makes it possible to perform molecular design of a layered compound exhibiting desired molecular characteristics.

層状化合物の摩擦メカニズムを説明する図である。It is a figure explaining the friction mechanism of a layered compound. グラフェンシートの粗視化と6自由度を説明する図である。It is a figure explaining coarse-graining of a graphene sheet and 6 degrees of freedom. 層状化合物のマルチスケール解析スキームを示す図である。It is a figure which shows the multiscale analysis scheme of a layered compound. グラファイトの分子構造を示す図である。It is a figure which shows the molecular structure of a graphite. 炭素原子間のLennard-Jonesポテンシャルを示す図である。It is a figure which shows the Lennard-Jones potential between carbon atoms. 炭素原子−グラフェンシート間のポテンシャル(Ca,Cbはa,b間上の格子点)を示す図である。It is a figure which shows the potential (Ca and Cb are the lattice points on between a and b) between a carbon atom and a graphene sheet. 炭素原子−グラフェンシート間のポテンシャル(x,y空間)を示す図である。It is a figure which shows the potential (x, y space) between a carbon atom and a graphene sheet. 炭素原子−グラフェンシート間のポテンシャル(x,y空間)を示す図である。It is a figure which shows the potential (x, y space) between a carbon atom and a graphene sheet. シミュレーションのモデルを示す図である。It is a figure which shows the model of simulation. 熱平衡状態におけるシートのx方向の変位を示す図である。It is a figure which shows the displacement of the x direction of the sheet | seat in a thermal equilibrium state. 熱平衡状態におけるシートのy方向の変位を示す図である。It is a figure which shows the displacement of the y direction of the sheet | seat in a thermal equilibrium state. 熱平衡状態におけるシートの全エネルギーUのゆらぎを示す図である。It is a figure which shows the fluctuation | variation of the total energy U of the sheet | seat in a thermal equilibrium state. HOPG(高配向性グラファイト)上の”移着片”モデルを示す図である。It is a figure which shows the "transfer piece" model on HOPG (highly oriented graphite). 非対称系におけるすべり運動下のシートのx方向の変位を示す図である。It is a figure which shows the displacement of the x direction of the sheet | seat under sliding motion in an asymmetrical system. 非対称系におけるすべり運動下のシートのy方向の変位を示す図である。It is a figure which shows the displacement of the y direction of the sheet | seat under sliding motion in an asymmetrical system. 非対称系におけるすべり運動下のシートの全エネルギーUの経時変化を示す図である。It is a figure which shows the time-dependent change of the total energy U of the sheet | seat under the sliding motion in an asymmetrical system. 非対称系におけるすべり運動下のシートのx,y方向の変位を示す図である。It is a figure which shows the displacement of the x and y direction of the sheet | seat under sliding motion in an asymmetrical system. 計算のフローチャートである。It is a flowchart of calculation.

以下、本発明の実施形態について、図面に基づいて説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

「シミュレーションシステムの構成」
本実施形態は、層状化合物について、モデルを用いたシミュレーションを行うシミュレーションシステムおよびそのプログラムに関し、CD、DVD、通信などによって、コンピュータの記憶部に前記モデルを利用したシミュレーションを行うプログラムをインストールし、プログラムを実行し、各種条件、データを入力して、摩擦現象や、摩擦係数などの物性値を求めるためのシミュレーションを行う。なお、シミュレーションプログラム自体は、すでに販売されているものを用い、そのシミュレーションプログラム内のモデルを本実施形態のプログラムによって設定することも好適である。
"Configuration of the simulation system"
The present embodiment relates to a simulation system for performing simulation using a model for a layered compound and a program thereof, and a program for performing simulation using the model is installed in a storage unit of a computer by CD, DVD, communication, etc. Is executed and various conditions and data are input to perform a simulation for obtaining physical properties such as a friction phenomenon and a friction coefficient. In addition, it is also suitable to use what is already sold for the simulation program itself, and to set the model in the simulation program by the program of this embodiment.

そして、シミュレーションは、グラファイトや雲母といった現実の層状化合物について行われ、層状化合物からなる機能性分子の構造設計が行われる。   The simulation is performed on an actual layered compound such as graphite or mica, and the structure of a functional molecule composed of the layered compound is designed.

「層状化合物の挙動解析」
例えば、無限に長い板(グラフェン[1])が積層しているグラファイトの下地の上を、半径数mm程度の鋼球が接触して相対すべり運動を行っている状態を考える。このとき、グラフェン層間ですべりが起こることは有り得ない(単位面積当たりの層間摩擦力が有限であれば層間すべりに要する力は無限になる)。また実際の物質では、高配向性のグラファイトであってもμmオーダーの湾曲があるので、下地の固体内部で剪断が起こることは幾何学的に困難である。
"Behavior analysis of layered compounds"
For example, let us consider a state in which a steel ball having a radius of several millimeters is in contact with a graphite base on which infinitely long plates (graphene [1]) are stacked to make a relative sliding motion. At this time, it is unlikely that slip will occur between the graphene layers (if the interlayer friction force per unit area is finite, the force required for interlayer slip is infinite). In an actual substance, even highly oriented graphite has a curvature of the order of μm, so that it is geometrically difficult for shear to occur inside the underlying solid.

したがって、現実的に考えると、図1に示すように、下地のグラファイトから鋼球側に、グラファイト断片の移着が生じ、その移着片と下地のグラファイトとの間ですべり摩擦が生じていると考えるべきであろう。機械試験に使う鋼球にはサブμmオーダーの表面粗さがあるので、その先端に移着片があると考えられ、実際に、この存在を3次元表面構造解析顕微鏡や透過型電子顕微鏡(Transmission Electron Microscope;TEM)[2]により観察した研究もある。それでは、移着片と下地グラファイト面との摩擦の機構が疑問である。   Therefore, from a practical point of view, as shown in FIG. 1, transfer of graphite fragments occurs from the base graphite to the steel ball side, and sliding friction occurs between the transfer piece and the base graphite. Should be considered. The steel balls used for mechanical testing have a surface roughness of the order of sub-μm, so it is thought that there is a transfer piece at the tip of the steel ball. Some studies have been observed by Electron Microscope (TEM) [2]. Then, the mechanism of friction between the transfer piece and the base graphite surface is questionable.

