熱力学マップを用いた限られた観測からの相転移と臨界指数の推論 学術的背景 相転移（phase transitions）は自然界に普遍的に存在する現象であり、水の沸騰から磁性材料の強磁性-常磁性転移、さらにはタンパク質や核酸などの生体高分子の構造変化に至るまで、さまざまな科学分野で重要な役割を果たしています。しかし、特にデータが少ない場合や複雑な場合、相転移とその温度依存性を正確に定量化することは依然として大きな課題です。従来の統計力学的手法は相転移を研究するための理論的枠組みを提供していますが、実際の応用では、相転移領域のサンプリングが困難であるため、臨界温度、熱容量、臨界指数などの相転移特性を計算するには膨大な計算リソースが必要となります。 この問題を解決するため、Lukas Herron...

双半整数表面ディスクリネーションからなるキラルπドメインウォールの研究 学術的背景 強誘電体材料におけるπドメインウォール（π domain walls）は、異なる分極領域を分離する界面であり、その構造は基礎研究において重要な意義を持つだけでなく、多くの実用的な応用においても重要な価値を持っています。強誘電性ネマティック液晶（ferroelectric nematic liquid crystals）は、微視的な配向秩序と巨視的な自発分極を特徴とする極性流体です。従来の強誘電性結晶とは異なり、強誘電性ネマティック液晶は連続的な並進対称性を持ち、低駆動電場、高い光学非線形応答、極性トポロジー構造などの独特な特性を示します。これらの特性は科学的な意義を持つだけでなく、非線形光学や光電子応用におい...

光化学系IIにおける水酸化過程でのプロトン放出メカニズムの研究 学術的背景 光化学系II（Photosystem II, PSII）は自然界で唯一水分解を触媒する酵素であり、その反応は酸素を放出するだけでなく、生物質の合成に必要な電子を提供します。水分解反応で放出されたプロトンはチラコイド腔に入り、プロトン動力（proton-motive force, PMF）を形成し、ATPの合成を駆動します。近年、PSIIの構造と機能に関する研究が大きく進展していますが、水酸化反応の重要なステップ、特に脱プロトン化プロセスのメカニズムについてはまだ議論が続いています。本研究では、量子/古典（QM/MM）自由エネルギー計算と原子分子動力学（MD）シミュレーションを組み合わせ、PSIIにおける酸素発生マンガ...

軟らかい楕円体マイクロゲルの気-水界面における毛細管駆動自己組織化 研究背景 流体界面（例えば気-水界面）において、コロイド粒子の吸着は界面変形を引き起こし、異方性の界面媒介相互作用を生み出し、超構造を形成します。特に、軟らかい楕円体マイクロゲルは、その調整可能なアスペクト比、制御可能な機能性、および柔軟性のため、自発的な毛細管駆動自己組織化を研究するための理想的なモデルです。マイクロゲルは通常、ポリスチレン（PS）コアと架橋された蛍光標識ポリ（N-イソプロピルメタクリルアミド）（PNIPMAM）シェルで構成されています。ポリビニルアルコール（PVA）フィルムに埋め込まれた粒子を一軸延伸することで、アスペクト比（aspect ratio, ）を微調整できます。研究によると、アスペクト比は1...

背景紹介 近年、研究者たちはMott絶縁体中の電子-ホール結晶に強い関心を寄せています。この種の結晶は量子励起状態を実現し、反流超流性およびトポロジカル秩序のポテンシャルを持ち、長距離の量子絡み合いの特性を備えています。しかし、Mott絶縁体中における電子とホール結晶の共存に関する実験的証拠はまだ十分に示されていません。通常の条件下では、強い電子-電子相互作用が新しい結晶秩序の形成を駆動し、Wigner結晶やドープされたMott絶縁体中の電荷秩序現象を引き起こします。このタイプの電子結晶は、量子フラクチュエーションが多くの自由度を持って示される多体システムであり、これが量子シミュレーションに用いられています。 出典紹介 この研究論文は複数の研究機関の研究者たちによって共同執筆されました。主な...

