JP7452412B2 - How to search for diffusion routes - Google Patents
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Description
本発明は、拡散経路の探索方法に関する。 The present invention relates to a diffusion route search method.
各種材料について更なる性能向上を目的として、新規材料の探索や、物質を構成する元素の一部を置換する置換元素の探索等が盛んに行われている。 In order to further improve the performance of various materials, the search for new materials and the search for substitution elements that replace some of the elements constituting substances are actively being conducted.
上述のように新規材料や、置換元素等の探索を行う上で、目的とする物質の結晶内において、目的とする反応、機能等に影響を与える原子がどのような経路を通って移動、拡散するかを正確に把握することが好ましい。 As mentioned above, when searching for new materials and substitution elements, it is important to consider the routes through which atoms that affect the desired reaction, function, etc. move and diffuse within the crystal of the desired substance. It is preferable to know exactly what to do.
しかしながら、結晶内は元素が密に詰まっていることが多く、結晶を構成する原子間には僅かな隙間しかないように見える。このため、拡散経路を調べたい原子について、原子半径やイオン半径、van der Waals半径で原子の大きさを見積もると、結晶内の複数の隙間の大きさを比較して、該原子の拡散経路を特定することは困難であった。 However, the elements inside the crystal are often tightly packed, and there appear to be only small gaps between the atoms that make up the crystal. For this reason, if you estimate the size of an atom whose diffusion path you want to investigate using its atomic radius, ionic radius, or van der Waals radius, you can compare the sizes of multiple gaps in the crystal to determine the diffusion path of the atom. It was difficult to identify.
そこで上記従来技術が有する問題に鑑み、本発明の一側面では、結晶内における原子の拡散経路を効率的に探索することができる拡散経路の探索方法を提供することを目的とする。 In view of the problems of the above-mentioned conventional techniques, one aspect of the present invention aims to provide a method for searching for diffusion paths that can efficiently search for diffusion paths of atoms within a crystal.
上記課題を解決するため本発明の一態様によれば、
拡散経路探索に用いる結晶に含まれる、複数の原子の位置を設定する初期構造設定工程と、
前記初期構造設定工程で位置を設定した、複数の前記原子を用いて分子動力学計算を行う計算工程と、
前記計算工程で得られた、複数の前記原子の座標データについてウェーブレット解析を行い、複数の前記原子が動きやすい方向を求める分析工程と、
前記分析工程の結果から、複数の前記原子が動きやすい方向に位置する構造モデルを複数作成する構造モデル作成工程と、
前記構造モデル作成工程で作成した複数の前記構造モデルから、原子の拡散経路を探索する拡散経路探索工程と、を有する拡散経路の探索方法を提供する。
According to one aspect of the present invention to solve the above problems,
an initial structure setting step of setting the positions of multiple atoms included in the crystal used for diffusion route search;
a calculation step of performing molecular dynamics calculations using the plurality of atoms whose positions were set in the initial structure setting step;
an analysis step of performing wavelet analysis on the coordinate data of the plurality of atoms obtained in the calculation step and determining a direction in which the plurality of atoms are likely to move;
a structural model creation step of creating a plurality of structural models in which the plurality of atoms are located in directions where they are likely to move, based on the results of the analysis step;
The present invention provides a method for searching for a diffusion path, which includes a diffusion path searching step of searching for an atomic diffusion path from the plurality of structural models created in the structural model creation step.
本発明の一態様によれば、結晶内における原子の拡散経路を効率的に探索することができる拡散経路の探索方法を提供することができる。 According to one aspect of the present invention, it is possible to provide a method for searching for diffusion paths that can efficiently search for diffusion paths of atoms within a crystal.
以下、本発明を実施するための形態について説明するが、本発明は、下記の実施形態に制限されることはなく、本発明の範囲を逸脱することなく、下記の実施形態に種々の変形および置換を加えることができる。 Hereinafter, modes for carrying out the present invention will be described. However, the present invention is not limited to the following embodiments, and various modifications and variations may be made to the following embodiments without departing from the scope of the present invention. Substitutions can be added.
本実施形態の拡散経路の探索方法は、以下の工程を有することができる。
拡散経路探索に用いる結晶に含まれる、複数の原子の位置を設定する初期構造設定工程。
初期構造設定工程で位置を設定した、複数の原子を用いて分子動力学計算を行う計算工程。
計算工程で得られた、複数の原子の座標データについてウェーブレット解析を行い、複数の原子が動きやすい方向を求める分析工程。
The diffusion route search method of this embodiment can include the following steps.
Initial structure setting step to set the positions of multiple atoms included in the crystal used for diffusion route search.
A calculation process in which molecular dynamics calculations are performed using multiple atoms whose positions were set in the initial structure setting process.
An analysis process that performs wavelet analysis on the coordinate data of multiple atoms obtained in the calculation process to determine the direction in which multiple atoms are likely to move.
分析工程の結果から、複数の原子が動きやすい方向に位置する構造モデルを複数作成する構造モデル作成工程。
構造モデル作成工程で作成した複数の構造モデルから、原子の拡散経路を探索する拡散経路探索工程。
A structural model creation process in which multiple structural models are created based on the results of the analysis process, in which multiple atoms are positioned in directions where they are likely to move.
Diffusion path search step to search for atomic diffusion paths from multiple structural models created in the structural model creation step.
本発明の発明者は、結晶内における原子の拡散経路の効率的な探索方法について鋭意検討を行った。原子レベルの大きさで結晶構造を見ると、原子が密に詰まっている。しかし、原子が協奏的に動くと結晶内で過渡的な空間が形成され、拡散経路となる場合が多い。そこで、原子集団の揺らぎを複数の特徴的な動きに変換してこの動きを解析することで、特定の現象を見出すことが可能となる。 The inventor of the present invention has conducted extensive studies on an efficient method for searching for the diffusion path of atoms within a crystal. If you look at the crystal structure at the atomic level, the atoms are tightly packed. However, when atoms move in concert, a transitional space is formed within the crystal, which often serves as a diffusion path. Therefore, by converting the fluctuations of a group of atoms into multiple characteristic movements and analyzing these movements, it becomes possible to discover specific phenomena.