本実施形態では、移着片と下地との間ですべりが起きているのか、それとも移着片の層間ですべりが起こっているのか、また移着片の形状、大きさとの関係は、といった問題を扱う。   In this embodiment, whether there is a slip between the transfer piece and the base, or whether there is a slip between the transfer pieces, and the relationship between the shape and size of the transfer piece. Handle.

グラファイトの低摩擦機構については、二層間の挙動については全原子分子動力学(Molecular Dynamics;MD)法により解析した例があるが[3]、原子間力顕微鏡(Atomic Force Microscope; AFM)の先端に移着したグラファイト片でさえ実際は数十万原子からなるため、そのような系全体のダイナミクスを全原子分子動力学法で扱うことは困難である。そこで、本実施形態では移着片を粗視化して、計算の簡略化を図る。   Regarding the low-friction mechanism of graphite, there is an example in which the behavior between two layers is analyzed by the All-Atom Molecular Dynamics (MD) method [3], but the tip of Atomic Force Microscope (AFM) Even the piece of graphite transferred to the substrate actually consists of hundreds of thousands of atoms, so it is difficult to handle the dynamics of such a whole system by the all-atom molecular dynamics method. Therefore, in this embodiment, the transfer piece is coarse-grained to simplify the calculation.

ところで、移着片を構成するグラフェンシートの内部振動には多数のモードがあるが、各グラフェンシートをそれぞれ一つの剛体とみなすと、この内部振動に起因する電子雲のゆらぎは、van der Waals力のゆらぎとして隣接する剛体の質点に及ぼす揺動力と見なすことができる。また、この剛体には並進3、回転3の6自由度があり、この中で重要な運動は並進の3個と、層方向の軸に対する回転であるyaw角の4個である。移着片のすべり運動は、この4自由度におけるブラウン運動を有するグラフェンシート剛体が積層したものの運動として記述できる(図2参照)。   By the way, there are many modes in the internal vibration of the graphene sheet composing the transfer piece. If each graphene sheet is regarded as one rigid body, the fluctuation of the electron cloud due to this internal vibration is van der Waals force. It can be regarded as the fluctuation force exerted on the mass point of the adjacent rigid body as the fluctuation of the vibration. Further, this rigid body has six degrees of freedom of translation 3 and rotation 3. Of these, three important motions are translation and four yaw angles which are rotations about the axis in the layer direction. The sliding motion of the transfer piece can be described as the motion of a stack of graphene sheet rigid bodies having a Brownian motion in four degrees of freedom (see FIG. 2).

本実施形態では、これをMonte Carlo Brownian Dynamics(MCBD)法[4]で計算し、層状化合物の摩擦挙動をシミュレートする。MCBD法はコロイド溶液の計算手法として1991年に菊地らによって提案された手法であるが、後述するようにLangevin動力学と等価であり、熱ゆらぎが粒子間ポテンシャルと同等のオーダーとなるような現象においては有効な粗視化シミュレーション手法となる。   In this embodiment, this is calculated by the Monte Carlo Brownian Dynamics (MCBD) method [4] to simulate the frictional behavior of the layered compound. The MCBD method was proposed by Kikuchi et al. In 1991 as a method for calculating colloidal solutions, but as described below, it is equivalent to Langevin dynamics and a phenomenon in which thermal fluctuations are on the same order as the interparticle potential. Is an effective coarse-grained simulation method.

「シミュレーションの手法」
「MCBD法」
多粒子系を扱うための計算機シミュレーションの代表的な方法として、分子動力学(MD)法と、Monte Carlo(MC)法が用いられている。MD法は、各粒子についての運動方程式を連立させ、これを解くことにより、粒子の軌跡を追跡する。一方、MC法は統計力学における配置積分を、乱数を用いて計算する。それぞれの方法は、粗視化の度合いや求める物理量によって多くのバリエーションがあるが、アルゴリズムの基礎を、前者はNewton力学に、後者は統計力学に置いているという違いがある。
"Method of simulation"
"MCBD method"
The molecular dynamics (MD) method and the Monte Carlo (MC) method are used as representative methods of computer simulation for handling multi-particle systems. The MD method tracks the trajectory of particles by simultaneously solving and solving equations of motion for each particle. On the other hand, the MC method calculates the configuration integral in statistical mechanics using random numbers. Each method has many variations depending on the degree of coarse-graining and the required physical quantity, but the difference is that the basis of the algorithm is Newtonian mechanics and the latter is statistical mechanics.

Brown運動は巨視的にはFokker-Planckの拡散方程式によって記述されるが、微視的にはLangevin方程式から議論を出発する理論が多い[5]。Langevin方程式は、運動方程式に確率的に加わる、溶媒分子の熱運動に起因する揺動力による項が入った形をとる。シミュレーションの方法として、このLangevin方程式の揺動項に乱数を用いるMD法が開発されている[6]。一方、MC法の代表的な方法にMetropolisらの方法[7]がある。これは、時点nにおける遷移確率が時点n−1の状態のみによって決まるという遷移を繰り返す、Markov鎖の概念に基づいている。通常のMetropolis MC法においては、状態が遷移する間隔と物理的な”時間”との明確な対応はない。   The Brownian motion is macroscopically described by the Fokker-Planck diffusion equation, but microscopically, there are many theories that debate from the Langevin equation [5]. The Langevin equation takes a form that includes a term due to the fluctuation force due to the thermal motion of solvent molecules, which is added to the equation of motion stochastically. As a simulation method, the MD method using random numbers for the fluctuation term of the Langevin equation has been developed [6]. On the other hand, a representative method of the MC method is the method of Metropolis et al. [7]. This is based on the concept of a Markov chain that repeats a transition in which the transition probability at time n is determined only by the state at time n-1. In the normal Metropolis MC method, there is no clear correspondence between the state transition interval and the physical “time”.

ところで、Brown運動においては、粒子の移動をMarkov的であると仮定するので、Metropolis MC法において、状態が遷移する過程において”時間”との対応をとることができれば、同法もまたBrown運動のシミュレーションの方法となるはずである。   By the way, in the Brownian motion, it is assumed that the particle movement is Markovian, so in the Metropolis MC method, if the correspondence with time can be taken in the process of state transition, this method is also used in the Brownian motion. Should be a simulation method.

