JP7589546B2 - How to find the route of spread - 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 method for searching for diffusion paths.
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, there is active research into new materials and elements that can replace some of the elements that make up a substance.
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 or replacement elements, it is preferable to accurately understand the routes that atoms that affect the desired reaction, function, etc. take to move and diffuse within the crystals of the target substance.
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, elements are often densely packed inside a crystal, and there appear to be only small gaps between the atoms that make up the crystal. For this reason, if the size of an atom whose diffusion path is to be investigated is estimated using the atomic radius, ionic radius, or van der Waals radius, it is difficult to identify the diffusion path of that atom by comparing the size of multiple gaps within the crystal.
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 inherent in 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、
コンピュータが、
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独立成分分析を行い、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、を実行する拡散経路の探索方法を提供する。
In order to solve the above problem, according to one aspect of the present invention,
The computer
an initial structure setting step of setting the positions of a plurality of atoms contained in a crystal used in the diffusion path search;
a calculation step of performing a molecular dynamics calculation using the plurality of atoms whose positions have been set in the initial structure setting step;
an analysis step of performing an independent component analysis on the coordinate data of the plurality of atoms obtained in the calculation step to determine directions in which the plurality of atoms tend to move;
a structural model creation step of creating a plurality of structural models in which the plurality of atoms are positioned in directions in which they are likely to move, based on the results of the analysis step;
The present invention provides a diffusion path searching method for searching for an atomic diffusion path from the plurality of structural models created in the structural model creating 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, a method for searching for diffusion paths can be provided 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。 The following describes the embodiments of the present invention, but the present invention is not limited to the following embodiments, and various modifications and substitutions can be made to the following embodiments without departing from the scope of the present invention.
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独立成分分析を行い、複数の原子が動きやすい方向を求める分析工程。
The method for searching for a diffusion path according to the present embodiment may include the following steps.
An initial structure setting process for setting the positions of multiple atoms contained in the crystal to be used in the diffusion path search.
A calculation process in which molecular dynamics calculations are performed using multiple atoms whose positions have been set in the initial structure setting process.
An analysis process in which independent component analysis is performed 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 in which multiple atoms are positioned in directions that are easy for them to move, based on the results of the analysis process.
A diffusion path search process for searching for atomic diffusion paths from the multiple structural models created in the structural model creation process.
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。そして、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し、拡散経路を見出すことが可能になる。そして、上記解析方法として多成分分析の手法が有効である。 The inventors of the present invention have conducted extensive research into an efficient method for searching for atomic diffusion paths within a crystal. When a crystal structure is viewed at the atomic level, the atoms are densely packed. However, when the atoms move in a concerted manner, transitional spaces are formed within the crystal, which often become diffusion paths. By converting the fluctuations of a group of atoms into multiple characteristic movements and analyzing these movements, it becomes possible to discover specific phenomena and find diffusion paths. Furthermore, a multi-component analysis technique is an effective method for the above analysis.
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、多成分分析の手法の1つである、独立成分分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、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。 The method for searching for diffusion paths in this embodiment uses independent component analysis, a method of multi-component analysis, to analyze the movements of multiple atoms in a crystal from the results of molecular dynamics. This allows the direction in which atoms are likely to move to be derived, and by searching for diffusion paths from a structural model in which atoms are arranged in the direction in which they are likely to move, it has been discovered that diffusion paths can be derived efficiently, leading to the completion of 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 is explained below.
(Initial structure setting process)
In the initial structure setting step, the positions of a plurality of atoms contained in the crystal used in the diffusion path search can be set, i.e., the initial coordinates of the atoms in the crystal used in the calculation step 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, the specific method for setting the positions of the multiple atoms contained in the crystal used to search for the diffusion path is not particularly limited. For example, the atomic arrangement of each atom can be set based on the crystal structure of the crystal, which is determined experimentally or disclosed in a literature, etc., to form 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 include a diffusing atom, which is an atom for searching for a diffusion path. In other words, it may be only a skeleton structure excluding the diffusing atom. In the diffusion path searching method of the present embodiment, a diffusion path is searched for from the size of a space formed by the movement of atoms other than the diffusing atom, so that even if calculation and search are performed for a crystal in a state in which the diffusing atom is not included, there is no significant difference in the result.
