Structure-property relationship of elastomers based on complex network science

• Project/Area Number: 20H02800
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 35020:Polymer materials-related
• Research Institution: Kyushu University
• Principal Investigator: 天本 義史 九州大学, 先導物質化学研究所, 助教 (70773159)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2024-03-31
• Project Status: Declined (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥17,290,000 (Direct Cost: ¥13,300,000、Indirect Cost: ¥3,990,000); Fiscal Year 2022: ¥2,600,000 (Direct Cost: ¥2,000,000、Indirect Cost: ¥600,000); Fiscal Year 2021: ¥10,010,000 (Direct Cost: ¥7,700,000、Indirect Cost: ¥2,310,000); Fiscal Year 2020: ¥2,080,000 (Direct Cost: ¥1,600,000、Indirect Cost: ¥480,000)
• Keywords: エラストマー / ゴム弾性 / 複雑ネットワーク科学 / 応力集中 / 複雑ネットワーク / データサイエンス / 分子動力学シミュレーション / 構造物性相関 / 高次構造

Outline of Research at the Start

本研究では、架橋高分子のポリマー鎖の複雑な繋がりをデータサイエンスの手法を用いて定量的に評価し、力学物性の記述に取り組む。具体的には、複雑ネットワーク科学の観点から、中心性やモジュラリティなどの指標に基づき、架橋点間のポリマー鎖の繋がりを数値化し、力学物性への影響を明らかとする。既存の弾性モデルでは記述が難しいメゾ領域における架橋構造の不均一性を扱い、架橋高分子の力学物性に新たな評価法を提案する。

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、複雑ネットワーク科学の観点からエラストマーの繋がりに関する不均一性を定量化し、ゴム弾性への影響を明らかにする事を目的とした。これまでに、複雑ネットワーク科学の近接中心性という指標がゴム弾性を決定付けるパラメータと相関関係がある事を明らかとした。当該年度は、複雑ネットワーク科学に基づきエラストマー中の伸び切り鎖の形成について議論した。
粗視化分子動力学シミュレーションを用いて、計算機上でエラストマーを構築した。一軸伸長において、エラストマー中の高分子鎖の鎖末端距離がバネの平衡長の和よりも長い鎖を伸び切り鎖と定義した。伸び切り鎖は、応力-歪曲線の立ち上がりにやや遅れて形成され、その歪がエラストマーのネットワーク構造に依存した。また、各架橋点の近接中心性と伸び切り鎖の割合に相関関係が見られており、ネットワークの中心に位置する高分子鎖ほど伸び切り鎖になりやすい傾向にある事が確認された。
伸び切り鎖の形成のメカニズムについて、同じ次数が隣接するかを示す次数相関を用いて議論した。伸び切り鎖のみからなるネットワークの次数相関を評価したところ、正の相関係数となったことから、同じ次数の架橋点が隣同士に存在する事が分かった。つまり、伸び切り鎖は隣同士に形成されやすい傾向にあり、応力集中が起きている事が示された。
当該年度の成果として、エラストマー中の伸び切り鎖の形成とネットワークスケールでの応力集中に関する知見を高分子鎖の繋がりという観点から明らかにしており、ゴム材料の破壊などに関して重要な知見を与えると期待される。