Metropolis MC法は平衡系を仮定しており、遷移の過程において生成されるMarkov鎖は、熱平衡状態における配置積分を得るために導入される。したがって、過渡過程をも含めた非平衡系におけるBrown運動のシミュレーションに直接適用することはできない。しかし、Brown運動における遷移の過程もMarkov的であるため、遷移確率の与え方に一定の条件を加えれば、Metropolis MC法で実現されるMarkov鎖は、物理的な”時間"に対応するBrown粒子の軌跡となるはずである[4]。   The Metropolis MC method assumes an equilibrium system, and the Markov chain generated in the transition process is introduced to obtain the configuration integral in the thermal equilibrium state. Therefore, it cannot be directly applied to simulation of Brownian motion in non-equilibrium systems including transient processes. However, since the transition process in Brownian motion is also Markov, if a certain condition is added to the method of giving the transition probability, the Markov chain realized by the Metropolis MC method is a Brown particle corresponding to the physical "time". It should be the trajectory of [4].

MCステップにおいて、系の状態を識別するラベルとして”時間”tを導入し、”時間”tにおける配置Xについての確率分布関数をP(X,t)とする。このときサンプリングはMarkov過程を仮定しているので、P(X,t)の”時間”変化は、次のマスター方程式により決定される[5]。
In the MC step, “time” t is introduced as a label for identifying the state of the system, and the probability distribution function for the arrangement X at “time” t is P (X, t). At this time, since sampling assumes a Markov process, the change in “time” of P (X, t) is determined by the following master equation [5].

ここで、W(X|X’)は配置X’からXへの遷移についての単位”時間”あたりの遷移確率である。マスター方程式は系の大きさを表わすパラメータで展開することにより、近似的に解くことができる。ただし、W(X|X’)は次の正準形をしているものとする。
Here, W (X | X ′) is a transition probability per unit “time” regarding the transition from the arrangement X ′ to X. The master equation can be solved approximately by developing the parameters representing the size of the system. However, it is assumed that W (X | X ′) has the following canonical form.

ここでx’=X’/Ω,r=X−X’である。このとき、ジャンプ能率_αν,λ(x)を次式で定義する。
Here, x ′ = X ′ / Ω and r = XX ′. At this time, the jump efficiency_α ν, λ (x) is defined by the following equation.

α1,0のとき、この展開は非線形のFokker-Planck方程式の第一近似として次式を与える。
When α 1 , 0 , this expansion gives the following equation as the first approximation of the nonlinear Fokker-Planck equation.

ただし、τ=ω−2tである。Metropolis MCの場合、ωは”時間”間隔Δtにおける最大変位幅の逆数ととることができる。したがって、式(2)の右辺第一項は、
と計算される。そして、たとえば系のポテンシャルエネルギーU(x)のxについての導関数U’(x)が負の場合は、十分大きいΩに対して
である。したがって、ジャンプ能率は、
となり、式(4)は次の拡散方程式に帰着する。
ここで、拡散定数Dは次式で定義される。
However, τ = ω −2 t. In the case of Metropolis MC, ω can be taken as the reciprocal of the maximum displacement width in the “time” interval Δt. Therefore, the first term on the right side of equation (2) is
Is calculated. For example, when the derivative U ′ (x) of x of the potential energy U (x) of the system is negative, for sufficiently large Ω
It is. Therefore, the jump efficiency is
Equation (4) results in the following diffusion equation:
Here, the diffusion constant D is defined by the following equation.

すなわち、Metropolis MC法における最大変位幅Ω−1を、粒子に働く力がMC"時間”間隔Δtの間一定とみなせるほど十分小さくとることにより、Metropolis MC法はBrown運動のシミュレーションの方法となることが示された。この際、MC”時間”は物理時間と式(7)を介して対応する。 That is, by making the maximum displacement width Ω −1 in the Metropolis MC method small enough that the force acting on the particles can be considered constant for the MC “time” interval Δt, the Metropolis MC method becomes a method for simulating Brownian motion. It has been shown. At this time, MC “time” corresponds to physical time via equation (7).

拡散係数は、実験値を用いるか、あるいはより微視的(原子レベル)なシミュレーション手法により決定することができるが、実験値を用いた例としては高分子電解質溶液中の低分子イオンの例がある[8]。   The diffusion coefficient can be determined using experimental values or by a more microscopic (atomic level) simulation method. Examples of using experimental values include low molecular ions in a polymer electrolyte solution. Yes [8].

MD法を基礎とした方法に対するこの方法の利点は、粒子に働く力を計算する必要がなく、ポテンシャルエネルギーU(x)の変化のみを計算すればよいということである。また、一般のMC法と比較して熱平衡値だけでなく、目的とする物理量の時間変化も与えるが、そのためには多数のトラジェクトリにわたる積算が必要である。   The advantage of this method over the method based on the MD method is that it is not necessary to calculate the forces acting on the particles, only the change in potential energy U (x) need be calculated. In addition to the thermal equilibrium value as compared with the general MC method, a change with time of the target physical quantity is also given. For this purpose, integration over a large number of trajectories is required.

図3に、層状化合物のダイナミクスを扱うための本MCBD法を中心とするマルチスケール解析スキームの例を示す。上述したように、MCBD法におけるシミュレーションの物理化学的な現実性は、層間相互作用のポテンシャルエネルギーU(x)およびシートの拡散係数Dを現実的なものとすることである。   FIG. 3 shows an example of a multi-scale analysis scheme centering on the present MCBD method for handling the dynamics of layered compounds. As described above, the physicochemical reality of simulation in the MCBD method is to make the potential energy U (x) of the interlayer interaction and the diffusion coefficient D of the sheet realistic.

本発明における一例として、U(x)はグラフェン系(グラファイト、カーボンナノチューブ、C60など)の炭素原子間のvan der Waalsポテンシャルとして有名なGirifalcoらの提案した文献値を用いる[9]。また、拡散定数Dについては、信頼性の高い実験値が存在する場合はそれを用いても良く、あるいは、よりミクロな全原子の分子動力学を行い決定することも可能である。全原子の分子動力学に必要な力場パラメータが存在しない、あるいは信頼性が問題となる場合は、さらに力場パラメータをab initio分子軌道計算などにより量子化学的に決定できる。   As an example in the present invention, U (x) uses a literature value proposed by Girifalco et al. Well-known as van der Waals potential between carbon atoms of graphene (graphite, carbon nanotube, C60, etc.) [9]. As for the diffusion constant D, if there is an experimental value with high reliability, it may be used, or it can be determined by performing molecular dynamics of all atoms at a more microscopic level. If the force field parameters necessary for molecular dynamics of all atoms do not exist or if reliability is a problem, further force field parameters can be determined quantum-chemically by ab initio molecular orbital calculations.