(Calculation process)
In the calculation step, a molecular dynamics calculation can be performed using a plurality of atoms whose positions have been 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 calculations are a computer simulation method for the physical movement of atoms, and can determine the time evolution of atomic positions by numerically solving Newton's equations of motion. Therefore, by carrying out the calculation process, it is possible to determine the time series changes in the coordinates of multiple atoms set in the initial structure setting process.
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 interatomic interactions is expressed as a function 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, EAM, MEAM, etc. can be used for metal/alloy systems, Buckingham, BKS, Clay-FF, CVFF_aug, etc. can be used for inorganic compound systems, Tersoff, etc. can be used for semiconductor systems, and PCFF, Compass, MMFF, OPLS-AA, AMBER, CHARMM, UFF, etc. can be used for organic compound systems. In addition, a force field selected from existing force fields such as X-Pol, AMBER polarization force field, CHARMM polarization force field, etc., which are polarization force fields, and ReaxFF, which is a reaction force field, or a force field created by yourself as necessary can be used.
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。 In some cases, the charge of the target atom is not specified in existing force fields. In such cases, it is possible to use the RESP (Restrained ElectroStatic Potential) charge or the AM1-BCC (Bond Charge Correction) charge.
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 the molecular dynamics calculation is not particularly limited, but for example, a program selected from existing programs such as LAMMPS, DL_POLY, Gromacs (Groningen Machine for Chemical Simulations), AMBER, CHARMM, NAMD, etc., or a program created by the user 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 environment in which molecular dynamics calculations are performed can be, for example, in a vacuum, or under 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 a method selected from, for example, the Verlet method, the velocity Verlet method, the Leap-frog method, the predictor-modifier method, etc. 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。 The time span for performing molecular dynamics calculations is not particularly limited, but it is preferable to select a time span that allows the directions in which the multiple atoms that make up the crystal tend to move to be understood and that can reduce calculation costs. The time span for performing molecular dynamics calculations 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。 The temperature control method is not particularly limited, but may be selected from the following: velocity scaling method, Nose-Hoover heat bath method, Nose-Hoover chain method, Berendsen heat bath method, Andersen heat bath method, Langevin dynamics method, etc.
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 pressure under periodic boundary conditions is not particularly limited, but a method selected from, for example, 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。 The 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 and multipole expansion method 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。 The molecular dynamics calculation in the calculation process can be performed using, for example, a normal computer system equipped with a CPU (Central Processing Unit), 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. Examples of computer systems include network servers, workstations, and personal computers.
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独立成分分析(ICA,Independence Component Analysis)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, the above-mentioned molecular dynamics calculation program can be stored in a storage medium or the like, and the program can be executed by a CPU while reading in an initial structure and conditions stored in a storage medium such as a RAM or input from an input device such as a keyboard.
(Analysis process)
In the analysis step, an independent component analysis (ICA) is performed on the coordinate data of the multiple atoms obtained in the calculation step, and the direction in which the multiple atoms tend to move can be found.
独立成分分析とは、主成分分析(Principal Component Analysis)と同様に、多成分分析の手法の1つである。主成分分析では、成分の二次の相関にのみ着目し、それらを無相関にする変換を求める。これに対して、独立成分分析では、高次の統計量、または時間的な相関に基づいて独立な成分に分離する変換を求める。つまり、独立成分分析では、観測される成分が、複数の独立な発生源の重ね合わせで発生しているとの立場をとる。 Independent component analysis, like principal component analysis, is a method of multi-component analysis. Principal component analysis focuses only on the second-order correlation of components and seeks a transformation that makes them uncorrelated. In contrast, independent component analysis seeks a transformation that separates components into independent components based on higher-order statistics or temporal correlation. In other words, independent component analysis takes the position that the observed components arise from the superposition of multiple independent sources.
