3次元氷結晶パターンのフェーズフィールド及び分子動力学シミュレーションによる研究

使用相场和分子动力学模拟研究 3D 冰晶图案

基本信息

批准号：
04F04778
负责人：
古川義純
金额：
$ 1.54万
依托单位：
Hokkaido University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2004
资助国家：
日本
起止时间：
2004 至 2006
项目状态：
已结题

项目摘要

過冷却水中で成長する氷結晶は、薄い円盤状成長から円盤の縁での界面不安定化の発生を経て、樹枝状成長へと時間発展する。このとき、結晶パターンは、三次元的に極めて非対称な構造(対称性の破れ)を持つ。すなわち、界面張力の異方性と界面カイネティクスの異方性が結晶のパターン形成に同時に関与しているためであるが、その形態不安定化とパターン形成機構を解明するために、氷結晶成長実験を行った。結晶のパターン発展は、マッハツエンダー干渉計を用いてその場観察され、得られた干渉縞の解析により氷の樹枝状パターンの発展を三次元的に解析した。本年度に、干渉縞画像から位相情報を抽出できる新しい画像解析手法を解析し、三次元パターンの時間発展を追跡することが可能になった。その結果、氷樹枝結晶のa軸方向(樹枝の軸方向)とそれに直交するc軸方向の成長速度の解析、さらに質量成長速度の解析などが可能になった。さらに、フェーズフィールドモデルにより、氷のパターン形成数理モデルの構築をおこなった。このモデルでは、異方性を持つパラメータとして界面張力と界面カイネティクスの2つを導入することで、それらの相互作用の仕方を明らかにすることを目指す試みである。このモデルにより、氷結晶の三次元パターンの発展のシミュレーションを行い、異方性の与え方により非対称な三次元パターンが出現する場合があることがわかった。現在、クラスターコンピュータによるシミュレーションの実施中であり、次年度はデータの解析を中心に研究を推進する。これらの成果は、米国結晶成長学会年会で発表するなど、国際会議へも積極的に参加した。また2005年9月には、この分野の第一人者Prof.Bilgram(スイス、ETH)が来日したため、本研究に関連して結晶の三次元形態形成に関する共同研究を実施した。

在过冷水中生长的冰晶随着时间的推移，从薄盘状生长，到盘边缘的界面不稳定，再到树枝状生长。此时，晶体图案具有三维极度不对称结构（破缺对称性）。换句话说，界面张力的各向异性和界面动力学的各向异性同时参与晶体图案的形成。为了阐明形态不稳定和图案形成机制，我们研究了冰晶体的生长。使用马赫-曾德干涉仪原位观察晶体图案的演变，并通过分析获得的干涉条纹对冰枝晶图案的演变进行三维分析。今年，我们分析了一种新的图像分析方法，该方法可以从干涉条纹图像中提取相位信息，从而可以跟踪三维图案的时间演变。结果，可以分析冰枝晶在a轴方向（枝晶的轴向）和与其垂直的c轴方向上的生长速率以及质量生长速率。此外，利用相场模型构建了冰纹形成的数学模型。该模型引入了两个各向异性参数：界面张力和界面动力学，试图阐明它们如何相互作用。使用该模型，我们模拟了冰晶中三维图案的演化，发现根据各向异性的赋予方式，可能会出现不对称的三维图案。目前正在使用集群计算机进行模拟，明年的研究将集中在数据分析上。这些成果在美国晶体生长学会年会上公布，我们也积极参加国际会议。此外，2005年9月，该领域的权威专家Bilgram教授（瑞士联邦理工学院）访问了日本，我们针对该研究开展了三维晶体形成的联合研究。