このマルチスケール解析スキームを用いることにより、グラファイトやh-BNのようなvan der Waals系のみならず、二硫化モリブデンや雲母のようなイオン系を含めた任意の層状化合物のダイナミクスを扱うことが可能となる。したがって、エンジン油添加剤および固体潤滑剤として有名なモリブデン系の層状化合物の解析・開発などにもこの手法を適用可能である。   By using this multi-scale analysis scheme, it is possible to handle the dynamics of arbitrary layered compounds, including not only van der Waals systems such as graphite and h-BN, but also ionic systems such as molybdenum disulfide and mica. It becomes. Therefore, this method can be applied to the analysis and development of molybdenum-based layered compounds that are well known as engine oil additives and solid lubricants.

「グラフェンシート間相互作用」
グラファイトの分子レベルにおける構造を図4に示す。熱平衡状態のABスタック構造における炭素原子間距離laは1.42Åであり、シート間距離lzは3.35Åである。グラフェンシート間の相互作用は、Girifalcoらによる炭素原子間のvan der Waalsポテンシャルの文献値[9]をもとにした。このポテンシャルでは、安定構造であるABスタック構造も再現されており、グラフェンシート間の引きはがし応力なども再現されている。このポテンシャルを剛体間の相互作用として導入することによって、運動方向による層間相互作用の異方性やエネルギー地形を取り込むことができる。
"Interaction between graphene sheets"
The structure of graphite at the molecular level is shown in FIG. In an AB stack structure in a thermal equilibrium state, the distance between carbon atoms la is 1.42 mm, and the distance between sheets lz is 3.35 mm. The interaction between graphene sheets was based on literature values [9] of van der Waals potential between carbon atoms by Girifalc et al. At this potential, the AB stack structure, which is a stable structure, is also reproduced, and the peeling stress between the graphene sheets is also reproduced. By introducing this potential as an interaction between rigid bodies, it is possible to capture the anisotropy of the interlayer interaction and the energy topography according to the direction of motion.

「炭素原子間ポテンシャル」
原子間相互作用Uatom-atom(ra)は以下のLennard-Jones型の関数として表わされる。
"Carbon interatomic potential"
The interatomic interaction Uatom-atom (ra) is expressed as the following Lennard-Jones type function.

ここで、raは原子間距離、A,Bは定数である。この関数は、ポテンシャルの深さを表わす指標εと、平衡距離に関係するσとを使って書き直すことができる。
Here, ra is an interatomic distance, and A and B are constants. This function can be rewritten using the index ε representing the depth of the potential and σ related to the equilibrium distance.

εと平衡距離ra0は以下で表される。
ε and the equilibrium distance ra0 are expressed as follows.

グラフェン上の炭素原子間ポテンシャルとして、つぎの値を用いた。A=15.2eV×Å,B=24.1×10−3eV×Å12,r0=3.83Å,ε=2.89meV。以上により表わされる原子間ポテンシャル式(8)を図5に示す。 The following values were used as potentials between carbon atoms on graphene. A = 15.2 eV × Å 6 , B = 24.1 × 10 −3 eV × Å 12 , r 0 = 3.83 Å, ε = 2.89 meV. FIG. 5 shows the interatomic potential equation (8) expressed as above.

「炭素原子−グラフェン間ポテンシャル」
つぎに、式(8)をもとに炭素原子−グラフェン間のポテンシャルを次式により決定する。
"Carbon atom-graphene potential"
Next, the potential between carbon atom and graphene is determined by the following equation based on the equation (8).

ここで、シート直交座標系におけるxをすべり方向、yをすべりと直角方向とし、右辺の和は平面z=0上に配置した一辺laのハニカム構造の炭素原子群と、z=lzに配置した炭素原子との相互作用とする。シミュレーションにおいては、系の対称性を考慮して主軸ベクトルa=((√3/2)la,(1/2)la),b=(0,la)を有する座標系において、a,b方向にそれぞれ100分割した格子点上でUatom-sheetをあらかじめ計算し(図6)、これをシートの運動に際して直交座標系に戻しシート間ポテンシャルの計算を行う。各格子点におけるUatom-sheetは、原子近傍から遠方に差分ΔUatom-sheet<10−6eVとなるまで積算した。直交座標系におけるUatom-sheet(x,y)を図7に示す。 Here, in the sheet orthogonal coordinate system, x is a slip direction, y is a direction perpendicular to the slip, and the sum of the right side is a carbon atom group having a honeycomb structure of one side la arranged on a plane z = 0, and arranged at z = 1z. Let it be an interaction with a carbon atom. In the simulation, in the coordinate system having the principal axis vectors a = ((√3 / 2) la, (1/2) la), b = (0, la) in consideration of the symmetry of the system, the directions a and b are used. The Uatom-sheet is calculated in advance on the lattice points divided into 100 (Fig. 6), and the sheet potential is returned to the orthogonal coordinate system when the sheet moves to calculate the inter-sheet potential. The Uatom-sheet at each lattice point was accumulated from the vicinity of the atom to the far side until the difference ΔUatom-sheet <10 −6 eV. FIG. 7 shows Uatom-sheet (x, y) in the orthogonal coordinate system.

「グラフェン−グラフェン間ポテンシャル」
二つの向かい合うハニカム構造に配置する原子は、周期性により幾何的に2種類に区別されるので、グラフェンシート間のポテンシャルUsheet-sheetはUatom-sheet(x,y)を用い、
により計算できる。ここで、Δx,Δyは、シート間のそれぞれx、y方向の座標の差、Nx,N’x、Ny,N’yは相対するシートのx,y方向の原子数である。式(13)により、有限の大きさのシートの相互作用における末端効果を取り入れることが可能となる。Nx=N’x=100,Ny=N’y=100の系におけるUsheet-sheetのポテンシャル面を、図8に、Δx,Δy軸上の断面をそれぞれ示す。Δx=0,Δy=0のときがAB構造に対応し最安定であり、シート同士がずれることによりシート間相互作用が弱まることが示されている。
"Graphene-graphene potential"
The atoms arranged in two opposing honeycomb structures are geometrically distinguished into two types depending on the periodicity, so the potential Usheet-sheet between graphene sheets uses Uatom-sheet (x, y),
Can be calculated by Here, Δx and Δy are differences in coordinates in the x and y directions between the sheets, and Nx, N′x, Ny, and N′y are the numbers of atoms in the x and y directions of the opposite sheets. Equation (13) makes it possible to incorporate end effects in the interaction of sheets of finite size. The potential surface of the Usheet-sheet in the system of Nx = N′x = 100 and Ny = N′y = 100 is shown in FIG. 8, and cross sections on the Δx and Δy axes are shown. When Δx = 0 and Δy = 0, this corresponds to the AB structure and is the most stable, and it is shown that the sheet-to-sheet interaction is weakened due to the sheets being displaced.