そこで、本実施形態の拡散経路の探索方法は、分子動力学法の結果から、ウェーブレット解析を用いて結晶内の複数の原子の動きを解析する。これにより、複数の原子が動きやすい方向を導き出し、該動きやすい方向に原子を配置した構造モデルから拡散経路を探索することで、効率的に拡散経路を導き出せることを見出し、本発明を完成させた。 Therefore, in the diffusion path search method of this embodiment, the movement of a plurality of atoms within a crystal is analyzed using wavelet analysis based on the results of the molecular dynamics method. As a result, the researchers discovered that it is possible to efficiently derive the diffusion path by deriving the direction in which multiple atoms are likely to move, and searching for the diffusion path from a structural model in which atoms are placed in the direction in which they are likely to move, thereby completing the present invention. .
各工程について以下に説明する。
(初期構造設定工程)
初期構造設定工程では、拡散経路探索に用いる結晶に含まれる、複数の原子の位置を設定することができる。すなわち、計算工程で用いる結晶が有する原子の初期座標を設定できる。
Each step will be explained below.
(Initial structure setting process)
In the initial structure setting step, the positions of a plurality of atoms included in the crystal used for diffusion route searching can be set. That is, the initial coordinates of atoms included in the crystal used in the calculation process can be set.
初期構造設定工程において、拡散経路探索に用いる結晶に含まれる複数の原子の位置を設定する具体的な方法は特に限定されない。例えば実験的に求めた、もしくは文献等に開示されている、該結晶の結晶構造に基づいて各原子の原子配置を設定し、初期構造とすることができる。 In the initial structure setting step, a specific method for setting the positions of a plurality of atoms included in the crystal used for diffusion route search is not particularly limited. For example, the atomic arrangement of each atom can be set based on the crystal structure of the crystal, which has been experimentally determined or disclosed in literature, etc., to obtain the initial structure.
初期構造設定工程において設定する初期構造には、拡散経路の探索を行う原子である拡散原子が含まれていても良く、含まれていなくても良い。すなわち、拡散原子を除いた骨格構造のみであっても良い。本実施形態の拡散経路の探索方法では、拡散原子以外の原子の移動により形成される空間の大きさから拡散経路を探索するため、拡散原子を含まない状態の結晶について計算、探索を行っても、その結果に大きな差異がないためである。
(計算工程)
計算工程では、初期構造設定工程で位置を設定した、複数の原子を用いて分子動力学計算を行うことができる。
The initial structure set in the initial structure setting step may or may not contain diffusion atoms, which are atoms that search for diffusion paths. That is, it may be only a skeletal structure excluding diffused atoms. In the diffusion route search method of this embodiment, the diffusion route is searched based on the size of the space formed by the movement of atoms other than the diffusing atoms. This is because there is no big difference in the results.
(calculation process)
In the calculation step, molecular dynamics calculations can be performed using a plurality of atoms whose positions were set in the initial structure setting step.
分子動力学計算は、原子の物理的な動きのコンピューターシミュレーション手法であり、ニュートンの運動方程式を数値的に解くことにより、原子の位置の時間発展を求めることができる。従って、計算工程を実施することで、初期構造設定工程で設定した複数の原子の座標の時系列変化を求めることができる。 Molecular dynamics calculation is a computer simulation method of the physical movement of atoms, and by numerically solving Newton's equation of motion, it is possible to determine the evolution of the position of atoms over time. Therefore, by performing the calculation step, it is possible to obtain time-series changes in the coordinates of a plurality of atoms set in the initial structure setting step.
分子動力学計算では、原子と原子間相互作用の情報は、ポテンシャルエネルギーを記述するための関数形と、そのパラメータセット(力場)で表される。 In molecular dynamics calculations, information about atoms and interactions between atoms is represented by a functional form for describing potential energy and its parameter set (force field).
計算工程において分子動力学計算で用いる力場の種類は特に限定されるものではなく、各種力場を用いることができる。例えば金属/合金系ではEAMやMEAM等、無機化合物系ではBuckingham、BKS、Clay-FF、CVFF_aug等、半導体系ではTersoff等、有機化合物系ではPCFF、Compass、MMFF、OPLS-AA、AMBER、CHARMM、UFF等を用いることができる。また、分極力場であるX-Pol、AMBER分極力場、CHARMM分極力場等や、反応力場であるReaxFF等の既存の力場や、必要に応じて自作した力場から選択された力場を用いることができる。 The type of force field used in the molecular dynamics calculation in the calculation process is not particularly limited, and various force fields can be used. For example, metal/alloy systems include EAM and MEAM, inorganic compound systems include Buckingham, BKS, Clay-FF, CVFF_aug, etc., semiconductor systems include Tersoff, and organic compound systems include PCFF, Compass, MMFF, OPLS-AA, AMBER, CHARMM, etc. UFF etc. can be used. In addition, forces selected from existing force fields such as polarization force fields such as X-Pol, AMBER polarization force field, and CHARMM polarization force field, and reaction force fields such as ReaxFF, as well as force fields created by yourself as necessary. You can use the field.
既存の力場では対象となる原子の電荷が規定されていない場合がある。その場合、RESP(Restrained ElectroStatic Potential)電荷やAM1-BCC(Bond Charge Correction)電荷等を用いることもできる。 Existing force fields may not specify the charge of the target atom. In that case, RESP (Restrained ElectroStatic Potential) charges, AM1-BCC (Bond Charge Correction) charges, etc. can also be used.
分子動力学計算に用いるプログラム(ソフトウェア)についても特に限定されないが、例えば、LAMMPSやDL_POLY、Gromacs(Groningen Machine for Chemical Simulations)、AMBER、CHARMM、NAMD等の既存のプログラムや自作のプログラムから選択されたプログラムを用いることができる。 The program (software) used for molecular dynamics calculations is not particularly limited, but for example, it may be selected from existing programs such as LAMMPS, DL_POLY, Gromacs (Groningen Machine for Chemical Simulations), AMBER, CHARMM, NAMD, etc., or a self-made program. A program can be used.
分子動力学計算を行う際の設定環境としては、例えば真空中や、溶媒が含まれる場合には周期境界条件下とすることができる。 The setting environment for performing molecular dynamics calculations can be, for example, vacuum or periodic boundary conditions if a solvent is included.
