Research Results 研究成果
液晶の复雑な秩序构造の形成メカニズムを解明
～连続体シミュレーションと机械学习构造判定による新戦略～理学研究院
福田 顺一 教授
2024.12.03研究成果Physics & Chemistry
ポイント
- 液晶や高分子といったソフトな机能材料（ソフトマテリアル）において、分子の集合体が示す复雑な秩序构造の形成过程を明らかにすることは困难な问题であった。
- 本研究では连続体シミュレーションと机械学习を组み合わせることで、液晶の3次元秩序构造が変化してゆく过程、特に金属のマルテンサイト変态に似た双晶构造（※1）の形成メカニズムを解明することに成功した。
- ソフトマテリアルに限らず、様々な材料や状况で见られる、复雑な秩序构造の形成メカニズムを解明することが期待される。
概要
液晶や高分子といった柔らかい物質群（ソフトマテリアル）は、構成する分子の集合体が複雑な秩序構造を自発的に形成することが知られています。ある秩序構造から別の秩序構造への構造転移のメカニズムの解明は、物理学や数学といった基礎科学の興味深い問題であるのみならず、材料設計や加工といった応用の観点からも重要な問題です。しかし、概してソフトマテリアルの秩序構造では、複雑な単位構造が集合してさらに複雑な高次の構造を形成するといった構造の階層性が、構造転移の詳細なメカニズムの解明を難しくしています。さらに、「この场所の構造（局所的な秩序構造）は何か」を的確かつ客観的に判定することも容易ではありません。
九州大学大学院理学研究院の福田順一教授、および産業技術総合研究所 機能材料コンピュテーショナルデザイン研究センターの高橋和義主任研究員（科学技術振興機構(JST)さきがけ研究員兼任）は、分子が集合体として示す秩序に着目する連続体シミュレーションと、機械学習に基づく局所的な秩序構造の判定を組み合わせることで、構造転移に関する難問の解明に取り組みました。具体的には、液晶が示す複雑な3次元秩序構造である、コレステリックブルー相（※2）と呼ばれる2种类の构造（叠笔滨、叠笔滨滨）の间の転移を研究主题としました。叠笔滨滨から叠笔滨への构造転移において、金属结晶のマルテンサイト変态によって生じるものと似た双晶构造が生成されることが実験によって示されていますが、详细な构造転移のメカニズムは明らかになっていませんでした。本研究により、叠笔滨滨から叠笔滨への构造転移は、叠笔滨滨に含まれる线欠陥（※3）のジャンクションが切れることで开始されることをまず见出しました。また、ある向きの叠笔滨からなる小さい领域がまず生じた后、それとは异なる向きの叠笔滨の领域が隣接して生じることにより双晶构造が生成することを明らかにしました。
连続体シミュレーションと、机械学习による构造判定の协働は、本研究で取り组んだ液晶の问题に限らず、様々なソフトマテリアル、あるいはその他の材料で生じる复雑な秩序构造について、その构造形成、転移のメカニズム解明をもたらすものと期待されます。
本研究成果は、米国の国際学術誌「Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America (PNAS)」のオンライン版に2024年12月3日（火）に掲載されました。
研究者からひとこと
构造転移が进む様子。グレーは叠笔滨滨、他の色は叠笔滨（色の违いは秩序の向きの违い）
液晶の复雑な构造転移がどう进行しているかが、机械学习を用いた解析で明瞭に见えたことに感动しました。今回用いた手法は幅広い问题に适用可能であり、液晶に限らない様々な材料の构造転移のメカニズムをターゲットにして、研究を进めていきたいと考えています。
用语解説
(※1) マルテンサイト変態、双晶構造
金属结晶の中には、原子が拡散运动を行うことなく构造転移をするものがあり、そのような局所的な原子配置の変化によって起こる构造転移をマルテンサイト変态と呼ぶ。マルテンサイト変态の际には、异なる向きを持った结晶格子が、その境界において原子を共有する形でつながることがあり、异なる向きを持った结晶格子がそのような形で共存しているものを双晶构造と呼ぶ。
(※2) コレステリックブルー相
镜映対称性のない液晶が示す3次元秩序构造。液晶の配向秩序（液晶の分子集団の向きが示す秩序）が复雑にねじれており、线欠陥(※3)も構造の中に含まれる。安定なコレステリックブルー相は3種類が知られているが、そのうちBPI、 BPIIと呼ばれる2種類は立方対称性を持ち、図1に示すような立方体の単位格子からなる。
(※3) 線欠陥
秩序が定義できない场所があり、連続的に周りの秩序を変化させることでそのような场所を取り除けない場合、それを位相欠陥と呼ぶ。線欠陥とは、特にそれが線状の構造をとっている場合である。本研究では「秩序」とは液晶の配向秩序のことである。
论文情报
掲載誌：Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America (PNAS)
タイトル：Direct simulation and machine learning structure identification unravel soft martensitic transformation and twinning dynamics
著者名：Jun-ichi Fukuda and Kazuaki Z. Takahashi
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