도쿄 대학 대학원 공학계 연구과의 시부타 야스시 교수, 교토 공예 섬유 대학 기계 공학계의 타카기 치히로 준 교수, 홋카이도 대학 대학원 공학 연구원의 오노 종일준 교수 등의 연구팀은 대규모 분자 동역학 법 시뮬레이션에 의해 순금속 과냉각 융액으로부터의 균질핵 생성 과정을 재현하여, 균질핵 생성 중에 국소적인 불균일성이 발현되는 것을 발견하였다.
핵생성은 응고 과정에서 액체 중에 국소적인 결정이 발생하는 등의 다른 열역학적 상태가 출현하는 현상으로 소재 산업이나 반도체 산업에서 중시된다.그러나, 현실의 환경에서는 불순물이나 용기의 벽으로부터 핵생성이 일어나기 때문에, 균질핵생성을 관찰하는 것은 곤란했다.모든 원자의 위치와 속도를 추적하는 분자동역학법 시뮬레이션에서는 다량의 원자를 액체와 개체 등 2상태의 시간 스케일로 시뮬레이션할 필요가 있기 때문에 계산계의 시공간 스케일의 한계가 있었다.
연구팀은 이번, GPU 스파콘 「TSUBAME 2.5」상에서, GPU용의 독자적인 분자 동역학법 코드를 이용해, 512 GPU를 병렬한 분자 동역학법 시뮬레이션을 실시했다.구체적으로는 10억 이상의 원자로 이루어진 순철융액을 과냉각 상태로 유지하여 핵생성이 일어나는 과정을 관측하였다.
그 결과, 과냉각 융액 중에 발현된 선행 핵 주위의 액체에 20면체의 국소 구조가 증가하여, 다수의 위성핵을 유발하고 있는 것을 발견하였다.또한, 일부 선행 핵 표면으로부터 입계 에너지의 작은 특정 방위 관계를 가진 다른 결정립이 불균질 핵 생성하는 것도 발견하고, 균질 핵 생성 중에도 국소적인 불균일성이 있음을 밝혔다.
이 연구의 성과는 현상의 프로세스를 원자 수준에서 재현함으로써 얻어졌다고 하고, 재료의 실제 프로세스를 고도화하기 위한 지견을 준다고 한다.
논문 정보:【Nature Communications】Heterogeneity in homogeneous nucleation from billion-atom molecular dynamics simulation of solidification of pure metal