独立成分分析では、観測データのみを用いて、これらの発生源を推定する統計手法であり、観測データの隠された特徴の抽出にも利用される。 Independent component analysis is a statistical method for estimating these sources using only observed data, and can also be used to extract hidden features in observed data.
独立成分分析の概要について説明する。 This section provides an overview of independent component analysis.
以下の式(1)で表されるように、統計的に独立なn個の発生源s(t)があるとする。式(1)中のnは、n≧2であり、各成分の平均は0とする。また、Tは転置行列とする。 Assuming that there are n statistically independent sources s(t), as expressed in the following equation (1), n in equation (1) is n ≥ 2, and the average of each component is 0. Also, T is the transposed matrix.
また、観測データx(t)は、以下の式(2)で表されるとする。ただし、式(2)中のmは、m≧2であり、各成分の平均は0とする。
The observed data x(t) is expressed by the following formula (2): where m in formula (2) is m≧2, and the average of each component is 0.
ここで、上記s(t)とx(t)との間に、以下の式(3)で表される線形の関係を仮定する。
Here, it is assumed that there is a linear relationship between s(t) and x(t) as expressed by the following equation (3).
そうすると、独立成分分析は、発生源s(t)と、m×nの実数行列Aの知識を持たずに観測データx(t)をn個の独立な成分に分離することになる。解法の手順は何らかの方法で、実数行列Aを求めてから、発生源s(t)を求めることになる。
In this way, independent component analysis separates the observed data x(t) into n independent components without knowledge of the source s(t) and the m x n real matrix A. The solution procedure involves first finding the real matrix A in some way, and then finding the source s(t).
次に、独立成分分析の解法について説明する。 Next, we explain the solution method for independent component analysis.
独立成分分析では観測データを独立な成分に変換するが、互いに独立ならばそれらは無相関でもある。独立成分分析では、複雑さを低減するために、前処理として中心化、白色化、次元圧縮などが行われており、前処理に主成分分析を行うことが多い。そこで、初めに主成分分析について説明する。
(A)主成分分析
主成分分析では、解析対象となるm次元の時系列データに対して、以下の式(4)で表される共分散行列Cを求める。ただし、Tは観測時間を示す。
Independent component analysis converts observed data into independent components, but if they are independent of each other, they are also uncorrelated. In independent component analysis, preprocessing such as centering, whitening, and dimensionality reduction is performed to reduce complexity, and principal component analysis is often used as a preprocessing step. Therefore, we will first explain principal component analysis.
(A) Principal Component Analysis In principal component analysis, a covariance matrix C expressed by the following formula (4) is calculated for m-dimensional time series data to be analyzed, where T indicates the observation time.
さらに、以下の式(5)から、共分散行列Cの固有値問題を解いて、固有値行列Λ、固有値ベクトル行列Uを求める。
Furthermore, an eigenvalue problem of the covariance matrix C is solved from the following equation (5) to obtain an eigenvalue matrix Λ and an eigenvalue vector matrix U.
固有値ベクトル行列Uの列ベクトルuiは、無相関な方向を表す。
A column vector u i of the eigenvalue vector matrix U represents an uncorrelated direction.
観測データx(t)は、以下の式(6)のように表すことができる。 The observed data x(t) can be expressed as the following equation (6).
また、Iを単位行列とすると、以下の式(7)の関係が成り立つ。
Furthermore, if I is a unit matrix, the relationship of the following equation (7) holds.
つまり、単位行列Iのi行j列の成分は、以下の式(8)となる。
That is, the component of row i and column j of the unit matrix I is expressed by the following formula (8).
ただし、δijは、以下の式(9)で表されるクロネッカーのデルタである。
Here, δ ij is the Kronecker delta expressed by the following equation (9).
このため、観測した時系列データは、以下の式(10)で表される。
Therefore, the observed time series data is expressed by the following equation (10).
従って、i番目の固有値を持つ固有ベクトルui方向に射影することで、固有ベクトル方向の成分aiを取り出すことができる。すなわち、観測データx(t)を固有ベクトルの方向に分離できることになる。
(B)独立成分分析の解法について
独立成分分析の解法は、確率分布の独立性に基づく分離法と時間構造に基づく分離法(tICA)があるが、ここでは後者の方法をとる。
Therefore, by projecting in the direction of the eigenvector u i having the i-th eigenvalue, the component a i in the eigenvector direction can be extracted. In other words, the observed data x(t) can be separated in the direction of the eigenvector.
