固体材料の強度と物性評価のための分子動力学法入門 [単行本]

固体材料の強度と物性評価のための分子動力学法入門 の 商品概要

• 目次

  1．分子動力学法とは
  1.1　分子動力学法の概要と歴史　
  1.2　材料強度物性評価における分子動力学法の位置づけ　
  　1.2.1　分子動力学法の長所と短所　
  　1.2.2　モデリングなのか，数値実験なのか　
  1.3　汎用ソフトウェア　
  
  2．分子動力学法の基礎
  2.1　原子に働く力とポテンシャル関数　
  2.2　運動方程式と数値積分　
  　2.2.1　Verlet法　
  　2.2.2　速度Verlet法　
  　2.2.3　Gearの予測子・修正子法　
  2.3　周期系における計算　
  　2.3.1　周期境界条件　
  　2.3.2　カットオフ距離　
  　2.3.3　bookkeeping（粒子登録）法　
  　2.3.4　領域分割（セルインデックス）法　
  2.4　アンサンブルと温度・応力制御　
  　2.4.1　速度スケーリング法による温度制御　
  　2.4.2　Nosé-Hoover法による温度制御　
  　2.4.3　圧力（応力）制御法　
  　2.4.4　圧力・温度制御法　
  　2.4.5　拡張系MDにおける仮想質量設定　
  2.5　構造緩和計算　
  　2.5.1　BFGS法　
  　2.5.2　gloc　
  　2.5.3　FIRE　
  2.6　ポテンシャル計算に関連する手法　
  　2.6.1　クーロンエネルギーの計算法　
  　2.6.2　カットオフの取扱い　
  コーヒーブレイク：シミュレーションの「地位」
  
  3．原子間ポテンシャル
  3.1　2体間ポテンシャル　
  　3.1.1　Morseポテンシャル　
  　3.1.2　LJポテンシャル　
  　3.1.3　Buckinghamポテンシャル　
  　3.1.4　BMHポテンシャル　
  　3.1.5　2体間ポテンシャルの問題点　
  3.2　3体間ポテンシャル　
  　3.2.1　SWポテンシャル　
  　3.2.2　Tersoffポテンシャル　
  3.3　多体ポテンシャル　
  　3.3.1　EAM（原子挿入法）ポテンシャル　
  　3.3.2　MEAMポテンシャル　
  　3.3.3　ADP　
  3.4　ボンドオーダーポテンシャル（BOP）　
  　3.4.1　EDIP　
  　3.4.2　Brenner（REBO）ポテンシャル　
  3.5　より複雑なポテンシャル　
  　3.5.1　シェルモデル・ダイポールモデル　
  　3.5.2　電荷移動ポテンシャル・反応力場（ReaxFF）　
  　3.5.3　機械学習ポテンシャル　
  コーヒーブレイク：機械学習ポテンシャルの商業化
  
  4．分子動力学法による物性評価
  4.1　表面・界面のエネルギーと応力　
  　4.1.1　表面・界面エネルギー　
  　4.1.2　表面応力　
  4.2　バルク部の応力の評価　
  　4.2.1　原子系における応力の定義　
  　4.2.2　ビリアル定理による応力の算出　
  　4.2.3　応力分布の評価法　
  4.3　理想強度評価と結晶すべり　
  　4.3.1　理想強度　
  　4.3.2　GSF（一般化積層欠陥）エネルギー　
  　4.3.3　結晶すべりの可視化　
  4.4　構造安定性と臨界荷重の評価　
  　4.4.1　変形解析と構造緩和　
  　4.4.2　不安定平衡の問題　
  コーヒーブレイク：MDは「異端」？
  
  5．プログラミング演習
  5.1　MDコア部分の実装　
  　5.1.1　原子3個の配置　
  　5.1.2　Verlet法の実装　
  　5.1.3　3次元への拡張とエネルギー計算　
  　5.1.4　cfgファイルの書き出しと可視化　
  5.2　周期境界条件の実装　
  　5.2.1　結晶構造ファイルの作成　
  　5.2.2　結晶モデルの計算　
  　5.2.3　bookkeeping法の実装　
  　5.2.4　温度制御　
  　5.2.5　応力計算　
  　5.2.6　平衡状態の格子定数の計算　
  5.3　ナノワイヤモデルの引張解析　
  　5.3.1　1次元周期境界の適用　
  　5.3.2　原子構造緩和　
  　5.3.3　準静的引張解析　
  　5.3.4　引張解析の継続　
  　5.3.5　緩和前加熱　
  5.4　EAMの実装　
  　5.4.1　メッシュデータの利用　
  　5.4.2　メッシュデータの作成　
  コーヒーブレイク：コードを書くべきか
  