分子動力学計算を行う際のニュートンの運動方程式を解くための数値積分法についても特に限定されないが、例えばベルレ法や、速度ベルレ法、Leap-frog法、予測子-修飾子法等から選択された方法を用いることができる。 The numerical integration method for solving Newton's equation of motion when performing molecular dynamics calculations is not particularly limited, but may be selected from, for example, the Berlet method, the velocity Berlet method, the Leap-frog method, the predictor-modifier method, etc. Other methods can be used.
分子動力学計算を行う時間幅は特に限定されるものではないが、結晶を構成する複数の原子の動きやすい方向が把握でき、かつ計算コストを抑制できるように選択することが好ましい。分子動力学計算を行う時間幅としては、例えば0.5fs以上2fs以下とすることができる。 Although the time span for performing molecular dynamics calculations is not particularly limited, it is preferably selected so that the directions in which the plurality of atoms constituting the crystal tend to move can be grasped and calculation costs can be suppressed. The time width for performing the molecular dynamics calculation can be, for example, 0.5 fs or more and 2 fs or less.
また、温度の制御方法としても特に限定されないが、例えば、速度スケーリング法、Nose-Hoover熱浴法、Nose-Hoover chain法、Berendsen熱浴法、Andersen熱浴法、Langevin動力学法等から選択された方法を用いることができる。 Further, the temperature control method is not particularly limited, but may be selected from, for example, the rate scaling method, the Nose-Hoover hot bath method, the Nose-Hoover chain method, the Berendsen hot bath method, the Andersen hot bath method, the Langevin kinetic method, etc. Other methods can be used.
周期境界条件下における圧力の制御方法についても特に限定されないが、例えば、Berendsen法、Parinello-Rahman法等から選択された方法を用いることができる。 The method of controlling the pressure under periodic boundary conditions is not particularly limited either, but for example, a method selected from the Berendsen method, the Parinello-Rahman method, etc. can be used.
静電相互作用やvan der Waals相互作用といった長距離相互作用の計算にはカットオフ法を用いることができる。特に、周期境界条件下での静電相互作用の計算にParticle-Mesh Ewald法や多重極展開法等を用いることができる。 A cutoff method can be used to calculate long-range interactions such as electrostatic interactions and van der Waals interactions. In particular, the Particle-Mesh Ewald method, the multipole expansion method, etc. can be used to calculate electrostatic interactions under periodic boundary conditions.
計算工程における分子動力学計算は、例えば、CPU(Central Processing Unit)や、RAM(Random Access Memory)、ハードディスク等の各種記憶媒体、ディスプレイ等の出力装置、キーボード等の入力装置、各種周辺機器等を備えた通常のコンピューターシステムを用いて実施することができる。なお、コンピューターシステムとしては、例えばネットワークサーバ、ワークステーション、パーソナルコンピュータ等が挙げられる。 Molecular dynamics calculation in the calculation process uses, for example, a CPU (Central Processing Unit), a RAM (Random Access Memory), various storage media such as a hard disk, an output device such as a display, an input device such as a keyboard, various peripheral devices, etc. It can be carried out using a conventional computer system equipped with a computer system. Note that examples of the computer system include a network server, a workstation, a personal computer, and the like.
具体的には、例えば記憶媒体等に既述の分子動力学計算のプログラムを格納しておき、係るプログラムをCPUにより実行すると共に、RAM等の記憶媒体に格納された、またはキーボード等の入力装置から入力された初期構造や、条件を読み込むことにより実現することができる。
(分析工程)
分析工程では、計算工程で得られた、複数の原子の座標データについてウェーブレット解析を行い、複数の原子が動きやすい方向を求めることができる。
Specifically, for example, a program for the molecular dynamics calculation described above is stored in a storage medium, and the program is executed by a CPU, and an input device such as a keyboard or the like is stored in a storage medium such as a RAM. This can be achieved by reading the initial structure and conditions input from .
(Analysis process)
In the analysis step, wavelet analysis is performed on the coordinate data of the plurality of atoms obtained in the calculation step, and the directions in which the plurality of atoms tend to move can be determined.
ウェーブレット解析は周波数解析の手法の一つであり、時間と周波数にかかわる信号情報を同時に抽出できる解析手法である。ウェーブレットとは「さざなみ」と訳され、時間的な流れの中で生成・消滅する一時的な波である。任意の時系列データをウェーブレットの和として表現するのがウェーブレット変換である。よく比較されるフーリエ変換は、任意の時系列データを無限に続く恒久的な波の和として表現する。ウェーブレット変換は不規則な変動を表すデータの解析に有効な方法である。以下にウェーブレット変換について説明する。 Wavelet analysis is one of the frequency analysis methods, and is an analysis method that can simultaneously extract signal information related to time and frequency. Wavelet is translated as ``ripple'' and is a temporary wave that is created and disappears in the flow of time. Wavelet transform expresses arbitrary time series data as a sum of wavelets. The Fourier transform, which is often compared, represents arbitrary time-series data as a sum of infinite waves. Wavelet transform is an effective method for analyzing data that exhibits irregular fluctuations. The wavelet transform will be explained below.
時刻tによって変化する信号f(t)があるとする。信号f(t)に対してフーリエ変換を行うとスペクトルに関する情報、すなわち周波数に関する情報は得られるが、時間に関する情報は失われてしまう。そこで考案されたのが窓フーリエ変換である。これは、対象を経時的に解析するために信号の一部を「窓関数」を用いて切り出し、この窓をずらしながら信号のスペクトルを次々に解析する。しかし、一般に周波数の分解能は窓関数のサイズに反比例するため、決まったサイズの窓関数を用いる窓フーリエ変換では様々な周波数に対する解像度が一定にならない。 Assume that there is a signal f(t) that changes with time t. When Fourier transform is performed on the signal f(t), information regarding the spectrum, that is, information regarding the frequency can be obtained, but information regarding the time is lost. Therefore, the window Fourier transform was devised. In order to analyze an object over time, a part of the signal is cut out using a "window function," and the spectrum of the signal is analyzed one after another while shifting this window. However, since the frequency resolution is generally inversely proportional to the size of the window function, the resolution for various frequencies is not constant in window Fourier transform using a window function of a fixed size.