(B) Solution Method for Independent Component Analysis There are two solution methods for independent component analysis: a separation method based on the independence of probability distributions and a separation method based on time structure (tICA). Here, the latter method is used.
本実施形態の拡散経路の探索方法では、観測データx(t)は、既述の計算工程で求めた、分子動力学計算から得られるトラジェクトリを使用している。このため、観測データx(t)はエルゴード性を仮定している。また、条件から発生源s(t)は独立である。よって、時間遅れτに対して実数行列Aは不変であり、時間遅れτについての、観測データx(t+τ)、発生源s(t+τ)は以下の関係となる。 In the method for searching for diffusion paths in this embodiment, the observed data x(t) uses the trajectory obtained from the molecular dynamics calculations obtained in the calculation process described above. For this reason, the observed data x(t) is assumed to be ergodic. In addition, the conditions dictate that the source s(t) is independent. Therefore, the real matrix A is invariant with respect to the time lag τ, and the observed data x(t+τ) and the source s(t+τ) for the time lag τ have the following relationship.
よって、時間遅れの共分散行列は、以下の式(12)で表される。
Therefore, the time lag covariance matrix is expressed by the following equation (12).
ただし、式(12)内のRsi(τ)は、si(t)の自己相関関数である。2つの共分散行列を用いて、以下の式(13)の一般化固有値問題を解いて固有値行列Kと、固有値ベクトル行列Fを求める。
Here, R si (τ) in equation (12) is the autocorrelation function of s i (t). Using the two covariance matrices, the generalized eigenvalue problem of equation (13) below is solved to obtain an eigenvalue matrix K and an eigenvalue vector matrix F.
式(13)内のDは、通常非対称のため、KやFの要素は複素数となる。よって、複素数を避けるためにはDを対称化しておけばよい。
Since D in the formula (13) is usually asymmetric, the elements of K and F are complex numbers. Therefore, in order to avoid complex numbers, D should be made symmetric.
主成分分析での固有ベクトルuiは直交しているが、tICAで得られる固有ベクトルfiは直交していない。しかし、以下の式(14)の関係を満たす。 Although the eigenvectors u i in the principal component analysis are orthogonal, the eigenvectors f i obtained by the tICA are not orthogonal. However, the following relationship in equation (14) is satisfied.
このため、以下の式(15)の様に規定することで、非直交基底として利用できる。
Therefore, by defining it as in the following equation (15), it can be used as a non-orthogonal basis.
したがって、時系列データは以下の式(16)のように展開できる。
Therefore, the time series data can be expanded as shown in the following equation (16).
このことから、giが運動の方向を表す独立成分(si)であることがわかる。だたし、独立成分へトラジェクトリx(t)を射影する場合は、giではなく、fiを使用することになる。また、固有値は運動の時間スケールを特徴づけており、固有値が大きいほど独立成分方向の運動の時間スケールが遅いことを表している。よって、I番目の固有ベクトルに射影したトラジェクトリai(t)を解析することでその動的振る舞いがわかる。
From this, it can be seen that g i is an independent component (s i ) that represents the direction of movement. However, when projecting the trajectory x(t) onto the independent component, f i is used instead of g i . In addition, the eigenvalue characterizes the time scale of the movement, and the larger the eigenvalue, the slower the time scale of the movement in the independent component direction. Therefore, by analyzing the trajectory a i (t) projected onto the I-th eigenvector, its dynamic behavior can be understood.
時間遅れτであるが、理想的な場合、結果はτに依存しないが、多くの場合、τによって異なる結果が得らえる場合がある。このため、τは、τの値を変化させても同様の値をとるτを選択することが好ましい。
(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 for the time delay τ, ideally, the result does not depend on τ, but in many cases, different results may be obtained depending on τ. For this reason, it is preferable to select a τ that has a similar value even if the value of τ is changed.