  補遺
  A.1　Ewald法の式の導出　
  　A.1.1　式(A.3)の証明　
  　A.1.2　式(A.15)の証明　
  　A.1.3　式(A.19)の証明　
  A.2　Tersoffポテンシャルにおける力の表式　
  　A.2.1　初期バージョン　
  　A.2.2　bの微分項　
  　A.2.3　ζの微分項　
  　A.2.4　Multicomponentバージョン　
  　A.2.5　カットオフ関数の微分項　
  
  引用・参考文献
  索引

• 出版社からのコメント

  原子レベルの動的挙動をシミュレーションにより観察する分子動力学法について，固体材料に対象を絞り，基礎理論から解説。

• 内容紹介

  【読者対象】
  本書は，分子動力学法（MD）を固体材料の強度・物性評価に応用したい学生や若手研究者を主な読者として想定しています。意欲ある学部生や他分野からの読者にも理解できるよう，予備知識がなくても読み進められる構成としています。
  
  【書籍の特徴】
  本書は，MDを用いて固体材料の強度や物性を評価するための理論と実践を，初学者にもわかりやすくまとめた入門書です。従来のMD教科書は液体や気体を対象としたものが多く，固体の機械的性質や構造安定性を扱った書籍は限られていました。本書はその空白を埋め，固体の変形・破壊・界面現象を原子レベルで理解したい方に向けて執筆されています。
  理論だけでなく，シミュレーション実行に必要な計算手法と実務的知識を丁寧に解説している点も特徴です。周期境界条件や構造緩和，長距離相互作用，応力・エネルギー計算など，固体解析で欠かせない要素を具体例とともに紹介しています。また，なぜその手法が必要なのかという物理的背景の理解を重視し，研究への応用を意識した構成としています。
  また，Pythonによる簡易な分子動力学プログラムを作成・実行する演習を用意しており，アルゴリズムの仕組みを実践的に学べます。既存ソフトを「使う」だけでなく，「仕組みを理解し改良する」力を養うことができます。著者のGitHubにプログラム例も公開されています。
  さらに，各章の合間に「コーヒーブレイク」と題した小コラムを設け，研究経験やシミュレーションに関する話題を紹介しています。専門書でありながらも肩の力を抜いて読める構成です。最新の機械学習ポテンシャルにも触れ，今後のMD研究の発展を展望しています。理論・実践・展望を一冊で学べる点が，本書の最大の特徴です。
  
  【各章について】
  第1章：MDの歴史と基本概念，固体材料研究における位置づけを解説。
  第2章：原子に働く力，運動方程式，積分法，温度・圧力制御，構造緩和など基礎理論を整理。
  第3章：主要な原子間ポテンシャル（EAM，Tersoff，REBOなど）を紹介し，機械学習ポテンシャルにも触れています。
  第4章：表面・界面エネルギー，応力，理想強度などの評価法を示し，強度解析への応用を解説。
  第5章：段階的なプログラム演習を通じ，ナノワイヤの変形解析までを実践的に学べます。
  第6章：Ewald法やTersoffポテンシャルの導出など，理論を深く理解するための補足を収録。
  
  【読者へのメッセージ】
  分子動力学法は，原子の運動を直接「見る」ことができる数少ないシミュレーション手法です。固体の強度や変形のメカニズムを原子レベルで理解することは，未来の材料設計に欠かせない基盤技術となりつつあります。
  本書を通じて，MDの理論を「知る」だけでなく「使いこなす」力を身につけ，研究や開発に応用できるようになることを願っています。そして何より，「シミュレーションで物理現象を再現する面白さ」を実感していただければ幸いです。
  
  図書館選書
  原子レベルの動的挙動をシミュレーションにより観察する分子動力学法について，固体材料に対象を絞り，それらの機械的特性評価のために同手法の基礎理論から解説。さらに，同手法のプログラミング演習を初歩の段階から掲載。

• 著者紹介（「BOOK著者紹介情報」より）（本データはこの書籍が刊行された当時に掲載されていたものです）

  梅野 宜崇(ウメノ ヨシタカ)
  １９９５年　京都大学工学部物理工学科卒業。２０２１年　東京大学生産技術研究所教授。現在に至る

固体材料の強度と物性評価のための分子動力学法入門 の商品スペック