材料設計指針の構築を目指したセルロース結晶の表界面における分子論的描像の解明

• Project/Area Number: 16J10411
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Research Field: Wood science
• Research Institution: University of Miyazaki (2018); Kagoshima University (2016-2017)
• Principal Investigator: 宇都 卓也 宮崎大学, テニュアトラック推進機構, テニュアトラック助教 (60749084)
• Project Period (FY): 2016-04-22 – 2019-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2018)
• Budget Amount: ¥4,420,000 (Direct Cost: ¥3,400,000、Indirect Cost: ¥1,020,000); Fiscal Year 2018: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000); Fiscal Year 2017: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000); Fiscal Year 2016: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000)
• Keywords: セルロース / キチン / イオン液体 / 溶解 / 分子鎖シート / ナノチューブ / 分子動力学 / 密度汎関数理論 / 有機溶媒 / 分子動力学計算 / 溶解挙動 / 結晶モデル / ミクロフィブリル / 水素結合

Outline of Annual Research Achievements

最近、構造多糖を溶解するイオン液体に注目がされている。異なるイオン液体のセルロースやキチンに対する溶解性を関連づけるために、イオン液体中におけるセルロース・キチン溶解の分子動力学計算を実施した。その結果、イオン液体のカチオンとアニオンが協同的にセルロース・キチンの分子間水素結合を切断する溶解過程を観察した。特に、界面に存在する臭化物イオンがキチン溶解に寄与することが計算によって示唆されたため、微量の臭化物イオン存在下でもキチン溶解性が向上することを実験によって検証した。また、水素結合切断量と実際のセルロース・キチン溶解度が強く相関し、文献情報の無いイオン液体の溶解度を予測した。さらに、多糖材料の高次構造制御に関する体系的な理解を目的として、イオン液体中でのキサンタンガムのダイナミクス挙動や、臭化カルシウム二水和物/メタノール溶液中でのキチン溶解現象について計算化学的手段により解析した。
また、セルロースの結晶構造を3次元分解した分子鎖シートモデルに対して、密度汎関数理論計算を適用した。その結果、天然セルロース繊維について、長年議論されてきた変形特性の要因が、Iα型(110)/Iβ型(100)面の平面状分子鎖シートに由来することを明らかにした。天然型セルロース結晶のアミン処理によって得られるⅢ型結晶構造（100）面由来の孤立分子鎖シートモデルがナノチューブ形態に変化することを以前に観察した。本年度は、シクロヘキサンおよび酢酸エチル中でのセルロースナノチューブ（CelNT）モデルの立体構造安定性を評価した。実験的にセルロース分子鎖をチューブ状に自己組織化させ、CelNT構造を創製することは容易でないと推定されるが、提案したチューブ構築原理は、疎水性表面を持つセルロースの様々なナノ構造体設計へと展開しうるものと期待される。

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] Higher Ordered Structure of Cellulose Predicted by Computational Chemistry (2018)
  • Author(s): 宇都卓也, 湯井敏文
  • Journal Title: Journal of Fiber Science and Technology Volume: 74 Issue: 8 Pages: 171-176
  • DOI: 10.2115/fiberst.2018-0024
  • NAID: 130007437364
  • ISSN: 2189-7654
  • Year and Date: 2018-08-10
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Understanding Dissolution Process of Chitin Crystal in Ionic Liquids: Theoretical Study (2018)
  • Author(s): Takuya Uto, Satoshi Idenoue, Kazuya Yamamoto, Jun-ichi Kadokawa
  • Journal Title: Physical Chemistry Chemical Physics Volume: 20 Issue: 31 Pages: 20669-20677
  • DOI: 10.1039/c8cp02749h
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] DFT Optimization of Isolated Molecular Chain Sheet Models Constituting Native Cellulose Crystal Structures (2018)
  • Author(s): Takuya Uto, Toshifumi Yui
  • Journal Title: ACS Omega Volume: 3 Issue: 7 Pages: 8050-8058
  • DOI: 10.1021/acsomega.8b00834