(Structural model creation process)
In the structural model creation step, a plurality of models of a structure in which a plurality of atoms are positioned in a direction in which they are likely to move can be created based on the results of the analysis step.
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, the coordinates of multiple atoms set in the initial structure setting process can be calculated in the analysis process, and multiple structural models can be created in which the positions of each atom are shifted in the direction in which it is easiest to move, by changing the distance of movement, etc.
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、大きな固有値をもつ固有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 method for searching for a diffusion path according to the present embodiment aims to search for a diffusion path of a diffusing atom. For this reason, 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 may be a diffusion path, have a large amplitude. Therefore, it is preferable to create a structural model in which the atoms are moved in the direction of an eigenvector having a large eigenvalue among the results obtained in the analysis step.
(Diffusion Path Search Process)
In the diffusion path searching step, the diffusion path of the atom for which the diffusion path is to be searched, i.e., the diffusion path of the diffusing atom, can be searched for from the multiple structural models created in the structural creation step. Specifically, for example, the multiple structural models created are compared, and for atoms constituting the crystal other than the diffusing atom, a portion where the interatomic distance is larger than the atomic radius of the diffusing atom can be recognized as the diffusion path.
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独立成分分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 method for searching for diffusion paths in this embodiment described above, the direction in which atoms are likely to move is derived using independent component analysis based on the results of molecular dynamics calculations, and the diffusion path is searched for using a structural model that has been moved in that direction. This makes it possible to efficiently search for diffusion paths that would be difficult to find from a static crystal structure obtained in an experiment in which atoms are in their 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。
In addition, as described above, a diffusion path is searched for using a structural model that reflects atomic fluctuations based on the results of molecular dynamics calculations, making it possible to search for a diffusion path in a structure that is closer to reality.
[Simulation device]
The simulation device of this embodiment is a simulation device for efficiently searching for diffusion paths of atoms in a crystal. Therefore, it can be called a diffusion path searching 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 contained in the crystal used to search for diffusion paths.
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独立成分分析を行い、複数の原子が動きやすい方向を求める分析部。 The analysis section performs independent component 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 section uses the results of the analysis section to create multiple structural models in which multiple atoms are positioned in directions that are easy for them to move.
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 section searches for atomic diffusion paths from multiple structural models created by the structural model creation section.
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 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、独立成分分析、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。
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。
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。
Figure 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 In 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独立成分分析を行い、複数の原子が動きやすい方向を求めることができる。独立成分分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 on the positions of a plurality of atoms set by the initial structure setting unit 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 multiple atoms whose positions are set in the initial structure setting section. The molecular dynamics calculations have already been explained, so the explanation will be omitted here.
(B-3) Analysis Unit
(B-4) Structural Model Creation Unit The structural
(B-5) Diffusion Path Searching 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独立成分分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 device of this embodiment described above, the direction in which atoms are likely to move is derived using independent component analysis based on the results of molecular dynamics calculations, and a diffusion path is searched for using a structural model that has been moved in that direction. This makes it possible to efficiently search for diffusion paths that would be difficult to find from a static crystal structure obtained in an experiment in which atoms are in their 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。
In addition, as described above, a diffusion path is searched for using a structural model that reflects atomic fluctuations based on the results of molecular dynamics calculations, making it possible to search for a diffusion path in a structure that is closer to reality.
[program]
Next, the program of this embodiment will be described.
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 is a program for efficiently searching for atomic diffusion paths within a crystal, and can cause a computer to function as each of the following parts:
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 contained in the crystal used to search for diffusion paths.
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独立成分分析を行い、複数の原子が動きやすい方向を求める分析部。 The analysis section performs independent component 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 section uses the results of the analysis section to create multiple structural models in which multiple atoms are positioned in directions that are easy for them to move.
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 section searches for atomic diffusion paths from multiple structural models created by the structural model creation section.
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 the RAM or ROM of the simulation device described above, or in the main or auxiliary storage devices. Then, by loading the program and executing it with the CPU, data can be read and written in the RAM, etc., and the input/output interface and display device can be operated and executed. For this reason, the matters already described for the simulation device will not be described.
