Analysis of the dynamics of supercooled water in carbon materials using reactive molecular dynamics simulations
| Project/Area Number |
19K05209
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 28030:Nanomaterials-related
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| Research Institution | Kyoto Institute of Technology |
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Principal Investigator |
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2023-03-31
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| Project Status |
Completed (Fiscal Year 2022)
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| Budget Amount *help |
¥4,030,000 (Direct Cost: ¥3,100,000、Indirect Cost: ¥930,000)
Fiscal Year 2021: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000)
Fiscal Year 2020: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000)
Fiscal Year 2019: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000)
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| Keywords | カーボンナノチューブ / 反応力場 / 分子動力学シミュレーション / OHラジカル / 脂質膜 / 水の透過 / 膜透過 / 過冷却液体 / 局所構造 / 反応分子動力学法 / 動的反応力場 / 炭素構造体 / ナノ空間 / 閉じ込め系 / 過冷却水 |
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| Outline of Research at the Start |
疎水性細孔中における過冷却水の構造およびダイナミクスを、化学反応を取り入れた分子動力学シミュレーションで解析する。親水性のシリカ細孔における結果と比較することで、界面の性質が過冷却水の物性に及ぼす影響を、原子レベルで明らかにする。シミュレーションの結果を実験へとフィードバックすることで、細孔内実験で得られた結果のより正確な解釈を可能とし、今後の細孔材料の開発に役立てることを目指す。界面の影響を考慮した上で低温の水の性質を調べることにより、細孔内実験で観測される過冷却水の異常な振る舞いのメカニズム解明に繋げる。
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| Outline of Final Research Achievements |
To investigate the behavior of water within a carbon nanotube (CNT), molecular dynamics simulations using the reactive force field, ReaxFF, were carried out. First, four different parameter sets of ReaxFF were evaluated, revealing significant variations in the rate of water penetration into the CNT depending on the chosen parameter set. One particular parameter set precluded any water penetration into the CNT. Subsequently, simulations were conducted to examine the permeation of water and OH radicals through the CNT vertically penetrating a lipid membrane. The findings indicated that the CNT, featuring hydrogen terminations at its ends, allow water to pass through, but not OH radicals. For comparison, additional permeation simulations were performed with aquaporin incorporated into the lipid membrane. Intriguingly, it was observed that a small amount of OH radicals managed to traverse the aquaporin channel by forming hydrogen bonds with water.
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| Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements |
CNTを用いた膜透過の研究は、CNTの末端修飾により選択的な分子透過システムを実現する可能性を秘めている。OHラジカルをガン細胞に選択的に透過させることができれば、ガン細胞を狙い撃ちした治療システムの構築に繋がる。アクアポリンを透過させるシミュレーションでは、入り口付近にエネルギー障壁があることが分かったので、CNTの末端修飾により入り口の障壁を下げてやれば、水との複合体として透過が可能かもしれない。ラジカルのような反応性が高い種を扱うときには、反応力場を用いたシミュレーションが力を発揮するので、そのパラメータ調整を含めて計算を進めていくことが重要である。
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Report
(5 results)
Research Products
(32 results)
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Organizer
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