Research Progress Status

翌年度、交付申請を辞退するため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

翌年度、交付申請を辞退するため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Quantitative Evaluation of Connectivity in Elastomers for Describing Rubber Elasticity Based on Network Theory (2022)
  • Author(s): Amamoto Yoshifumi
  • Journal Title: Nihon Reoroji Gakkaishi Volume: 50 Issue: 1 Pages: 95-98
  • DOI: 10.1678/rheology.50.95
  • ISSN: 0387-1533, 2186-4586
  • Year and Date: 2022-02-15
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Data-driven approaches for structure-property relationships in polymer science for prediction and understanding (2022)
  • Author(s): AMAMOTO Yoshifumi
  • Journal Title: Polymer Journal Volume: 54 Pages: 957-967
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Visualization of judgment regions in convolutional neural network for X-ray diffraction and scattering images of aliphatic polyesters (2021)
  • Author(s): Yoshifumi Amamoto, Hiroteru Kikutake, Ken Kojio, Atsushi Takahara, Kei Terayama
  • Journal Title: Polym. J Volume: 53 Issue: 11 Pages: 1269-1279
  • DOI: 10.1038/s41428-021-00531-w
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Change of Weighted Network Structure of Elastomer during Uniaxial Elongation (2021)
  • Author(s): ITO Mariko I.、AMAMOTO Yoshifumi、OHNISHI Takaaki,
  • Journal Title: Journal of Computer Chemistry, Japan Volume: 20 Issue: 3 Pages: 89-91
  • DOI: 10.2477/jccj.2021-0040
  • NAID: 130008122395
  • ISSN: 1347-1767, 1347-3824
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Random Forest Analysis of X-ray Diffraction and Scattering Data on Crystalline Polymer (2021)
  • Author(s): TAKAHASHI Kazuki K.、AMAMOTO Yoshifumi、KIKUTAKE Hiroteru、ITO Mariko I.、TAKAHARA Atsushi、 OHNISHI Takaaki
  • Journal Title: Journal of Computer Chemistry, Japan Volume: 20 Issue: 3 Pages: 103-105
  • DOI: 10.2477/jccj.2021-0042
  • NAID: 130008122394
  • ISSN: 1347-1767, 1347-3824
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] 高分子の高次構造特徴量-物性相関としてのサイバーポリマー (2021)
  • Author(s): 天本 義史、菊武 裕晃、大西 立顕
  • Journal Title: 高分子 Volume: 70 Pages: 133-134
• [Journal Article] Complex Network Representation of the Structure-Mechanical Property Relationships in Elastomers with Heterogeneous Connectivity (2020)
  • Author(s): Amamoto Yoshifumi、Kojio Ken、Takahara Atsushi、Masubuchi Yuichi、Ohnishi Takaaki
  • Journal Title: Patterns Volume: 1 Issue: 8 Pages: 100135-100135
  • DOI: 10.1016/j.patter.2020.100135
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] In Situ Synchrotron Radiation X-ray Scattering Investigation of a Microphase-Separated Structure of Thermoplastic Elastomers under Uniaxial and Equi-Biaxial Deformation Modes (2020)
  • Author(s): Dechnarong Nattanee、Kamitani Kazutaka、Cheng Chao-Hung、Masuda Shiori、Nozaki Shuhei、Nagano Chigusa、Amamoto Yoshifumi、Kojio Ken、Takahara Atsushi
  • Journal Title: Macromolecules Volume: 53 Issue: 20 Pages: 8901-8909
  • DOI: 10.1021/acs.macromol.0c00962
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 複雑ネットワークに基づくエラストマーの伸び切り鎖の記述 (2021)
  • Author(s): 天本 義史・小椎尾 謙・高原 淳・増渕 雄一・伊藤 真利子・大西 立顕
  • Organizer: 第70回高分子討論会
• [Presentation] Mesoscopic Structure-Property Relationship of Polymeric MaterialsBased on Data Science (2021)
  • Author(s): Yoshifumi Amamoto
  • Organizer: International Conference on Discrete Geometric Analysis for Materials Design
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] データサイエンスで切り拓く高分子科学 (2021)
  • Author(s): 天本 義史
  • Organizer: 第180回東海高分子研究会
  • Invited
• [Presentation] 離散幾何学・情報科学に基づく高分子のメゾ構造-物性相関 (2021)
  • Author(s): 天本 義史・菊武 裕晃・小椎尾 謙・高原 淳・寺山 慧・大西 立顕
  • Organizer: 物性科学領域横断研究会
• [Presentation] 複雑ネットワーク科学で捉えるエラストマーの繋がりに関する不均一構造と力学物性への影響 (2021)
  • Author(s): 天本 義史
  • Organizer: 日本ゴム協会九州支部新春講演会・エラストマー技術講座
  • Invited
• [Presentation] データサイエンスによる高分子特有の構造特徴量の抽出と物性の記述 (2020)
  • Author(s): 天本 義史
  • Organizer: 九州支部若手研究者創発フォーラム
  • Invited
• [Presentation] 配列制御的にアミノ酸を挿入したナイロン6誘導体の合成と分子特性評価 (2020)
  • Author(s): 小金丸 知恵、天本 義史、高原 淳
  • Organizer: 高分子討論会