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 the present embodiment described above may be stored on a computer connected to a network such as the Internet and provided by downloading it via the network. The program of the present embodiment may also 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 in a state stored on a recording medium such as an optical disk, such as a CD-ROM, or 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独立成分分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 determined using independent component analysis based on the results of molecular dynamics calculations, and a diffusion path is searched for using a structural model that has been moved in that direction. This makes it possible to efficiently search for diffusion paths that would be difficult to find from a static crystal structure obtained in an experiment in which atoms are in their 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。 In addition, as described above, the diffusion path is searched for using a structural model that reflects atomic fluctuations based on the results of molecular dynamics calculations, 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。
The present invention will be described in more detail below with reference to examples, although the present invention is not limited to the following examples.
[Example 1]
The diffusion path of Li atoms in LiMn 2 O 4 was explored by the following procedure.
(Initial structure setting process)
An initial structure of LiMn 2 O 4 was set. Specifically, an
(Calculation process)
Next, molecular dynamics calculations were used to determine the 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。 The molecular dynamics calculations were performed using the LAMMPS software, and the force field developed by Ishizawa et al. at Nagoya University. The coordinates of each atom were then input 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。 The velocity Verlet method was used to calculate the velocity when performing molecular dynamics calculations, with a time span of 1 fs. The Nose-Hoover chain method was used to control the temperature, with a set temperature of 300 K.
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独立成分分析(tICA)を行い、複数の原子が動きやすい方向を求めた。
Molecular dynamics calculations were carried out for 10 nanoseconds under the above conditions.
(Analysis process)
Independent component analysis (tICA) was performed on the changes in the coordinates of multiple atoms obtained in the calculation process to determine the directions in which multiple atoms are likely to move.
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(17)により修正した。 When the results obtained in the calculation process were subjected to the analysis process, they were corrected using the following formula (17) so that the average value became 0.
なお、上記式中のx(t)は、tICA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。
In the above formula, x(t) represents the trajectory used in tICA, x'(t) represents the trajectory obtained in the calculation process, and <x'> represents the time average.
tICAの計算には自作のPythonコードを使用し、一般化固有値問題はPythonの数値計算ライブラリNumpyを使って解いた。時間遅れτは50psとした。
(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 to calculate tICA, and the generalized eigenvalue problem was solved using the Python numerical calculation library Numpy. The time delay τ was set to 50 ps.
(Structural model creation process)
From the results of the analysis process, multiple structural models were created in which the coordinates of multiple atoms set in the initial structure setting process were changed in the direction in which each atom would move easily, as calculated in the analysis process, and the movement distance, etc. were changed.
(Diffusion Path Search Process)
The diffusion paths of the diffusing atoms were explored from multiple structures created during 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固有値をもつ10個の固有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、固有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 motion has a large amplitude, i.e., it moves slowly and widely. For this reason, in the analysis step, the trajectory obtained in the calculation step was used to calculate projected trajectories projected onto 10 eigenvectors with large eigenvalues. Then, in the diffusion path search step, it was confirmed whether a space that could become a diffusion path could be obtained among them. Specifically, in the structural model creation step, atoms were moved in the eigenvector direction, and in the diffusion path search step, it was confirmed whether a continuous space was formed between 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。 The diffusion paths of the diffusing atoms obtained in the diffusion path exploration process are shown in Figure 4.
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。
The
Claims (1)
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独立成分分析を行い、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、を実行する拡散経路の探索方法。 The computer
an initial structure setting step of setting the positions of a plurality of atoms contained in a crystal used in the diffusion path search;
a calculation step of performing a molecular dynamics calculation using the plurality of atoms whose positions have been set in the initial structure setting step;
an analysis step of performing an independent component analysis on the coordinate data of the plurality of atoms obtained in the calculation step to determine directions in which the plurality of atoms tend to move;
a structural model creation step of creating a plurality of structural models in which the plurality of atoms are positioned in directions in which they are likely to move, based on the results of the analysis step;
a diffusion path searching step of searching for an atomic diffusion path from the plurality of structural models created in the structural model creating step;
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