これに対して、ウェーブレット変換はマザーウェーブレットΨ(t)という基底関数を拡大縮小・平行移動させるウェーブレット関数を用いることで、各々の周波数に合わせた時間幅に適応して解析を行うことが可能となり、周波数に対する解像度が一定となる。ウェーブレット関数は伸張と位置を決める2つの実数パラメータa、bを用いて、以下の式(1)のように定義される。 On the other hand, wavelet transform uses a wavelet function called the mother wavelet Ψ(t) that scales and moves the basis function in parallel, making it possible to perform analysis adapting to the time width tailored to each frequency. , the resolution with respect to frequency is constant. The wavelet function is defined as shown in equation (1) below using two real parameters a and b that determine expansion and position.
ウェーブレット変換でのウェーブレット係数W(a,b)は、対象となる信号f(t)とウェーブレット関数の内積で以下の式(2)のように定義される。
The wavelet coefficient W(a,b) in the wavelet transform is defined as the inner product of the target signal f(t) and the wavelet function as shown in Equation (2) below.
式(2)中のW(a,b)は、t=bにおいてf(t)の中にΨa,b(t)の成分がどれだけ含まれるかを表す。
W(a,b) in equation (2) represents how many components of Ψ a,b (t) are included in f(t) at t=b.
ウェーブレット変換には連続ウェーブレット変換と離散ウェーブレット変換がある。連続ウェーブレット変換で用いられるマザーウェーブレットは、主に、Mexican Hat、Meyer wavelet、Morlet waveletなどがある。各マザーウェーブレットで計算速度や時間-周波数の各領域で得られる情報などの違いがあるが、どのデータにどのマザーウェーブレットが適するかの一般的な判断基準は明らかではなく、対象毎に判断することになる。本実施形態の拡散経路の探索方法では、以下の式(3)で定義されるMorlet waveletを用いることができる。 Wavelet transforms include continuous wavelet transform and discrete wavelet transform. Main wavelets used in continuous wavelet transform include Mexican Hat, Meyer wavelet, and Morlet wavelet. Each mother wavelet has differences in calculation speed and information obtained in each time-frequency domain, but the general criteria for determining which mother wavelet is suitable for which data is not clear, and judgments must be made on a case-by-object basis. become. In the diffusion route search method of this embodiment, a Morlet wavelet defined by the following equation (3) can be used.
式(3)中のσは窓関数の窓の中に入っている波の数を表す。ウェーブレット変換では周波数に合わせた解析が可能であるため、振幅に合わせて周波数が変化するような非調和的な動きの解析も対象となる。
σ in equation (3) represents the number of waves falling within the window of the window function. Since wavelet transform allows analysis according to frequency, it can also be used to analyze non-harmonic movements where the frequency changes according to the amplitude.
前述のウェーブレット係数W(a,b)では、tの範囲が-∞から∞である。しかし、実際に解析に用いるデータは有限の幅をもつ。このため、境界付近のデータの信頼性は低くなることから、解析時には時系列の端の部分は取り除くことが好ましい。また、一般に有限の幅のデータ解析では、低周波数は境界の影響を特に受け、高周波数では1つの波の中にデータ数が少なく離散的になり、データの信頼性が低くなる。そのため、低周波数と高周波数と取り除いた部分を用いて解析を行うことが好ましい。 In the wavelet coefficient W(a,b) described above, the range of t is from −∞ to ∞. However, the data actually used for analysis has a finite range. For this reason, the reliability of data near the boundaries decreases, so it is preferable to remove the edge portions of the time series during analysis. Furthermore, in general, in data analysis with a finite width, low frequencies are particularly affected by boundaries, and at high frequencies, the number of data in one wave becomes small and discrete, resulting in low data reliability. Therefore, it is preferable to perform analysis using the low frequency and high frequency parts removed.
ここで、N個の物体の集まりから位置の時系列データqn(t)(n=0,・・・,3N)を得たとする。初めにウェーブレット変換を各自由度に対して行い、変換データq´n(t,ωl)、ωl=2πl/Tを得る。ここで、Tは時系列データの長さであり、実際の計算では連続ウェーブレット変換をM個の離散的な時系列データで近似している。また、上記の理由から、周波数ωlの範囲を、l=M1,・・・,M2 (0<M1<M2≦(M/2)-1)、および、l=M-M2,・・・,M-M1としたローパスフィルタを施す。以上のウェーブレット成分を用いて、行列A={An,l}を作成する。上記の周波数内にある場合はAn,l=q´n(t,ωl)となり、それ以外は0となる。 Here, it is assumed that time-series position data q n (t) (n=0, . . . , 3N) is obtained from a collection of N objects. First, wavelet transform is performed on each degree of freedom to obtain transformed data q'n(t, ωl), ωl=2πl/T. Here, T is the length of time series data, and in actual calculation, continuous wavelet transform is approximated by M pieces of discrete time series data. Also, for the above reasons, the range of frequency ωl is defined as l=M1,...,M2 (0<M1<M2≦(M/2)-1) and l=M-M2,..., Apply a low-pass filter set to M-M1. A matrix A={An, l} is created using the above wavelet components. If it is within the above frequency, A n,l = q'n(t, ωl), otherwise it is 0.
分析工程では、原子が動きやすい方向、すなわち原子が大きく動く方向を求めることが好ましい。そして、一般に遅い運動は大きな振幅をもつ、すなわちゆっくりと大きく動く。ウェーブレット変換で得られた時系列データからゆっくりとした動きを取り出すために、以下の式(4)で定義される特異値分解を用いる。 In the analysis step, it is preferable to determine the direction in which atoms move easily, that is, the direction in which atoms move significantly. In general, slow motion has a large amplitude, that is, it moves slowly and greatly. In order to extract slow movements from the time series data obtained by wavelet transformation, singular value decomposition defined by the following equation (4) is used.
