「CSH は何でできているのか？」――粒子としてのふるまい（コロイド、LD/HD（Low/High Density：低密度/高密度）、nanogranular）を理解してきた私たちにとって、最後まで“手でさわれなかった”のが粒子の中身＝原子配置でした。CSH（calcium silicate hydrate：ケイ酸カルシウム水和物）について、2009年、Pellenq らは PNAS において、散乱実験・密度・化学量に整合する実在的な原子モデル（通称 CSH-FF）を提示します。トバモライト類似の層状モチーフに欠陥と水酸基・層間水を導入し、ボトムアップに構築された力場で、構造・物性・吸着をひと続きに扱えるようにしたのが決定打でした。以後の「CSH を計算で“育て”、混和材やイオンの影響を原子レベルで確かめる」研究は、この一歩から一気に加速します。
- CSH-FF は、散乱・密度・化学量に整合するCSH の実在的な原子モデル＋専用力場です。
- “短距離は層状秩序、長距離は乱れ”を前提に、弾性・表面・吸着まで一貫して扱える道具を与えました。
- ただし平均像であり、SAXS/SANS（小角X線/中性子散乱）等の実験と突き合わせて使う距離感が重要です。
1｜CSH-FFとは？何をした研究なのか（ひとことで）
Pellenq らは、短距離の層状秩序（トバモライト様）を土台に、Ca/Si の過剰・欠陥・層間水を現実のセメントペーストに合わせて組み込み、散乱・密度・化学式を満たす原子モデルを組み立てました。ここに専用の相互作用ポテンシャル（CSH-FF）を与え、分子動力学で体積・表面・弾性的応答・吸着を一貫計算できる道具に仕立て上げます。これにより、経験的な結晶参照（T/J）や連続体近似では届きにくかった原子レベルの問い――「層間水はどこに座るのか、イオンはどのサイトに安定か、表面の反応性は何で決まるのか」――へ、直接手が届くようになりました。
2｜何が決定的に新しかったのか
それまで“原子モデル”と言えば、完晶のトバモライトやジェンナイトを代理にするしかありませんでした。しかし実材の CSH は欠陥だらけで、水とイオンを抱える半秩序です。CSH-FF はこの“曖昧さ”を前提に、散乱データと密度（非乾燥）に合わせて構造パラメータを校正。結果として、局所の Si–O 配列（短距離秩序）は保ちながら、層間・表面には現実的な乱れを持つモデルが手に入りました。「理想結晶の近似」から「実在に整合する粗さ」へ――議論の足場が一段、現実に近づいたのです。
3｜どうやって確かめたのか（検証の筋）
原子モデルは“都合よく作れば何でも説明できる”という罠があります。そこで Pellenq らは、散乱（全散乱・PDF（Pair Distribution Function：原子間距離分布））の特徴量、既報の CSH 固体密度（非乾燥）、弾性の目安 など複数の外部基準で整合を取りました。続く 2010 年の総 X 線散乱は、CSH の短距離秩序の広がりとトバモライト類似性を高精度で可視化し、「短距離は秩序、長距離は乱れ」という PNAS の前提を後押しします。さらに 2016 年にはメソスケールのテクスチャが定量化され、原子像から“粒子集合の景色”へ橋がかかりました。実験と計算が相互補強する構図が、ここで確立します。
4｜CSH-FFで何ができる？（実務と研究の橋）
CSH-FF の強みは、“化学をひと目盛り動かして結果を見る”ができることです。たとえば Al の置換で鎖長や層間の電荷バランスがどう揺れるか、Na/Mg の侵入で層間水の配位がどう変わるか――これらは耐久・塩害・炭酸化の初期応答に直結します。表面エネルギーや吸着自由エネルギーが出れば、微細ひび割れの進展・界面のぬれといったマクロ現象にも“相性”が見えてきます。配合—養生—環境の三要素を、原子→ナノ→メソの一本線でつなぐ試みが現実味を帯びたのは、このモデルの普及以後です。
5｜一般読者の直観でとらえ直す
ガラス片をすりガラスにすると、光は散らばるけれど表面には確かな手触りがあります。CSH も似ています。内側（短距離）には層状の規則性があり、外側（長距離）には欠陥と乱れがある。手触りがあるから強く、乱れがあるから水やイオンが動ける。CSH-FF はこの“すりガラス”の手触りを、原子の位置と力で記述し、どの傷（欠陥）をどれだけ増やすと、どんな触感（物性）に変わるかを確かめる“仮想工房”を与えてくれました。
6｜限界と使いどころ
万能ではありません。CSH-FF は“代表的な平均像”であり、実材のばらつき（C/S、Al 置換、湿度履歴、温度）すべてを一度に抱えるわけではない。時間スケールも、クリープや炭酸化の長期をそのまま再現するにはまだ重い。だからこそ、等温線（CM-II）・インデンテーション・SAXS/SANSと“複式簿記”で突き合わせ、「どこまで合っていれば十分か」の合意を明示することが実務には欠かせません。モデルは羅針盤であり、設計や診断の代行者ではない――この距離感が肝です。