シートの片面が末端の存在しない高配向性グラファイト板(HOPG; highly oriented pyrolytic graphite)である場合のポテンシャルUsheet-plateは、
により表わす。ここでx,yはシートの座標、Nx,Nyはシートのx,y方向の原子数である。この相互作用においては、図8に示されるポテンシャル面のベースラインの変化は存在せず、周期関数となる。
When one side of the sheet is a highly oriented pyrolytic graphite (HOPG) with no end, the potential Usheet-plate is
Is represented by Here, x and y are the coordinates of the sheet, and Nx and Ny are the number of atoms in the x and y directions of the sheet. In this interaction, there is no change in the baseline of the potential surface shown in FIG. 8, and it becomes a periodic function.

「シミュレーションモデル」
グラフェン移着片のMCBDシミュレーションのモデルを図9に示す。上下のスライダーの間にNz層(Nz個の層)のグラフェンシートを挟む。それぞれのシートはスライダーのすべり方向x、直角方向yに対してそれぞれNx,Ny個の原子からなるとする。たとえば、(Nx,Ny,Nz)=(100,100,20)の系では移着片の原子数は20万となり、全原子モデルによる分子動力学によってダイナミクスを扱うことは大変困難である。一方、本実施形態のMCBD法では計算時間はNzに比例し、Nx,Nyにはよらない。これは、上述した層間相互作用の計算において、先に末端効果のない原子−グラフェン間相互作用ポテンシャルUatom-sheetを決定し、その上で、末端効果を含めたグラフェン−グラフェン間相互作用ポテンシャルUsheet-sheetを決定するという手順をとったことによる。(Nx,Ny,Nz)=(100,100,20)の系における移着片サイズは、(x,y,z)方向にそれぞれ12.3nm、21.3nm、6.4nmであり、TEMによるAFMチップ先端に付着した移着片サイズと同じスケールである。
"Simulation model"
An MCBD simulation model of the graphene transfer piece is shown in FIG. A graphene sheet of Nz layers (Nz layers) is sandwiched between the upper and lower sliders. Each sheet is assumed to be composed of Nx and Ny atoms with respect to the sliding direction x and the perpendicular direction y of the slider, respectively. For example, in the system of (Nx, Ny, Nz) = (100, 100, 20), the number of atoms in the transfer piece is 200,000, and it is very difficult to handle dynamics by molecular dynamics based on the all-atom model. On the other hand, in the MCBD method of the present embodiment, the calculation time is proportional to Nz and does not depend on Nx and Ny. This is because the atom-graphene interaction potential Uatom-sheet having no terminal effect is first determined in the above-described calculation of the interlayer interaction, and then the graphene-graphene interaction potential Usheet- including the terminal effect is determined. This is because the procedure for determining the sheet was taken. The transfer piece sizes in the system of (Nx, Ny, Nz) = (100, 100, 20) are 12.3 nm, 21.3 nm, and 6.4 nm in the (x, y, z) direction, respectively. It is the same scale as the size of the transfer piece attached to the tip of the AFM tip.

MCBD法における物理的な時間ΔtとMCステップ間の時間とは、拡散係数Dと式(4)によって関係づけられるが、Dの値は実験値、あるいはよりミクロスケールのシミュレーション、たとえば有限のグラフェンシートの運動についての全原子の分子動力学計算を実行することによって求めることができる。   The physical time Δt and the time between MC steps in the MCBD method are related by the diffusion coefficient D and the equation (4). The value of D is an experimental value or a more micro-scale simulation, for example, a finite graphene sheet Can be obtained by performing a molecular dynamics calculation of all atoms for the motion of.

最大変位幅はΩ−1=0:01Å、層間距離は極めて軽荷重条件として熱平衡値3.35Å、すべり速度は10−6Å/MCstepとした。温度Tは300Kの室温、以下に示す大半のシミュレーションにおいてシートの初期配置として、すべての層がスタックしているx=0,y=0とした。 The maximum displacement width was Ω −1 = 0: 01 mm, the interlayer distance was a very light load condition, a thermal equilibrium value of 3.35 mm, and the sliding speed was 10 −6 mm / MCstep. The temperature T is a room temperature of 300 K. In most of the simulations shown below, as an initial arrangement of sheets, x = 0 and y = 0 in which all layers are stacked.

上述したように、各グラフェンシートを剛体とみなすと、それぞれ並進3、回転3の自由度を有する(図2右)。例として、x,yの運動のみに着目した結果を示す。   As described above, when each graphene sheet is regarded as a rigid body, it has degrees of freedom of translation 3 and rotation 3 (right in FIG. 2). As an example, the result of focusing on only x and y motions is shown.

「結果」
「平衡状態におけるグラファイトの熱ゆらぎ」
図10、図11、図12に、各シートが100×100原子、20層のグラフェンシートの系の平衡状態におけるx,yおよび系の全エネルギーのゆらぎをプロットする。第0(上スライダー),1,5,10,15,20番目のシートについて示した。
"result"
"Thermal fluctuation of graphite in equilibrium"
10, 11, and 12 plot the fluctuations of x, y and the total energy of the system in the equilibrium state of the system of graphene sheets each having 100 × 100 atoms and 20 layers. The 0th (upper slider), 1, 5, 10, 15, and 20th sheets are shown.