行列Aは上記の通り、あるタイムステップにおける時系列データの対象物の自由度を行成分に、周波数を列成分に持つ。Aの左特異ベクトルUは時系列データの空間での動きの特徴を示す。また、右特異ベクトルVは周波数での振幅の特徴を表し、Σは振幅を表す。
As described above, the matrix A has the degree of freedom of the object of time series data at a certain time step as a row component, and the frequency as a column component. The left singular vector U of A indicates the characteristics of the movement of time series data in space. Further, the right singular vector V represents the characteristic of amplitude at frequency, and Σ represents the amplitude.
ある振幅に対応するU、Vの列ベクトルが、それぞれ、その振幅をもつ空間の動きと周波数の特徴を表す。Uの列ベクトル方向に信号を射影することで、その方向の動的性質が得られる。 The U and V column vectors corresponding to a certain amplitude represent the spatial motion and frequency characteristics having that amplitude, respectively. By projecting the signal in the direction of the column vector of U, the dynamic properties in that direction can be obtained.
上述のように、分析工程では、計算工程で得られた複数の原子の座標データについてウェーブレット解析を行うことで、結晶を構成する原子の動的性質を解析できる。分析工程では、原子が動きやすい方向、すなわち原子が大きく動く方向を求めるため、例えば大きな特異値を有する左特異ベクトルを求め、該左特異ベクトルへ射影した射影トラジェクトリを算出できる。
(構造モデル作成工程)
構造モデル作成工程では、分析工程の結果から、複数の原子が動きやすい方向に位置する構造のモデルを複数作成することができる。
As described above, in the analysis step, the dynamic properties of the atoms constituting the crystal can be analyzed by performing wavelet analysis on the coordinate data of a plurality of atoms obtained in the calculation step. In the analysis step, in order to find the direction in which the atoms tend to move, that is, the direction in which the atoms move significantly, for example, a left singular vector having a large singular value can be found, and a projection trajectory projected onto the left singular vector can be calculated.
(Structural model creation process)
In the structural model creation process, it is possible to create multiple models of structures in which multiple atoms are located in directions where they can easily move, based on the results of the analysis process.
具体的には例えば、初期構造設定工程で設定した複数の原子の座標を、分析工程で算出した、各原子が動きやすい方向に位置を変化させた構造モデルを、その移動距離等を変え、複数作成することができる。 Specifically, for example, a structural model in which the coordinates of multiple atoms set in the initial structure setting process are changed in the direction in which each atom can easily move, calculated in the analysis process, is can be created.
本実施形態の拡散経路の探索方法では、拡散原子の拡散経路を探索することを目的とする。このため、構造モデル作成工程では、拡散経路となりうる、結晶を構成する少なくとも一部の原子が大きく振幅する場合の構造モデルを作成することが好ましい。そこで、分析工程で得られた結果のうち、大きな特異値をもつ左特異ベクトル方向へ原子を動かした場合の構造モデルを作成することが好ましい。
(拡散経路探索工程)
拡散経路探索工程では、構造作成工程で作成した複数の構造モデルから、拡散経路の探索を行う原子、すなわち拡散原子の拡散経路を探索することができる。具体的には例えば、作成した複数の構造モデルを比較し、拡散原子以外の結晶を構成する原子について、原子間距離が拡散原子の原子半径よりも拡がっている部分を拡散経路として認定することができる。
The purpose of the diffusion route search method of this embodiment is to search for diffusion routes of diffused atoms. Therefore, in the structural model creation step, it is preferable to create a structural model in which at least some of the atoms constituting the crystal, which can serve as diffusion paths, have large amplitudes. Therefore, among the results obtained in the analysis step, it is preferable to create a structural model in which the atoms are moved in the direction of the left singular vector having a large singular value.
(Diffusion route search process)
In the diffusion route searching step, it is possible to search for the diffusion route of the atom whose diffusion route is being searched, that is, the diffusion route of the diffusing atom, from the plurality of structural models created in the structure creation step. Specifically, for example, by comparing multiple structural models that have been created, it is possible to identify as the diffusion route the part where the interatomic distance is wider than the atomic radius of the diffusing atoms for atoms that make up the crystal other than the diffusing atoms. can.
以上に説明した本実施形態の拡散経路の探索方法によれば、分子動力学計算の結果を基にウェーブレット解析を用いて原子の動きやすい方向を導き出し、該方向に動かした構造モデルを用いて拡散経路の探索を行っている。このため、原子が平均位置に存在する実験等で得られる静的な結晶構造からでは見出すことが困難であった拡散経路を、効率的に探索することができる。 According to the diffusion path search method of the present embodiment described above, the direction in which atoms are likely to move is derived using wavelet analysis based on the results of molecular dynamics calculation, and the structural model that moves in that direction is used to diffuse diffusion. Searching for a route. Therefore, it is possible to efficiently search for diffusion paths that are difficult to find from static crystal structures obtained through experiments in which atoms exist at average positions.
また、上述のように分子動力学計算結果から、原子の揺らぎを反映させた構造モデルを使用して拡散経路探索を行うため、より現実に近い構造での拡散経路の探索が可能になる。
[シミュレーション装置]
本実施形態のシミュレーション装置は、結晶内における原子の拡散経路を効率的に探索するためのシミュレーション装置である。このため、拡散経路探索装置ともいえ、以下の部材を有することができる。
Furthermore, as described above, diffusion paths are searched using a structural model that reflects atomic fluctuations based on molecular dynamics calculation results, making it possible to search for diffusion paths in a structure that is closer to reality.
[Simulation device]
The simulation apparatus of this embodiment is a simulation apparatus for efficiently searching for diffusion paths of atoms within a crystal. Therefore, it can be called a diffusion route search device and can include the following members.
拡散経路探索に用いる結晶に含まれる、複数の原子の位置を設定する初期構造設定部。 An initial structure setting section that sets the positions of multiple atoms included in the crystal used for diffusion route search.
初期構造設定部で位置を設定した、複数の原子を用いて分子動力学計算を行う計算部。 A calculation section that performs molecular dynamics calculations using multiple atoms whose positions are set in the initial structure setting section.
計算部で算出した、複数の原子の座標データについてウェーブレット解析を行い、複数の原子が動きやすい方向を求める分析部。 The analysis section performs wavelet analysis on the coordinate data of multiple atoms calculated by the calculation section to determine the direction in which multiple atoms are likely to move.