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Cellulose Crystal Dissolution in Imidazolium-Based Ionic Liquids: A Theoretical Study (2018)
  • Author(s): Takuya Uto, Kazuya Yamamoto, Jun-ichi Kadokawa
  • Journal Title: The Journal of Physical Chemistry B Volume: 122 Issue: 1 Pages: 258-266
  • DOI: 10.1021/acs.jpcb.7b09525
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Molecular Dynamics Simulations of Theoretical Cellulose Nanotube Models (2018)
  • Author(s): Takuya Uto, Yuta Kodama, Tatsuhiko Miyata, Toshifumi Yui
  • Journal Title: Carbohydrate Polymers Volume: 190 Pages: 331-338
  • DOI: 10.1016/j.carbpol.2018.03.004
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Double Helix Formation from Non-natural Amylose Analog Polysaccharides (2018)
  • Author(s): Toshifumi Yui, Takuya Uto, Takuya Nakauchida, Kazuya Yamamoto,Jun-ichi Kadokawa
  • Journal Title: Carbohydrate Polymers Volume: 189 Pages: 184-189
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 分子鎖シートの立体構造安定性に基づいたセルロース結晶多形の構造特性解析 (2018)
  • Author(s): 宇都卓也, 米倉努, 湯井敏文
  • Journal Title: Cellulose Communications Volume: 25 Pages: 20-23
• [Presentation] Cellulose Dissolution in Ionic Liquids: A Theoretical Study (2018)
  • Author(s): T. Uto, K. Yamamoto, J. Kadokawa
  • Organizer: Fiber Society’s Spring 2018 Conference
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Dissolution Simulation of Chitin in Imidazolium-based Ionic Liquids (2018)
  • Author(s): T. Uto, K. Yamamoto, J. Kadokawa
  • Organizer: MACRO18 World Polymer Congress
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Understanding the Dissolution Processes of Chitin in Ionic Liquids: A Theoretical Study (2018)
  • Author(s): T. Uto, K. Yamamoto, J. Kadokawa
  • Organizer: 256th ACS National Meeting & Exposition
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] イオン液体中におけるキチンの溶解シミュレーション (2018)
  • Author(s): 宇都卓也, 山元和哉, 門川淳一
  • Organizer: 第67回高分子学会年次大会
• [Presentation] 多糖/イオン液体の計算化学研究 (2018)
  • Author(s): 宇都卓也
  • Organizer: 高分子学会九州支部特別講演会
  • Invited
• [Presentation] イオン液体中におけるセルロース・キチンの溶解シミュレーション (2018)
  • Author(s): 宇都卓也
  • Organizer: 第2回 繊維学会西部支部若手講演会
  • Invited
• [Presentation] イオン液体中におけるセルロースおよびキチン溶解の分子シミュレーション研究 (2018)
  • Author(s): 宇都卓也, 山元和哉, 門川淳一
  • Organizer: 日本化学会 第98春季年会
• [Presentation] カチオン性とアニオン性のアミロースアナログアミノ多糖からの錯体形成 (2018)
  • Author(s): 宇都卓也, 湯井敏文, 山元和哉, 門川淳一
  • Organizer: 日本化学会 第98春季年会
• [Presentation] Molecular dynamics study of chitin crystal models in ionic liquids (2017)
  • Author(s): 宇都卓也、山元和哉、門川淳一
  • Organizer: 253rd American Chemical Society National Meeting & Exposition
  • Place of Presentation: サンフランシスコ市（アメリカ合衆国）
  • Year and Date: 2017-04-02
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] イオン液体中におけるセルロース結晶モデルの分子動力学計算 (2017)
  • Author(s): 宇都卓也、山元和哉、門川淳一
