文責：椎木政人（2024年度講師），小林由央（2024年度D3）
液体金属中の物質・熱輸送は，金属材料の凝固・溶解・結晶成長プロセスを考える上で不可欠な現象です．金属原子が自発的に運動し濃度が高い方から低い方に移動する現象を「拡散」と呼び，原子の運動の速さを示す物性値を「拡散係数」と呼びます．本研究班では，「液体金属における拡散係数の予測モデルを構築する」ことを最終目的とし，拡散係数測定法の開発や分子動力学計算を用いた原子の微視的挙動の評価を行っています．
液体金属の拡散係数を高精度に測定するには，高温下において十分な対流抑制がなされた溶湯内の濃度分析を正確に行う必要があります．そこで本研究班では安定密度配置を用いた対流抑制とシアーセル法を組み合わせた測定や，蛍光X線分析による溶湯内の濃度を直接分析する方法を用いた測定を行っております．これらの測定法を通じて高精度な拡散係数データを取得しています．
また液体金属内の原子の運動を再現するため，分子動力学計算を用いて金属原子の軌道を計算し，fsオーダーでの原子の拡散挙動を評価しています．液体金属は合金系によって異なる短距離範囲構造・化学的秩序を示すことが知られています．これらの静的・熱力学的な性質が原子の動的な拡散挙動に対してどのように影響するかを評価しています．
図1 シアーセル法概略図
代表論文
Masato SHIINOKI, Akihito HIRATA, and Shinsuke SUZUKI, “Molecular Dynamics Simulation of Diffusion Behavior in Liquid Sn and Pb”, Metallurgical and Materials Transactions B, 55(2024)278, DOI:10.1007/s11663-023-02957-4.
Yoshihiro KOBAYASHI, Masato SHIINOKI, Seiya KATO, Tadahiko MASAKI, and Shinsuke SUZUKI, “Elimination of Systematic Error in Diffusion Measurement Using In-situ X-ray Fluorescence Analysis for Liquid Alloys”, International Journal of Microgravity Science and Application, 40(2023)400403, DOI:10.15011/jasma.40.400403.
Masato SHIINOKI, Noriyuki YAMADA, Anna TANAKA, and Shinsuke SUZUKI, “Prediction of Temperature Dependence of Impurity Diffusion Coefficients in Liquid Metal Based on a Hard-Sphere Model from Measurements Using Shear Cell Technique and Stable Density Layering”, Metallurgical and Materials Transactions B, 53(2022)29, DOI:10.1007/s11663-021-02319-y. Masato SHIINOKI, Yuki NISHIMURA, Kanemaru NOBORIBAYASHI, and Shinsuke SUZUKI, “Suppressing Natural Convection for Self-diffusion Measurement in Liquid Pb Using Shear Cell Technique by Stable Density Layering of Isotopic Concentration”, Metallurgical and Materials Transactions B, 52(2021)3846, DOI:10.1007/s11663-021-02300-9.
(2024/04/08 更新)