分析部の結果から、複数の原子が動きやすい方向に位置する構造モデルを複数作成する構造モデル作成部。 The structural model creation department creates multiple structural models in which multiple atoms are positioned in directions where they can easily move, based on the results of the analysis department.
構造モデル作成部で作成した複数の構造モデルから、原子の拡散経路を探索する拡散経路探索部。 The diffusion path search unit searches for atomic diffusion paths from multiple structural models created by the structural model creation unit.
図1に示したハードウェア構成図に示すように、本実施形態のシミュレーション装置10は、例えば、情報処理装置(コンピュータ)で構成され、物理的には、演算処理部であるCPU(Central Processing Unit:プロセッサ)11と、主記憶装置であるRAM(Random Access Memory)12やROM(Read Only Memory)13と、補助記憶装置14と、入出力インタフェース15と、出力装置である表示装置16等を含むコンピューターシステムとして構成できる。これらは、バス17で相互に接続されている。なお、補助記憶装置14や表示装置16は、外部に設けられていてもよい。
As shown in the hardware configuration diagram shown in FIG. 1, the
CPU11は、シミュレーション装置10の全体の動作を制御し、各種の情報処理を行う。CPU11は、ROM13または補助記憶装置14に格納された、例えば後述するプログラム(シュミレーションプログラム)を実行して、分子動力学計算や、ウェーブレット解析、拡散経路の探索等を行うことができる。
The
RAM12は、CPU11のワークエリアとして用いられ、主要な制御パラメータや情報を記憶する不揮発RAMを含んでもよい。
The
ROM13は、プログラム(シュミレーションプログラム)等を記憶することができる。
The
補助記憶装置14は、SSD(Solid State Drive)や、HDD(Hard Disk Drive)等の記憶装置であり、シミュレーション装置の動作に必要な各種のデータ、ファイル等を格納できる。
The
入出力インタフェース15は、タッチパネル、キーボード、表示画面、操作ボタン等のユーザインタフェースと、外部のデータ収録サーバ等からの情報を取り込み、他の電子機器に解析情報を出力する通信インタフェースとの双方を含む。
The input/
表示装置16は、モニタディスプレイ等である。表示装置16では、解析画面が表示され、入出力インタフェース15を介した入出力操作に応じて画面が更新される。
The
図1に示したシミュレーション装置10の各機能は、例えばRAM32やROM33等の主記憶装置または補助記憶装置14からプログラム(シミュレーションプログラム)等を読み込ませ、CPU11により実行することにより、RAM12等におけるデータの読み出しおよび書き込みを行うと共に、入出力インタフェース15および表示装置16を動作させることで実現できる。
The functions of the
図2に、本実施形態のシミュレーション装置10の機能ブロック図を示す。
FIG. 2 shows a functional block diagram of the
図2に示すように、シミュレーション装置10は、受付部21、処理装置22、出力部23を有することができる。これらの各部は、シミュレーション装置10が有するCPU、記憶装置、各種インタフェース等を備えたパーソナルコンピュータ等の情報処理装置において、CPUが予め記憶されている例えば後述するシミュレーション方法や、プログラムを実行することでソフトウェアおよびハードウェアが協働して実現される。
As shown in FIG. 2, the
各部の構成について以下に説明する。
(A)受付部
受付部21は、処理装置22で実行される処理に関係するユーザーからのコマンドやデータの入力を受け付ける。受付部21としてはユーザーが操作を行い、コマンド等を入力するキーボードやマウス、ネットワークを介して入力を行う通信装置、CD-ROM、DVD-ROM等の各種記憶媒体から入力を行う読み取り装置などが挙げられる。
(B)処理装置
処理装置22は、初期構造設定部221、計算部222、分析部223、構造モデル作成部224、拡散経路探索部225を有することができる。
(B-1)初期構造設定部
初期構造設定部221では、拡散経路探索に用いる結晶に含まれる、複数の原子の位置を設定できる。
The configuration of each part will be explained below.
(A) Reception Unit The
(B) Processing device The
(B-1) Initial Structure Setting Unit The initial
初期構造設定部で設定する複数の原子の位置についてのデータは、データベース等に収録されているデータであってもよく、実験結果から算出した計算値であってもよい。
(B-2)計算部
計算部では初期構造設定部で位置を設定した、複数の原子を用いて分子動力学計算を行うことができる。分子動力学計算については既に説明したため、ここでは説明を省略する。
(B-3)分析部
分析部223では、計算部222で算出し、得られた複数の原子の座標データについてウェーブレット解析を行い、複数の原子が動きやすい方向を求めることができる。ウェーブレット解析については既に説明したため、ここでは説明を省略する。
(B-4)構造モデル作成部
構造モデル作成部224では、分析部223での分析結果から、複数の原子が動きやすい方向に位置する構造モデルを複数作成できる。
(B-5)拡散経路探索部
拡散経路探索部225では、構造モデル作成工程で作成した複数の構造モデルから、原子の拡散経路を探索できる。具体的には例えば、構造モデル作成部で作成した複数の構造モデルを比較し、拡散原子以外の結晶を構成する原子について、原子間距離が拡散原子の原子半径よりも拡がっている部分を拡散経路として認定することができる。
(C)出力部
出力部23は、ディスプレイ等を有することができる。拡散経路探索部225で得られた探索結果を出力部23に出力できる。出力するシミュレーション結果の内容は特に限定されないが、例えば出力部23に、図4に示すように探索した探索経路を画像として出力し、表示することができる。
The data regarding the positions of a plurality of atoms set by the initial structure setting section may be data stored in a database or the like, or may be calculated values calculated from experimental results.
(B-2) Calculation section The calculation section can perform molecular dynamics calculations using a plurality of atoms whose positions are set in the initial structure setting section. Since the molecular dynamics calculation has already been explained, the explanation will be omitted here.