7｜まとめ
CSH-FF は「CSH を原子から語る」ための初めての現実的な定規でした。トバモライトの“秩序”と、実材の“乱れ”を同じ紙面にのせ、散乱—密度—弾性—吸着を横串で整合。以後のメソスケール連結や機械学習の特徴量設計は、この定規を当てながら進んでいます。次回は 2006→2017｜Lothenbach 系：熱力学モデリングの標準化。原子像を溶液化学と相平衡に接続し、配合・温度・時間をまたぐ“設計計算”へと話を進めます。
FAQ｜CSH-FFでよくある質問
Q1. CSH-FFはトバモライトそのものですか？
A. いいえ。短距離の層状秩序はトバモライト様ですが、実材に合わせて欠陥・水酸基・層間水などの“乱れ”を組み込み、散乱・密度・化学量に整合する平均像として構築されています。
Q2. CSH-FFで何が予測できますか？
A. 体積・表面・弾性的応答・吸着などを、同じ枠組み（力場＋分子動力学）で一貫して扱えます。たとえば、イオンの安定サイト、層間水の配置、表面反応性の違いなど、原子レベルの機構仮説を検証しやすくなります。
Q3. 限界は何ですか？実務ではどう使うべき？
A. 代表的な平均像であり、実材のばらつき（組成・湿度履歴・温度など）や長期現象（クリープ、炭酸化の進行）をそのまま再現する用途には限界があります。等温線（CM-II）・インデンテーション・SAXS/SANS等と突き合わせて“どこまで合えば十分か”を明示し、設計・診断の補助として使うのが安全です。
参考文献
- Pellenq, R. J.-M., et al. (2009). A realistic molecular model of cement hydrates. PNAS, 106(38), 16102–16107. DOI: https://doi.org/10.1073/pnas.0902180106 ／ PubMed: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/19805265/ ／ PDF: https://www.pnas.org/doi/pdf/10.1073/pnas.0902180106
- Skinner, L. B., et al. (2010). Nanostructure of calcium silicate hydrates in cements. Physical Review Letters, 104(19), 195502. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.104.195502 ／ Publisher: https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.104.195502 ／ PubMed: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/20481967/
- Ioannidou, K., et al. (2016). Mesoscale texture of cement hydrates. PNAS, 113(8), 2029–2034. DOI: https://doi.org/10.1073/pnas.1520487113 ／ PDF: https://www.pnas.org/doi/pdf/10.1073/pnas.1520487113 ／ PubMed: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/26858458/
- Shahsavari, R., et al. (2011). Empirical force fields for complex hydrated calcio-silicate layered materials. Physical Chemistry Chemical Physics, 13(21), 1002–1011. DOI: https://doi.org/10.1039/C0CP00516A（CSH とトバモライトを扱う力場の比較・基礎）
- Abdolhosseini Qomi, M. J., et al. (2014). Combinatorial molecular optimization of cement hydrates. Nature Communications, 5, 4960. DOI: https://doi.org/10.1038/ncomms5960（原子モデルに基づく最適化の代表例）