ここで、図10は熱平衡状態におけるシートのx方向の変位である。以下、図中凡例の数字は第0(上スライダー),1,5,10,15,20番のシートについてプロットしていることを示す。Nx=Ny=100、Nz=20、自由度:x,y、末端効果:上下あり、移着片形状:直方体、すべり速度:0とした。図11は、熱平衡状態におけるシートのy方向の変位である。Nx=Ny=100、Nz=20、自由度:x,y、末端効果:上下あり、移着片形状:直方体、すべり速度:0とした。図12は熱平衡状態におけるシートの全エネルギーUのゆらぎである。Nx=Ny=100、Nz=20、自由度:x,y、末端効果:上下あり、移着片形状:直方体、すべり速度:0とした。   Here, FIG. 10 shows the displacement of the sheet in the x direction in the thermal equilibrium state. Hereinafter, the numbers in the legend in the figure indicate that the 0th (upper slider), No. 1, 5, 10, 15, and 20 sheets are plotted. Nx = Ny = 100, Nz = 20, degrees of freedom: x, y, end effect: upper and lower, transfer piece shape: rectangular parallelepiped, sliding speed: 0. FIG. 11 shows the displacement in the y direction of the sheet in a thermal equilibrium state. Nx = Ny = 100, Nz = 20, degrees of freedom: x, y, end effect: upper and lower, transfer piece shape: rectangular parallelepiped, sliding speed: 0. FIG. 12 shows the fluctuation of the total energy U of the sheet in the thermal equilibrium state. Nx = Ny = 100, Nz = 20, degrees of freedom: x, y, end effect: upper and lower, transfer piece shape: rectangular parallelepiped, sliding speed: 0.

上スライダー、下スライダーの両者について末端効果を考慮しており、ポテンシャル面は図8に示したように各シートにおける平衡位置(原点)からのずれはエネルギー的に不利となっている。x,yいずれの方向においてもゆらぎは小さく、原点付近にとどまっており、各シートは図8におけるポテンシャルの凸部を超えることはない。   The end effect is taken into consideration for both the upper slider and the lower slider, and as shown in FIG. 8, the potential surface has an energy disadvantageous deviation from the equilibrium position (origin) in each sheet. The fluctuation is small in both the x and y directions, staying in the vicinity of the origin, and each sheet does not exceed the convex portion of the potential in FIG.

詳細に観察すると、上下のスライダーに接している第1および20番のゆらぎは他のスライダーと比較すると抑制されている。   When observed in detail, the fluctuations of No. 1 and No. 20 in contact with the upper and lower sliders are suppressed as compared with other sliders.

「すべりのダイナミクス」
実験における移着片の状態を考える。移着片は鋼球と一体化して移動する上スライダーに付着していると考えられるため、上スライダーは有限の面積すなわち末端効果を含むシートと仮定するのが自然である。下スライダーは高い平坦性が期待される高配向性グラファイトであるから、式(14)で表わされる周期的関数と置くことが相応しいと考えられる。この非対称な上下スライダーの関係を図13に示す。
"Slip dynamics"
Consider the state of the transfer piece in the experiment. Since the transfer piece is considered to be attached to the upper slider that moves integrally with the steel ball, it is natural to assume that the upper slider is a sheet having a finite area, that is, a terminal effect. Since the lower slider is highly oriented graphite that is expected to have high flatness, it is considered appropriate to place it as a periodic function represented by the formula (14). FIG. 13 shows the relationship between the asymmetric vertical slider.

せん断シミュレーションの結果を図14に示す。この図14は非対称系におけるすべり運動下のシートのx方向の変位を示し、Nx=Ny=100、Nz=20、自由度:x,y、末端効果:上あり、移着片形状:直方体、すべり:ありという条件である。上スライダーの移動とともに、移着片全体が追随している様子が見て取れる。   The result of the shear simulation is shown in FIG. FIG. 14 shows the displacement in the x direction of the sheet under sliding motion in an asymmetric system, Nx = Ny = 100, Nz = 20, degrees of freedom: x, y, end effect: upper, transfer piece shape: rectangular parallelepiped, Slip: This is a condition. As the upper slider moves, you can see the whole transfer piece following.

さらに、下スライダー(HOPG側)と接する第20層の運動に着目すると、上スライダーに追随する運動とともに周期的に振動していることがわかる。   Further, when attention is paid to the motion of the twentieth layer in contact with the lower slider (HOPG side), it can be seen that it periodically vibrates with the motion following the upper slider.

上記シミュレーションにおけるy方向の変位を図15に、エネルギーの変化を図16にそれぞれ示す。この図15,16もNx=Ny=100、Nz=20、自由度:x,y、末端効果:上あり、移着片形状:直方体、すべり:ありという条件である。y方向においても、第20層が周期的に振動していることが読み取れる。また、エネルギーは第20層の2倍の周期で振動しており、摩擦発現が移着片の最下層とHOPG面との間の相互作用と密接に関係していることが示唆される。   FIG. 15 shows the displacement in the y direction in the simulation, and FIG. 16 shows the change in energy. 15 and 16 also have the conditions that Nx = Ny = 100, Nz = 20, degrees of freedom: x, y, end effect: top, transfer piece shape: rectangular parallelepiped, slip: existence. Also in the y direction, it can be read that the twentieth layer vibrates periodically. In addition, the energy vibrates at a period twice that of the 20th layer, suggesting that the frictional expression is closely related to the interaction between the lowermost layer of the transfer piece and the HOPG surface.

第20層のx,y平面における変位を図17に示す。この図17もNx=Ny=100、Nz=20、自由度:x,y、末端効果:上あり、移着片形状:直方体、すべり:ありという条件である。図8のポテンシャル面と比較すると、等ポテンシャル面に沿うように第20層が運動していることがわかる。   FIG. 17 shows the displacement of the 20th layer in the x and y planes. This FIG. 17 also has the conditions that Nx = Ny = 100, Nz = 20, degrees of freedom: x, y, end effect: top, transfer piece shape: rectangular parallelepiped, slip: existence. Compared with the potential surface of FIG. 8, it can be seen that the twentieth layer is moving along the equipotential surface.

以上より、鋼球−移着片−HOPG面を模した非対称の系において、移着片は鋼球とともに運動し、HOPGの等ポテンシャル面に沿うような運動によりすべっているということがわかる。   From the above, it can be seen that in the asymmetric system imitating the steel ball-transfer piece-HOPG surface, the transfer piece moves together with the steel ball and slips by movement along the equipotential surface of HOPG.

移着片の視点に立ち考察すると、移着片は下スライダーに対してはx軸のどちらの方向に進んでもエネルギー的な損得はないが、上スライダーは末端効果を有するため、有限である上スライダーに追随した方がエネルギー的に有利である。スライダーが有限の大きさを有することが重要であるということがわかる。   From the viewpoint of the transfer piece, the transfer piece has no energy loss regardless of the x-axis direction with respect to the lower slider, but the upper slider has a finite effect because it has an end effect. It is more energetically advantageous to follow the slider. It can be seen that it is important that the slider has a finite size.

