Discovery Sagaサイレントキーワード俯瞰

水分子 / 相図 / 相転移 / カーボンナノチューブ / グラフェン / 熱力学 / 相転移ダイナミクス / 統計力学

単層ナノチューブ（CNT）の内部や外表面、グラフェンやシリカ表面に形成されるナノスケールの低次元構造の水分子の集合体に着目し、これらの特異な水素結合構造、相転移現象および相図（圧力－温度）を実験と理論によりに研究した。CNTの内外で水分子が特異な吸着構造をとり、相図や融点、水分子の運動の自由度がバルク水とは大いに異なることを明らかにした。グラフェンの表面では2層構造の吸着水が形成され、第1層目は、主として4員環構造からなる水素結合ネットワークを有するのに対し、2層目は無秩序構造であることが分かった。

物質表面やナノスケール空間における水分子の役割・機能は重要であるが、その構造や物性理解に必要不可欠な相図（圧力－温度）が明らかになっていなかった。本研究では、単層ナノチューブの内部や外表面、グラフェン表面等に形成されるナノスケールの低次元（1～2次元）構造の水分子の集合体に対して、分子レベルの構造を明らかにするとともに、特異な相転移現象および相図を解明した。これは、物質表面の水の新しい学理を先導する成果である。

スピングラス / 情報科学 / 相図 / 統計力学 / 情報 / ゲージ理論 / レプリカ法 / シャノンの定理 / マチス模型

情報科学とスピングラス理論の関係について系統的に検討した。符号分割多重通信方式の統計力学的取扱をしている研究の問題点を調べた。当該研究で導かれている結論のうちの主要部分が、レプリカ法を用いずに導けることを示し、結論の妥当性についての数学的基礎を確立した。加えて、レプリカ対称解の安定性の議論を精査し、最適復号条件の下では相空間の構造が複雑にはならないことを証明することにより、レプリカ対称解の局所安定性を超えた解の安定性を確立した。またNP完全問題のひとつである部分和問題について、統計力学の立場からの従来の研究の問題点を指摘した。エントロピーとエネルギーの関係についてのある仮定が実際には満たされてないことを示し、その点を改善すると結論がどう修正されるかを導いた。該当する従来の研究は、これまで部分和問題の厳密解だと考えられてきたが、本研究によって重要な誤りが含まれることが明らかになり、この種の問題に統計力学の手法を適用する際に注意するべき点が解明された。次に多体相互作用を持つスピン系における強磁性的相互作用と相図の構造の関連を、可解模型を厳密に解くことにより研究した。その結果、スピングラス的な相互作用の部分と強磁性的相互作用の部分の相対的な比が、各相(常磁性相、強磁性相、スピングラス相等)の出現に大きく影響を与えることが明らかになった。さらに、2次元スピングラスの持つ対称性をレプリカ法により研究し、多重臨界点の位置についての予想を提出した。

【研究分担者】
由井宏治	東京理科大学	理学部第一部化学科	教授	(Kakenデータベース)
山本貴博	東京理科大学	工学部教養	准教授	(Kakenデータベース)
伊藤哲明	東京理科大学	理学部第一部応用物理学科	准教授	(Kakenデータベース)
千足昇平	東京大学	大学院工学系研究科(工学部)	准教授	(Kakenデータベース)

【研究協力者】
小鍋哲

【研究分担者】
尾関之康	東京工業大学	大学院・理工学研究科	助手	(Kakenデータベース)