Multiscale simulation hybriding molecular dynamics and continuum calculations
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20K03875
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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 13040:Biophysics, chemical physics and soft matter physics-related
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
村島 隆浩 東北大学, 理学研究科, 助教 (50565520)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2024-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2022)
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| Budget Amount *help |
¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000)
Fiscal Year 2023: ¥650,000 (Direct Cost: ¥500,000、Indirect Cost: ¥150,000)
Fiscal Year 2022: ¥650,000 (Direct Cost: ¥500,000、Indirect Cost: ¥150,000)
Fiscal Year 2021: ¥650,000 (Direct Cost: ¥500,000、Indirect Cost: ¥150,000)
Fiscal Year 2020: ¥2,210,000 (Direct Cost: ¥1,700,000、Indirect Cost: ¥510,000)
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| Keywords | 高分子 / 分子動力学法 / 連続体計算 / 非平衡 / 有限要素法 / 伸長流動 / 流体力学計算 |
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| Outline of Research at the Start |
微視的な分子スケールのダイナミクスから巨視的スケールの材料の変形や流動を予測することが可能な、新しいマルチスケールシミュレーションの開発、及びその実証研究を行う。
具体的には、マクロスケールを記述する流体（連続体）シミュレーションの各要素に、分子動力学シミュレータを配置し、各要素における変形に対する応答（応力）の計算を分子動力学シミュレーションにより行う。一般の変形下における非平衡分子動力学シミュレーションの開発・検証が必要であり、本研究課題において進めていく。
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| Outline of Annual Research Achievements |
環状高分子は線状高分子と異なり末端を持たないため、流動中のダイナミクスは線状高分子と環状高分子では大きく異なる。この環状高分子を線状高分子とブレンドすることにより、新しい力学特性を付与することができると考えられており、数多くの研究が展開されている。我々は多環の環状鎖と線状鎖の混合系の二軸伸長流動下における粘弾性挙動の予測を、我々がこれまで開発してきたUEFEX法を用いて行った。その結果、単環鎖と線状鎖の混合系よりもシャープなストレスオーバーシュート挙動が多環鎖と線状鎖の混合系では生じることを発見し、さらにそのオーバーシュート挙動が起きるメカニズムが多環鎖のうち一つの環だけが開いて他の環が閉じるトポロジーの変化を伴う構造転移によって引き起こされていることを突き止めた。この結果はMacromolecules誌に出版され、Supplementary Cover Artに選出された。有限要素法と分子動力学法を連携させるマルチスケールシミュレーションの開発については、任意の変形下におけるNPTアンサンブルの検討を進めた。また、GPU上で高速に分子動力学シミュレーションを実施できるHOOMD-blueを用いてMultiple-tau法の計算を可能にするためのコード開発を行った。この新しい方法を用いることで従来数カ月かかっていた線形粘弾性の評価（応力の相関関数の計算）を数週間で終えることが可能になった。今後応用研究を進めていく。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
マルチスケールシミュレーション手法を用いた論文出版はまだできていないが、UEFEX法を用いた論文がMacromolecules誌から2021年度と2022年度に１報ずつ出版されており、研究の進捗は順調であると考えている。
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| Strategy for Future Research Activity |
マルチスケールシミュレーションの最近のトレンドとしては、いかに計算量を減らすかというところにたびたび注力されている。例えば、分子シミュレーション領域と構成則モデル領域を可変に切り替えたり（doi:10.1063/5.0063059)、機械学習により分子シミュレーション挙動を予測する機械学習モデルを用いる(10.1103/PhysRevResearch.2.033107)などの工夫がある。我々は分子動力学シミュレーションのGPU高速化を検討しつつ、これらの新しい手法も視野にいれて研究を進めていく。
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Report
(3 results)
Research Products
(17 results)