以上のように、MCBD計算により、様々な条件における層間すべりの様子を捉えることができる。下地は周期ポテンシャルで表わされるグラフェンとし、移着片の上部は一定速度で移動するスライダーとした。一辺の大きさが100原子(12nm)程度の移着片においては、移着片はスライダーとともに移動し、その最下層と下地との間で摩擦が生じる。   As described above, the state of interlayer slip under various conditions can be captured by the MCBD calculation. The base was graphene represented by a periodic potential, and the upper part of the transfer piece was a slider that moved at a constant speed. In a transfer piece having a size of about 100 atoms (12 nm) on one side, the transfer piece moves together with the slider, and friction occurs between the lowermost layer and the base.

層状化合物のすべり摩擦においては、このように現実的なすべり速度、温度におけるシート間のエネルギー地形が非常に重要であることがわかる。   In the sliding friction of the layered compound, it is understood that the energy topography between sheets at such a realistic sliding speed and temperature is very important.

本実施形態では、x,yの自由度について挙げたが、シミュレータをz方向およびyaw角の自由度を取り入れることも当然可能である。同時に拡散係数Dの全原子分子動力学による決定も行うことにより、決定することができる。   In the present embodiment, the degrees of freedom of x and y have been described, but it is naturally possible to incorporate the simulator into the z direction and the yaw angle. At the same time, the diffusion coefficient D can be determined by determining the total atomic molecular dynamics.

本実施形態のシミュレータを活用することにより、低摩擦発現に効果のある適切な移着片サイズなどが判明すると、その直接観察や、積極的に移着を促すような表面性状の改良などが考えられる。またグラファイト系にかぎらず、図3で示したマルチスケール解析スキームを用いることによって、新規低摩擦材料の探索を行うことも可能である。   By using the simulator of this embodiment, if an appropriate transfer piece size effective for low friction is found, direct observation, improvement of surface properties that actively promote transfer, etc. are considered. It is done. Further, it is possible to search for a new low-friction material by using the multi-scale analysis scheme shown in FIG.

「処理手順および効果」
図18には、本実施形態における計算の全体的な処理の流れが示されている。まず、層状化合物(層状分子)の候補を選択する(S1)。層状化合物には、上述のように、グラファイト、雲母、二硫化モリブデンなど各種のものがあり、計算の対象となる物質を特定する。
"Processing Procedures and Effects"
FIG. 18 shows the overall processing flow of calculation in this embodiment. First, a candidate for a layered compound (layered molecule) is selected (S1). As described above, there are various layered compounds such as graphite, mica, and molybdenum disulfide, and the substance to be calculated is specified.

対象となった物質の文献値、実験値または量子計算の結果を基に、層間相互作用を確定し入力する(S2)。すなわち、層状化合物が特定されれば、その層状化合物の原子配列など基本的な構成は文献等から得られる。従って、文献値、実験値などから層間の相互ポテンシャルなどの相互作用を決定する。また、相互ポテンシャルなどの相互作用については、そのまま文献値などを使えない場合も多く、基本的な層化合物の構成に基づき、上述のような層対層(シート対シート)の相互作用を決定することが好適である。例えば、式(13)の値などが決定される。   Based on the literature value, experimental value, or quantum calculation result of the target substance, the interlayer interaction is determined and input (S2). That is, if a layered compound is specified, a basic configuration such as an atomic arrangement of the layered compound can be obtained from literature. Therefore, the interaction such as the mutual potential between layers is determined from literature values, experimental values, and the like. In addition, as for the interaction such as the mutual potential, it is often the case that the literature value cannot be used as it is, and the layer-to-layer (sheet-to-sheet) interaction as described above is determined based on the basic layer compound configuration. Is preferred. For example, the value of equation (13) is determined.

特に、本実施形態によれば、シート対シートの相互作用(相互ポテンシャル)を計算する前に、末端効果を考慮せずに原子対シートの相互作用を計算し、その結果に基づき末端効果を含めシート対シートの相互作用を計算する。従って、末端効果を有効としたシート対シートの計算が容易になる。そして、このような計算によって、層間の相互作用を1つのシートの特性として規定することができる。   In particular, according to this embodiment, before calculating the sheet-to-sheet interaction (mutual potential), the atom-to-sheet interaction is calculated without considering the end effect, and the end effect is included based on the result. Calculate sheet-to-sheet interaction. Accordingly, the sheet-to-sheet calculation with the end effect effective is facilitated. And by such a calculation, the interaction between layers can be prescribed | regulated as a characteristic of one sheet | seat.

次に、文献値、実験値または原子レベルの計算結果を基に、各層の内部振動に起因する作用を示すパラメータ(拡散係数や揺動力など)を確定し入力する(S3)。拡散係数Dなどについても、上述のように基本的なデータを基づき計算によって、決定することができる。また文献などによって、直接決定できる場合には、それを利用する。例えば、式(7)の値がこれによって決定される。   Next, parameters (diffusion coefficient, swinging force, etc.) indicating the action caused by internal vibration of each layer are determined and input based on literature values, experimental values, or calculation results at the atomic level (S3). The diffusion coefficient D and the like can also be determined by calculation based on basic data as described above. In addition, if it can be determined directly by literatures, it is used. For example, the value of equation (7) is determined thereby.

このように、拡散係数なども、層の特性として記述できるため、各層を層間の相互ポテンシャル、拡散係数を特定した剛体シートとして粗視化することができる。   As described above, since the diffusion coefficient and the like can also be described as the layer characteristics, each layer can be coarse-grained as a rigid sheet in which the mutual potential between the layers and the diffusion coefficient are specified.

各層の初期配置、外場などの初期条件を入力する(S4)。「シミュレーションモデル」の項において説明したように、最大変位幅、層間距離、温度、シートの配置などが決定される。   The initial conditions such as the initial arrangement of each layer and the external field are input (S4). As described in the section of “Simulation Model”, the maximum displacement width, interlayer distance, temperature, sheet arrangement, and the like are determined.

そして、構造計算あるいは動力学計算を実行する(S5)。例えば、「平衡状態におけるグラファイトの熱揺らぎ」、「滑りのダイナミクス」の項で示したような計算が実行される。   Then, structural calculation or dynamic calculation is executed (S5). For example, the calculations shown in the sections of “thermal fluctuation of graphite in equilibrium” and “slip dynamics” are executed.