(B-3) Analysis Unit
(B-4) Structural Model Creation Unit The structural
(B-5) Diffusion Path Search Unit The diffusion
(C) Output unit The
以上に説明した本実施形態のシミュレーション装置によれば、分子動力学計算の結果を基にウェーブレット解析を用いて原子の動きやすい方向を導き出し、該方向に動かした構造モデルを用いて拡散経路の探索を行っている。このため、原子が平均位置に存在する実験等で得られる静的な結晶構造からでは見出すことが困難であった拡散経路を、効率的に探索することができる。 According to the simulation apparatus of this embodiment described above, the direction in which atoms are likely to move is derived using wavelet analysis based on the results of molecular dynamics calculation, and the diffusion path is searched using a structural model moved in that direction. It is carried out. Therefore, it is possible to efficiently search for diffusion paths that are difficult to find from static crystal structures obtained through experiments in which atoms exist at average positions.
また、上述のように分子動力学計算結果から、原子の揺らぎを反映させた構造モデルを使用して拡散経路探索を行うため、より現実に近い構造での拡散経路の探索が可能になる。
[プログラム]
次に、本実施形態のプログラムについて説明する。
Furthermore, as described above, diffusion paths are searched using a structural model that reflects atomic fluctuations based on molecular dynamics calculation results, making it possible to search for diffusion paths in a structure that is closer to reality.
[program]
Next, the program of this embodiment will be explained.
本実施形態のプログラムは、結晶内における原子の拡散経路を効率的に探索するためのプログラムに関し、コンピュータを以下の各部として機能させることができる。 The program of this embodiment relates to a program for efficiently searching for diffusion paths of atoms within a crystal, and can cause a computer to function as the following units.
拡散経路探索に用いる結晶に含まれる、複数の原子の位置を設定する初期構造設定部。 An initial structure setting section that sets the positions of multiple atoms included in the crystal used for diffusion route search.
初期構造設定部で位置を設定した、複数の原子を用いて分子動力学計算を行う計算部。 A calculation section that performs molecular dynamics calculations using multiple atoms whose positions are set in the initial structure setting section.
計算部で算出した、複数の原子の座標データについてウェーブレット解析を行い、複数の原子が動きやすい方向を求める分析部。 The analysis section performs wavelet analysis on the coordinate data of multiple atoms calculated by the calculation section to determine the direction in which multiple atoms are likely to move.
分析部の結果から、複数の原子が動きやすい方向に位置する構造モデルを複数作成する構造モデル作成部。 The structural model creation department creates multiple structural models in which multiple atoms are positioned in directions where they can easily move, based on the results of the analysis department.
構造モデル作成部で作成した複数の構造モデルから、原子の拡散経路を探索する拡散経路探索部。 The diffusion path search unit searches for atomic diffusion paths from multiple structural models created by the structural model creation unit.
本実施形態のプログラムは、例えば既述のシミュレーション装置のRAMやROM等の主記憶装置または補助記憶装置の各種記憶媒体に記憶させておくことができる。そして、係るプログラムを読み込ませ、CPUにより実行することにより、RAM等におけるデータの読み出しおよび書き込みを行うと共に、入出力インタフェースおよび表示装置を動作させて実行できる。このため、シミュレーション装置で既に説明した事項については説明を省略する。 The program of this embodiment can be stored in various storage media such as a main storage device or an auxiliary storage device such as RAM or ROM of the above-mentioned simulation device, for example. By loading such a program and executing it by the CPU, it is possible to read and write data in a RAM, etc., and to operate and execute an input/output interface and a display device. For this reason, the explanation of the matters already explained with respect to the simulation device will be omitted.
上述した本実施形態のプログラムは、インターネットなどのネットワークに接続されたコンピュータ上に格納し、ネットワーク経由でダウンロードさせることで提供してもよい。また、本実施形態のプログラムをインターネットなどのネットワークを介して提供、配布するように構成してもよい。 The program of this embodiment described above may be provided by being stored on a computer connected to a network such as the Internet and downloaded via the network. Furthermore, the program of this embodiment may be configured to be provided and distributed via a network such as the Internet.
本実施形態のプログラムは、CD-ROM等の光ディスクや、半導体メモリ等の記録媒体に格納した状態で流通等させてもよい。 The program of this embodiment may be distributed while being stored in an optical disk such as a CD-ROM or a recording medium such as a semiconductor memory.
以上に説明した本実施形態のプログラムによれば、分子動力学計算の結果を基にウェーブレット解析を用いて原子の動きやすい方向を導き出し、該方向に動かした構造モデルを用いて拡散経路の探索を行っている。このため、原子が平均位置に存在する実験等で得られる静的な結晶構造からでは見出すことが困難であった拡散経路を、効率的に探索することができる。 According to the program of this embodiment described above, the direction in which atoms are likely to move is derived using wavelet analysis based on the results of molecular dynamics calculation, and the diffusion path is searched using a structural model moved in that direction. Is going. Therefore, it is possible to efficiently search for diffusion paths that are difficult to find from static crystal structures obtained through experiments in which atoms exist at average positions.
また、上述のように分子動力学計算結果から、原子の揺らぎを反映させた構造モデルを使用して拡散経路探索を行うため、より現実に近い構造での拡散経路の探索が可能になる。 Furthermore, as described above, diffusion paths are searched using a structural model that reflects atomic fluctuations based on molecular dynamics calculation results, making it possible to search for diffusion paths in a structure that is closer to reality.
以下、実施例を参照しながら本発明をより具体的に説明する。但し、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
[実施例1]
以下の手順により、LiMn2O4におけるLi原子の拡散経路の探索を行った。
(初期構造設定工程)
LiMn2O4の初期構造の設定を行った。具体的には、図3に示すようにセル内に、リチウム原子31と、マンガン原子32と、酸素原子33とが配置されたLiMn2O4の初期構造30を設定した。なお、図3中、同じハッチングの原子は同種類の原子であることを示している。
(計算工程)
次に、分子動力学計算を用いて、初期構造設定工程で位置を設定した、リチウム原子31、マンガン原子32、および酸素原子33の座標の時系列変化を求めた。
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples. However, the present invention is not limited to the following examples.
[Example 1]
The following procedure was used to search for the diffusion route of Li atoms in LiMn 2 O 4 .