  • Organizer: 日本化学会第97春季年会（2017）
  • Place of Presentation: 慶應義塾大学日吉キャンパス（神奈川県・横浜市）
  • Year and Date: 2017-03-16
• [Presentation] イオン液体中におけるキチン結晶の溶解挙動に関する理論的研究 (2017)
  • Author(s): 宇都卓也、吉田潤平、山元和哉、門川淳一
  • Organizer: 日本化学会第97春季年会（2017）
  • Place of Presentation: 慶應義塾大学日吉キャンパス（神奈川県・横浜市）
  • Year and Date: 2017-03-16
• [Presentation] Molecular Dynamics Study of Chitin Crystal Models in Ionic Liquids (2017)
  • Author(s): Takuya Uto, Kazuya Yamamoto, Jun-ichi Kadokawa
  • Organizer: 253rd American Chemical Society National Meeting & Exposition
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Crystal Deformation and Transformation of Cellulose Allomorphs Derived from Stability of Molecular Chain Sheets (2017)
  • Author(s): Takuya Uto, Toshifumi Yui
  • Organizer: 253rd American Chemical Society National Meeting & Exposition
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] イオン液体によるセルロース結晶モデルの溶解シミュレーション (2017)
  • Author(s): 宇都卓也, 山元和哉, 門川淳一
  • Organizer: 第66回高分子学会年次大会
• [Presentation] イオン液体中におけるキチン溶解挙動の計算化学研究 (2017)
  • Author(s): 宇都卓也, 山元和哉, 門川淳一
  • Organizer: 第66回高分子学会年次大会
• [Presentation] イオン液体によるセルロース結晶モデルの溶解シミュレーション (2017)
  • Author(s): 宇都卓也, 山元和哉, 門川淳一
  • Organizer: セルロース学会第24回年次大会
• [Presentation] イオン液体によるキチン溶解の分子シミュレーション研究 (2017)
  • Author(s): 宇都卓也, 山元和哉, 門川淳一
  • Organizer: 第31回日本キチン・キトサン学会大会
• [Presentation] イオン液体によるセルロース・キチンの溶解シミュレーション (2017)
  • Author(s): 宇都卓也, 山元和哉, 門川淳一
  • Organizer: 第66回高分子討論会
• [Presentation] Dissolution Behaviors of Cellulose Crystal in Ionic Liquids ; A Theoretical Study (2017)
  • Author(s): Takuya Uto, Kazuya Yamamoto, Jun-ichi Kadokawa
  • Organizer: The 4th International Cellulose Conference ICC 2017
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] イオン液体中におけるセルロース溶解の分子シミュレーション研究 (2017)
  • Author(s): 宇都卓也, 山元和哉, 門川淳一
  • Organizer: 平成29年度 繊維学会秋季研究発表会
• [Presentation] Molecular dynamics study of cellulose and chitin crystals in ionic liquids (2016)
  • Author(s): 宇都卓也、山元和哉、門川淳一
  • Organizer: The 11th SPSJ International Polymer Conference (IPC 2016)
  • Place of Presentation: 福岡国際会議場（福岡県・福岡市）
  • Year and Date: 2016-12-13
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Molecular dynamics simulation of cellulose and chitin crystal models in ionic liquids (2016)
  • Author(s): 宇都卓也、山元和哉、門川淳一
  • Organizer: 7th Japan-Taiwan Bilateral Workshop on Nano-Science (JTBW 2016) & 2nd KU-NDSU Joint Symposium on Biotechnology, Nanomaterials and Polymers(KNJS2016)
  • Place of Presentation: 鹿児島大学（鹿児島県・鹿児島市）
  • Year and Date: 2016-10-31
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] イオン液体中におけるセルロースおよびキチン結晶モデルの分子動力学シミュレーション (2016)
  • Author(s): 宇都卓也、山元和哉、門川淳一
  • Organizer: 第65回高分子討論会
  • Place of Presentation: 神奈川大学横浜キャンパス（神奈川県・横浜市）
  • Year and Date: 2016-09-14