相互作用の時間ゆらぎに基づいたイオン伝導機構の深化

基于相互作用时间涨落的离子输运机制的深化

基本信息

批准号：
21H02038
负责人：
大窪貴洋
金额：
$ 11.15万
依托单位：
Chiba University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
财政年份：
2021
资助国家：
日本
起止时间：
2021-04-01 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

高いイオン伝導度を示す無機固体電解質の開発が活発に行われ，結晶構造に基づく静電的相互作用や空隙サイズのような静的な原子配列に基づいたイオン伝導機構が論じられている。このような静的な構造に加えて時間的に変化する互作用(時間ゆらぎ)が伝導特性と関係すると考え、核磁気共鳴実験により時間ゆらぎする相互作用の観察と分子シミュレーションによる実験データを解釈を行った。核磁気共鳴実験では、核間距離を反映する核双極子相互作用に着目し、これを観察するためのパルスシーケンスの整備と解析コードの整備を行った。分子シミュレーションによる解析では、対象材料の大規模分子シミュレーションが行えるよう第一原理計算を再現する古典分子動力学計算用の力場を開発した。力場パラメータは、大域的最適解を得るために差分進化法を用いて最適化した。ポテンシャル関数には、原子間の結合距離、結合角、および二面角等を変数にもつClass II（COMPASS）ポテンシャルと、Stillinger-Weberポテンシャルの3体項を組み合わせて用いた。これに加え、ユニット間の電荷比を保ったまま原子の部分電荷の最適化を行うことで、実験的に観測されたユニット比に基づいて溶融急冷によりガラス構造を作製することが可能となった。3体ポテンシャルは相互作用の精度向上を目的として用いた。次に、最適化した力場パラメータの検証として約8000原子の分子動力学計算を行い、実験またはAIMDで得られた格子定数、動径分布関数、構造因子および導電率等について比較した。検証データには力場パラメータの開発で用いた6つの化合物に加え、新たに硫化物ガラスを用いた。検証結果、結晶・ガラス構造およびイオン伝導度を開発した力場を用いた分子動力学でよく再現できることを確認した。

人们正在积极开发具有高离子电导率的无机固体电解质，并正在讨论基于晶体结构和静态原子排列（例如孔径）的静电相互作用的离子传导机制。除了这样的静态结构之外，我们认为时变相互作用（时间波动）与传导特性有关，并且我们通过核磁共振实验观察到时变相互作用，并通过分子模拟解释了实验数据。在核磁共振实验中，我们关注反映核间距离的核偶极子相互作用，并开发了脉冲序列和分析代码来观察这一点。为了使用分子模拟进行分析，我们开发了用于经典分子动力学计算的力场，可重现第一原理计算，以便可以对目标材料进行大规模分子模拟。采用差分进化方法对力场参数进行优化，得到全局最优解。对于势函数，我们使用了 II 类 (COMPASS) 势的三体项和 Stillinger-Weber 势的组合，该势具有原子间键距、键角和二面角等变量。此外，通过优化原子的部分电荷，同时保持单元之间的电荷比，可以根据实验观察到的单元比通过熔化和淬火来制造玻璃结构。三体势用于提高相互作用的准确性。接下来，为了验证优化后的力场参数，我们对约 8000 个原子进行了分子动力学计算，并比较了实验或 AIMD 获得的晶格常数、径向分布函数、结构因子和电导率。除了用于开发力场参数的六种化合物之外，还使用了一种新型硫化物玻璃来验证数据。验证结果证实，利用所开发的力场，分子动力学可以很好地再现晶体/玻璃结构和离子电导率。

项目成果

期刊论文数量（14）

专著数量（0）

科研奖励数量（0）

会议论文数量（0）

专利数量（0）

Elucidating the Atomic Structures of the Gel Layer Formed during Aluminoborosilicate Glass Dissolution: An Integrated Experimental and Simulation Study

阐明铝硼硅酸盐玻璃溶解过程中形成的凝胶层的原子结构：综合实验和模拟研究

DOI：
10.1021/acs.jpcc.1c10463
发表时间：
2022
期刊：
The Journal of Physical Chemistry C
影响因子：
0
作者：
Furutani Kenta;Ohkubo Takahiro;Du Jincheng;Ohara Koji;Deguchi Kenzo;Ohki Shinobu;Shimizu Tadashi;Inagaki Yaohiro;Matsubara Ryuta;Ishida Keisuke
通讯作者：
Ishida Keisuke

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