分子動力学法によるダスト粒子間相互作用の解明と大規模並列計算で探るダスト成長過程

使用分子动力学方法阐明灰尘颗粒之间的相互作用，并使用大规模并行计算研究灰尘生长过程

• 批准号: 22KJ0859
• 负责人: 吉田 雄城
• 金额: $ 1.09万
• 依托单位: The University of Tokyo
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2023
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2023-03-08 至 2024-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-22KJ0859/
• 关键词: ダスト; ダストモノマー; 分子動力学; JKR理論

惑星材料であるダストの成長は数値計算によって調べられている。ダストは多数のモノマー(微粒子)が合体して形成されたものである。数値計算ではモノマー運動を計算しており、その際にモノマーに働く力として、2球の接触相互作用を与えるJKR理論が用いられているが、JKR理論では分子の効果を考慮していない。本研究では分子動力学シミュレーションを用いて、ミクロ物理を考慮したJKR理論の見直しを行った。我々は2球のモノマー正面衝突シミュレーションを行い、2球間に働く力や付着確率、跳ね返り後の速度などのサイズ、衝突速度、温度依存性を調べた。その結果、JKR理論では予想できない運動エネルギー散逸が見られ、特に衝突速度依存性では高速度衝突における塑性変形によるエネルギー散逸が確認できた。温度依存性では、高温ほど付着確率が増加することが分かった。本研究は、これらの結果に対してエネルギーの観点で注目することにより、マクロ的描像ではモノマー運動エネルギーが散逸する現象は、ミクロ的描像ではモノマー中の分子が持つ熱エネルギーとポテンシャルエネルギーへの変化であることを示した。特に高速度衝突による塑性変形や高温時の結果は、モノマー変形によるポテンシャルエネルギー変化が主な原因であることが分かった。本研究で明らかにしたJKR理論とシミュレーションの差に対し、シミュレーションを再現するための2球間に生じる摩擦のような散逸力を追加することにより、JKR理論の見直しを試みた。本研究ではKrijt et al. (2013)を参考に、2球の相対速度と接触面の半径に依存するモデルを考え、モデルの妥当性を検証した。その結果、相対速度の3乗と接触半径の3/2乗に比例する散逸力モデルがシミュレーションを再現し、より現実的な接触相互作用になることが分かった。現在、これらの結果について論文を執筆中である。

尘埃是一种行星材料，人们已经通过数值计算对其生长进行了研究。粉尘是由许多单体（细颗粒）组合而成。数值计算中，计算单体运动，采用给出两个球体接触相互作用的JKR理论作为作用在单体上的力，但JKR理论没有考虑分子效应。在这项研究中，我们利用分子动力学模拟来回顾 JKR 理论，同时考虑到微观物理学。我们对两个单体球进行了正面碰撞模拟，并研究了两个球之间作用力的大小、碰撞速度和温度依赖性、粘附概率以及反弹后的速度。结果，观察到了JKR理论无法预测的动能耗散，特别是在冲击速度依赖性中，确认了高速碰撞中由于塑性变形而导致的能量耗散。关于温度依赖性，发现粘附的可能性随着温度的升高而增加。在本研究中，我们从能量角度关注这些结果，发现宏观图像中单体动能的耗散是微观图像中单体中分子所拥有的热能和势能的变化。表明特别是，人们发现高速碰撞引起的塑性变形和高温下的结果主要是由单体变形引起的势能变化引起的。针对本研究中揭示的 JKR 理论与模拟之间的差异，我们尝试通过添加耗散力（例如两个球之间发生的摩擦力）来修正 JKR 理论，以重现模拟。在本研究中，参考Krijt等人（2013），我们考虑了一个取决于两个球的相对速度和接触面半径的模型，并验证了该模型的有效性。结果发现，与相对速度的立方和接触半径的 3/2 次方成正比的耗散力模型再现了模拟，并产生了更真实的接触相互作用。我们目前正在写一篇关于这些结果的论文。

项目成果

分子動力学シミュレーションで探るダストモノマー間相互作用: JKR 理論の拡張

使用分子动力学模拟探索灰尘单体之间的相互作用：JKR 理论的扩展

• 发表时间: 2022
• 作者: 吉田雄城;小久保英一郎;田中秀和
• 通讯作者: 田中秀和

分子動力学シミュレーションで探るダストモノマー間相互作用: JKR理論の拡張

使用分子动力学模拟探索灰尘单体之间的相互作用：JKR 理论的扩展

• 发表时间: 2023
• 作者: 吉田雄城;小久保英一郎;田中秀和
• 通讯作者: 田中秀和

分子動力学シミュレーションで探るダストモノマー間相互作用: JKR付着モデルの拡張

使用分子动力学模拟探索灰尘单体之间的相互作用：JKR 附着模型的扩展

• 发表时间: 2022
• 作者: 吉田雄城;小久保英一郎;田中秀和
• 通讯作者: 田中秀和

分子動力学シミュレーションで探るモノマー間相互作用

使用分子动力学模拟探索单体之间的相互作用

• 发表时间: 2022
• 作者: 吉田雄城;小久保英一郎;田中秀和
• 通讯作者: 田中秀和

Simulating dust monomer collisions: expansion of the JKR theory

模拟尘埃单体碰撞：JKR 理论的扩展

• 发表时间: 2022
• 作者: Yuki Yoshida;Eiichiro Kokubo;Hidekazu Tanaka
• 通讯作者: Hidekazu Tanaka