このようなシミュレーションは、粗視化された剛体シートについての力を印加したり上部のものを移動させたりして行う。従って、計算を比較的簡単なものとして、かつ相互ポテンシャルや、拡散係数については原子レベルの影響を考慮した計算を行うことができる。   Such a simulation is performed by applying a force on the coarse-grained rigid sheet or moving the upper one. Therefore, the calculation can be performed with a relatively simple calculation, and the mutual potential and diffusion coefficient can be calculated in consideration of the influence of the atomic level.

このような計算が終了した場合には、実行結果が出力される(S6)。すなわち、対象となった層状化合物が各種の条件でどのような挙動を示すかシミュレートされ、この結果により、対象となる層状化合物の評価や、所定の条件に適切な層状化合物の構造などを把握できる。   When such calculation is completed, an execution result is output (S6). In other words, the behavior of the target layered compound under various conditions is simulated, and as a result, the target layered compound is evaluated and the structure of the layered compound appropriate for the specified condition is determined. it can.

従来、層状化合物片が一層のシートにつきNxy個あり、全体がNz層により構成される場合、全原子模型による分子シミュレーションではNxy×Nz個の粒子を扱う必要があり膨大な計算時間を必要とした。一例として、原子間力顕微鏡上のチップに付着したグラファイト移着片は、Nxyが数万、Nzが数十であり、ひとつの物理量を計算するために大型計算機により数ヶ月の計算を必要とした。本実施形態によれば、層状化合物の各層を構成する原子の振動の影響は各層単位での相互作用および拡散係数に繰り込むことができるという特徴に基づき内部自由度を限定することで、取り扱う粒子数はNz個に減少しNxy倍計算が高速化される。   Conventionally, when the number of layered compound pieces is Nxy per sheet, and the whole is composed of Nz layers, it is necessary to handle Nxy × Nz particles in the molecular simulation based on the all-atom model, which requires enormous calculation time. . As an example, the graphite transfer piece attached to the tip on the atomic force microscope has Nxy of several tens of thousands and Nz of several tens, and it requires several months of calculation by a large computer to calculate one physical quantity. . According to this embodiment, the influence of the vibration of the atoms constituting each layer of the layered compound can be transferred to the interaction and diffusion coefficient in each layer unit, limiting the internal degrees of freedom, thereby handling particles The number is reduced to Nz, and Nxy times calculation is speeded up.

その上で、層間相互作用などは微視的な計算に基づくため、各化合物ごとの特性を再現することができる。これにより新規層状化合物の分子設計を行うことができる。さらに本手法では、層の膜厚方向の拡散係数は小さく、これに直角方向の拡散係数は大きい、というように系の異方性を取り入れるため、層状化合物の特性を反映した計算を実現できる。   In addition, since the interlayer interaction and the like are based on microscopic calculations, the characteristics of each compound can be reproduced. Thereby, the molecular design of a novel layered compound can be performed. Furthermore, in this method, since the system anisotropy is taken such that the diffusion coefficient in the thickness direction of the layer is small and the diffusion coefficient in the direction perpendicular thereto is large, it is possible to realize a calculation reflecting the characteristics of the layered compound.

「参考文献」
上述の説明において、引用した文献を以下に示す。
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[9] M. Hodak LA Girifalco and RS Lee. Aaa. Phys. Rev. B., Vol. 62, p. 13104, 2000.

Claims (6)

層状化合物について各層を力学的単位となる剛体シートとして粗視化し、
粗視化した各層の剛体シートについて、隣接層の剛体シートとの層間相互作用、内部振動に起因する内部作用を決定し、
その後に、複数層の剛体シートからなる層状化合物の挙動についての計算を行うことを特徴とするシミュレーションシステム。
Coarse each layer of the layered compound as a rigid sheet that is a mechanical unit,
For the rigid sheet of each layer coarse-grained, determine the interlayer interaction with the rigid sheet of the adjacent layer, the internal action due to internal vibration,
After that, a simulation system characterized in that the calculation of the behavior of the layered compound composed of a plurality of layers of rigid sheets is performed.
請求項1に記載のシミュレーションシステムにおいて、
前記層間相互作用は、相互ポテンシャルを含み、相互ポテンシャルは電子レベルおよび原子レベルの微視的なシミュレーションにより決定することを特徴とするシミュレーションシステム。
The simulation system according to claim 1,
The interlayer interaction includes a mutual potential, and the mutual potential is determined by microscopic simulation at an electron level and an atom level.
請求項2に記載のシミュレーションシステムにおいて、
相互作用ポテンシャルが、二次元の周期性および末端効果の少なくとも1つを有するものであることを特徴とするシミュレーションシステム。
The simulation system according to claim 2,
A simulation system, wherein the interaction potential has at least one of a two-dimensional periodicity and a terminal effect.
請求項1に記載のシミュレーションシステムにおいて、
前記内部作用は、原子レベルの微視的なレベルにおいて決定することを特徴とするシミュレーションシステム。
The simulation system according to claim 1,
The simulation system characterized in that the internal action is determined at a microscopic level at an atomic level.
請求項1〜4のいずれか1つに記載のシミュレーションシステムにおいて、
さらに、2つの固体原子層に挟まれた層状化合物に対して圧力およびせん断を印加し、せん断応力を含む力学的応答を得ることにより、層状化合物の挙動をシミュレーションすることを特徴とするシミュレーションシステム。
In the simulation system according to any one of claims 1 to 4,
Furthermore, a simulation system characterized by simulating the behavior of a layered compound by applying pressure and shear to a layered compound sandwiched between two solid atomic layers to obtain a mechanical response including shear stress.
コンピュータに、
層状化合物について各層を力学的単位となる剛体シートとして粗視化させ、
粗視化した各層の剛体シートについて、隣接層の剛体シートとの層間相互作用、内部振動に起因する内部作用を決定させ、
その後に、複数層の剛体シートからなる層状化合物の挙動についての計算を行わせる、
ことを特徴とするシミュレーションプログラム。
On the computer,
For each layered compound, each layer is coarse-grained as a rigid sheet that is a mechanical unit,
For the coarse sheet of each layer, the interlayer interaction with the rigid sheet of the adjacent layer, the internal action due to internal vibration is determined,
After that, the calculation of the behavior of the layered compound consisting of multiple layers of rigid sheets is performed.
A simulation program characterized by that.
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