電気二重層斥力の性質を利用した相転移直接観察のための理論的研究

• Project/Area Number: 16J01465
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Research Field: Biological physics/Chemical physics/Soft matter physics
• Research Institution: Kyushu University
• Principal Investigator: 末松 安由美 九州大学, 理学研究院, 特別研究員(PD)
• Project Period (FY): 2016-04-22 – 2019-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2018)
• Budget Amount: ¥3,250,000 (Direct Cost: ¥2,500,000、Indirect Cost: ¥750,000); Fiscal Year 2018: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000); Fiscal Year 2017: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000); Fiscal Year 2016: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000)
• Keywords: 実効相互作用 / 積分方程式理論 / イオン価数依存性 / 荷電粒子間実効相互作用 / Debye-Huckel近似 / 電解質の価数依存性 / 積分方程式理論(HNC-OZ) / 荷電粒子間相互作用 / Debye-Huckel理論

Outline of Annual Research Achievements

1.多価カチオンを含む電解質中のタンパク質は、電解質濃度を上げていくと一度凝集し、さらに濃度を上げるとまた溶解するリエントラントな相挙動をすることが実験で示されている。本研究ではこのメカニズムに理論的手法を用いてアプローチを行った。タンパク質中の酸性残基中の酸素イオンに注目をし、酸素イオン同士が引力パッチとなって局所的に相互作用するモデルを適用する。このモデルの有効性を示すため、酸素サイズの荷電粒子間相互作用を積分方程式理論で計算した。その結果の実効相互作用は、多価カチオンを含まない場合にはリエントラントな挙動を示さず、含む場合のみリエントラントな挙動を示唆する結果となった。また、一様電荷モデルの場合に問題となった長距離斥力は、電解質濃度を上げることで弱くなって消えていくことが示され、酸素パッチモデルが実験の良いモデルになっている有力な結果を示すことに成功した。また同時に、この酸素サイズの粒子間相互作用はシミュレーションでは計算が難しく、粒子間相互作用の粒子サイズ依存性も示すことに成功している。これらの結果を論文にまとめて投稿し、受理された。
2.弱結合領域における荷電粒子間相互作用について、特にDebye-Huckel(DH)方程式の適用が適切でない領域で積分方程式理論による計算を行った。特に、DH理論ではイオン強度一定の場合にはアニオンの価数を変化させても荷電粒子間相互作用には影響しない。そこで、DH理論が適用できない弱結合領域での実効相互作用のアニオン価数依存性を調べた。その結果、イオン強度を一定にしても、実効相互作用は変化し、そのアニオン価数依存性は実験や別の理論で求められた結果と定性的に一致した。一方、カチオンの濃度を一定にしてアニオンの価数を変化させたところ、実効相互作用はほとんど変化しなかった。この結果を現在解析しながら論文にまとめている。

Research Progress Status

平成30年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

平成30年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Effective potential between negatively charged patches on acidic proteins immersed in various electrolyte solutions (2018)
  • Author(s): Suematsu Ayumi、Sawayama Takuto、Akiyama Ryo
  • Journal Title: The Journal of Chemical Physics Volume: 149 Issue: 7 Pages: 074105-074105
  • DOI: 10.1063/1.5038912
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Effects of interactions between depletants in phase diagrams of binary hard-sphere systems (2016)
  • Author(s): A. Suematsu, A. Yoshimori and R. Akiyama
  • Journal Title: EPL (Europhysics Letters) Volume: 116 Issue: 3 Pages: 38004-38004
  • DOI: 10.1209/0295-5075/116/38004
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Presentation] Dependence of effective interaction between like charged colloidal particles on co-ion charge in an electrolyte solution: An analysis using HNC-OZ theory (2019)
  • Author(s): Ayumi Suematsu, Mafumi Hishida, Ryo Akiyama
  • Organizer: Berkeley Statistical Mechanics Meeting
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Debye-Huckel領域と強結合領域の間における実効相互作用の統計力学的解析 (2019)
  • Author(s): 末松安由美、菱田真史、秋山良
  • Organizer: 研究会 凝縮系の理論化学
• [Presentation] 荷電コロイド粒子間実効相互作用のアニオン価数依存性;HNC-OZ理論を用いた解析 (2019)
  • Author(s): 末松安由美、菱田真史、秋山良
  • Organizer: 日本物理学会第７4回年次大会
• [Presentation] Anionic charge dependence of effective interaction between macroanions in electrolyte solution (2018)
  • Author(s): Ayumi Suematsu, Mafumi Hishida, Ryo Akiyama
  • Organizer: 12th Mini-Symposium on liquids
• [Presentation] 電解質溶液中の負に帯電した生体分子間の相互作用に多価陽イオンが与える影響 (2018)
  • Author(s): 末松安由美、秋山良
  • Organizer: 第12回分子科学討論会
• [Presentation] 多価アニオンを含む電解質中の荷電コロイド粒子間相互作用のHNC-OZ理論による解析 (2018)
  • Author(s): 末松安由美、菱田真史、秋山良
  • Organizer: 第69回コロイドおよび界面化学討論会
• [Presentation] Dependence of effective interaction between charged colloidal particles on co-ion charge; An analysis using HNC-OZ theory (2018)
  • Author(s): 末松安由美、菱田真史、秋山良
  • Organizer: Soft Matter Physics: from the perspective of the essential heterogeneity
• [Presentation] 多価カチオンを含む電解質中におけるタンパク質表面の負に帯電した酸素間の実行相互作用 (2018)
  • Author(s): 末松安由美、秋山良
  • Organizer: 日本物理学会第７３回年次大会
• [Presentation] 統計力学的手法による２成分剛体球系の相挙動の研究 (2017)
  • Author(s): 末松安由美、吉森明、秋山良
  • Organizer: 研究会「凝縮系の理論化学」
  • Invited
• [Presentation] Exclusion of coions from space between two macroions in an electrolyte solution: the charge dependence (2017)
  • Author(s): 末松安由美、秋山良
  • Organizer: 11th Mini Symposium on liquids
• [Presentation] Effective potential and crystallization by depletion effect in binary hard-sphere systems (2017)
  • Author(s): 末松安由美、吉森明、秋山良
  • Organizer: 10th Liquid Matter Conference
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] HNC-OZ 理論による電解質溶液中同符号コロイド粒子間 相互作用に基づくモンテカルロシミュレーション (2016)
  • Author(s): 末松安由美、秋山良
  • Organizer: 日本物理学会 秋季大会(2016年)
• [Presentation] Monte Carlo simulation of the charged colloidal particles based on the effective interaction calculated by HNC-OZ theory and the radial distribution function (2016)
  • Author(s): 末松安由美、秋山良
  • Organizer: The 10th MIni-Symposium on Liquids