実時間三次元解析イオンコロイド結晶化 背景と動機 分子結晶の研究では、構造は通常散乱技術によって同定されるため、内部構造を直接観察することはできません。ミクロンサイズのコロイド粒子は、その大きさのため、光学顕微鏡で結晶化過程を実時間で観察できますが、実際には「X線視野」の欠如という制限があります。この問題を解決するために、研究者らは屈折率マッチングされた蛍光標識コロイド粒子システムを開発し、イオン結晶の安定な形成を水溶液中で実証し、その構造がサイズ比と塩濃度によって制御可能であることを証明しました。 研究の出所 この研究は、ニューヨーク大学の化学科のShihao Zang、Adam W. Hauser、Sanjib Paul、Glen M. Hocky、Stefano Sacannaによって...

移動ヨウ素捕獲技術が高安定性のペロブスカイト太陽電池を推進 背景紹介 ペロブスカイト太陽電池 (Perovskite Solar Cells, PSCs) は、その高効率と低コストにより、将来の光伏発電の有力候補材料と見なされています。しかし、ペロブスカイト材料自身の安定性の問題、特に光分解（Photolysis）とイオン移動（Ion Migration）は、実際の応用において重大な影響を与えます。具体的には、ヨウ素イオン（Iodide）やヨウ素空孔（Iodine Vacancies）などの欠陥が光照射やバイアス条件下で自己加速的な化学反応を引き起こし、ペロブスカイト材料の迅速な劣化を引き起こします。したがって、ヨウ素関連の欠陥を捕捉し安定化する方法の探索は、PSCsの安定性を向上させるため...

生成型セルオートマトンを用いた金のキラル形態発生の研究 背景と研究目的 キラリティー（chirality）は自然界に遍在し、特定の分子相互作用や多スケール結合を通じてシステム間で伝播および増幅されることがある。しかし、キラリティー形成のメカニズムや成長過程の主要ステップはまだ完全には理解されていません。本研究では、実験結果に基づく生成型セルオートマトン（cellular automata, CA）人工ニューラルネットワークをトレーニングし、非キラルからキラル形態への金ナノ粒子の識別可能な二つの経路を特定しました。キラリティーは初期段階ではエナンチオマー高指数平面境界での非対称成長の性質によって決定されます。深層学習に基づくキラル形態生成の説明は、理論的理解を提供するだけでなく、未知の交差経路...

積層酸化物陰極における回転積層欠陥による電気化学的機械故障 背景紹介 電気化学的機械劣化は、高エネルギー密度陰極材料の容量低下の主な原因の一つであり、特にインターカレート型の積層酸化物材料に顕著です。本論文では、積層リチウム過渡金属酸化物に存在する回転積層欠陥（Rotational Stacking Faults, RSFs）の現象を明らかにし、これらの欠陥が特定の角度での積層シーケンスによって発生し、材料の構造と電気化学的安定性に顕著な影響を与えることを示しています。研究成果によると、RSFsは酸化物の二重化や過渡金属の移動を促進し、その結果として微小なひび割れの形成と伝播を促し、サイクル中に蓄積された電気化学的機械劣化を引き起こします。本論文では、熱欠陥除去を解決策として探索し、RSFs...

光誘導水解離におけるルチル二酸化チタン表面の電子と原子核の動力学研究 研究背景と動機 光触媒による水分解は光触媒技術の重要な応用の一つであり、二酸化チタン（TiO₂）はその有望な材料です。二酸化チタンは光触媒水分解において優れた性能を示していますが、その光誘導水解の微視的メカニズムは完全には解明されていません。本研究では、第一原理動的シミュレーションを用いて、典型的な水-ルチルTiO₂(110)界面上での光生成キャリアの伝送経路および光誘導水解プロセスを解析しました。この研究は光触媒表面反応の理解に重要な洞察を提供するだけでなく、光触媒性能の向上にも新たな可能性をもたらすかもしれません。 研究の出典と著者紹介 本研究は、北京凝縮態物理国家重点実験室および中国科学院物理研究所のYou Peiw...