(Initial structure setting process)
The initial structure of LiMn 2 O 4 was set. Specifically, as shown in FIG. 3, an
(calculation process)
Next, using molecular dynamics calculation, time-series changes in the coordinates of the
分子動力学計算は、ソフトウェアとしてLAMMPSを用い、力場は名古屋大学石沢らの開発した力場を用いて行った。そして、各原子の座標を入力し、結晶中の環境設定とした。 Molecular dynamics calculations were performed using LAMMPS as software and a force field developed by Ishizawa et al., Nagoya University. Then, the coordinates of each atom were entered to set the environment in the crystal.
また、分子動力学計算を行う際の速度の計算方法として速度ベルレ法を用い、時間幅を1fsとした。温度の制御方法としてNose-Hoover chain法を用い、設定温度を300Kとした。 In addition, the velocity Berlet method was used as a velocity calculation method when performing molecular dynamics calculations, and the time width was set to 1 fs. The Nose-Hoover chain method was used as a temperature control method, and the set temperature was 300K.
長距離相互作用の計算はParticle-Mesh Ewald法を用いた。 The Particle-Mesh Ewald method was used to calculate long-range interactions.
上記条件下で10ナノ秒の分子動力学計算を行った。
(分析工程)
計算工程で得られた、複数の原子の座標の変化についてウェーブレット解析を行い、複数の原子が動きやすい方向を求めた。
Molecular dynamics calculations were performed for 10 nanoseconds under the above conditions.
(Analysis process)
Wavelet analysis was performed on the changes in the coordinates of multiple atoms obtained during the calculation process, and the directions in which multiple atoms tend to move were determined.
なお、計算工程で得られた結果を分析工程に供する際、平均値が0となるように以下の式(5)により修正した。 Note that when the results obtained in the calculation process were submitted to the analysis process, they were corrected using the following equation (5) so that the average value was 0.
なお、上記式中のx(t)は、ウェーブレット解析で使用したトラジェクトリ、x´(t)は計算工程で得られたトラジェクトリ、<x´>はその時間平均を表す。
Note that x(t) in the above formula represents the trajectory used in the wavelet analysis, x'(t) represents the trajectory obtained in the calculation process, and <x'> represents its time average.
ウェーブレット解析の計算には自作のPythonコードを使用し、特異値分解には、Pythonの数値計算ライブラリNumpyを使って解いた。時系列全体の長さは1nsであり、時系列の数はM=200である。解析に使用する時系列データは0.1ns以上0.9ns以下とした。さらに、M1=15、M2=50のローパスフィルタを使用した。
(構造モデル作成工程)
分析工程の結果から、初期構造設定工程で設定した複数の原子の座標を、分析工程で算出した、各原子が動きやすい方向に位置を変化させた構造モデルを、その移動距離等を変え、複数作成した。
(拡散経路探索工程)
構造作成工程で作成した複数の構造から、拡散原子の拡散経路を探索した。
A self-written Python code was used for wavelet analysis calculations, and the Python numerical calculation library Numpy was used for singular value decomposition. The length of the entire time series is 1 ns, and the number of time series is M=200. The time series data used for analysis was 0.1 ns or more and 0.9 ns or less. Furthermore, a low-pass filter with M 1 =15 and M 2 =50 was used.
(Structural model creation process)
From the results of the analysis process, the coordinates of multiple atoms set in the initial structure setting process are calculated in the analysis process. Created.
(Diffusion route search process)
We searched for diffusion paths of diffusing atoms from multiple structures created in the structure creation process.
一般に、遅い運動は大きな振幅をもつ、すなわちゆっくりと大きく動く。このため、分析工程では、計算工程で得られたトラジェクトリを用いて大きな特異値をもつ10個の左特異ベクトルへ射影した射影トラジェクトリを算出した。そして、拡散経路探索工程では、それらの中で拡散経路となりうる空間が得られるかを確認した。具体的には、構造モデル作成工程において、上記左特異ベクトル方向に原子を動かし、拡散経路探索工程において、図3中の中央部に配置されたリチウム原子31Aから、該リチウム原子31Aの近傍にある他の4つのリチウム原子31との間に連続的な空間が形成されているかを確認した。
In general, slow movements have large amplitudes, ie, slow and large movements. Therefore, in the analysis step, projection trajectories were calculated by projecting the trajectories obtained in the calculation step onto 10 left singular vectors having large singular values. In the diffusion route searching step, it was confirmed whether a space that could serve as a diffusion route could be obtained among them. Specifically, in the structural model creation process, atoms are moved in the direction of the left singular vector, and in the diffusion path search process, from the
拡散経路探索工程で得られた拡散原子の拡散経路を図4に示す。 FIG. 4 shows the diffusion paths of the diffused atoms obtained in the diffusion path search step.
図4に示すように、リチウム原子の拡散経路として、拡散経路411~414が見出された、係る拡散経路はセルの中央部に配置されたリチウム原子31A(図3を参照)と、該リチウム原子31Aの周囲に配置されたリチウム原子との間をつなぐように形成されている。
As shown in FIG. 4,
係る拡散経路411~414は、これまでに報告されているLiMn2O4におけるリチウム原子の拡散経路とも一致しており、本実施例で用いた拡散経路の探索方法が実際の現象に即したものであることを確認できた。
These
Claims (1)
前記初期構造設定工程で位置を設定した、複数の前記原子を用いて分子動力学計算を行う計算工程と、
前記計算工程で得られた、複数の前記原子の座標データについてウェーブレット解析を行い、複数の前記原子が動きやすい方向を求める分析工程と、
前記分析工程の結果から、複数の前記原子が動きやすい方向に位置する構造モデルを複数作成する構造モデル作成工程と、
前記構造モデル作成工程で作成した複数の前記構造モデルから、原子の拡散経路を探索する拡散経路探索工程と、を有する拡散経路の探索方法。 an initial structure setting step of setting the positions of multiple atoms included in the crystal used for diffusion route search;
a calculation step of performing molecular dynamics calculations using the plurality of atoms whose positions were set in the initial structure setting step;
an analysis step of performing wavelet analysis on the coordinate data of the plurality of atoms obtained in the calculation step and determining a direction in which the plurality of atoms are likely to move;
a structural model creation step of creating a plurality of structural models in which the plurality of atoms are located in directions where they are likely to move, based on the results of the analysis step;
A diffusion route search method comprising: a diffusion route search step of searching for an atomic diffusion route from the plurality of structural models created in the structural model creation step.
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