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Deep insight into the nano-interface of structural polysaccharide materials: A theoretical and computational study

Research Project

Project/Area Number 20K15232
Research Category

Grant-in-Aid for Early-Career Scientists

Allocation TypeMulti-year Fund
Review Section Basic Section 32010:Fundamental physical chemistry-related
Research InstitutionUniversity of Miyazaki

Principal Investigator

Uto Takuya  宮崎大学, 工学部, 准教授 (60749084)

Project Period (FY) 2020-04-01 – 2023-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2022)
Budget Amount *help
¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000)
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: ¥2,990,000 (Direct Cost: ¥2,300,000、Indirect Cost: ¥690,000)
Keywordsセルロース / キチン / イオン液体 / 溶解機構 / 分子動力学計算 / 分子シミュレーション / データ駆動型解析
Outline of Research at the Start

木質細胞壁や甲殻類外骨格などに見出されるセルロースやキチンは構造多糖であり、高結晶性繊維のため、水や一般的な有機溶媒に難溶で加工性に乏しい問題がある。最近、セルロースやキチンを良好に溶解するイオン液体が注目されている。本研究課題では、イオン液体の基本骨格や側鎖構造の違いによって、セルロースやキチンの溶解性にどのような影響を与えるのかに着目し、界面ダイナミクスや分子論的観点から解析する。具体的には、様々なイオン液体の溶解シミュレーションを基に溶解機構を体系的に解析し、熱力学的パラメータによる定量的評価を行う。さらに、データ駆動型解析と連携させることで、新規な可溶化溶媒の探索・発見につなげる。

Outline of Final Research Achievements

We have adopted a molecular dynamics (MD) approach to study the dissolution of chitin crystals in imidazolium-based ionic liquids. It was observed that cellulose and chitin chains were peeled from their crystal surface accompanied with cleavage of hydrogen bonds. The solubility vs. the number of intermolecular hydrogen bonds had relatively good correlation. A screening combined with machine learning was employed to search cellulose solvents based on solubility prediction. The analysis of MD trajectories showed that the chitin solubility was strongly dependent on the ionic radius of anion. Furthermore, quantum chemistry (QM) calculations were performed to evaluate the steric energy of imidazolium-based cations, indicating that the conformational flexibility of side chain affected the physical properties and ion configuration of ionic liquids, which determined chitin solubility.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

持続可能な循環型社会を形成するために、バイオマスの利活用に関する研究開発が必要不可欠である。木質細胞壁や甲殻類外骨格などに見出されるセルロースやキチンは構造多糖であり、高結晶性繊維のため、水や一般的な有機溶媒に難溶で加工性に乏しい問題がある。最近、構造多糖材料を良好に溶解するイオン液体に注目されている。そこで、イオン液体中ににおけるセルロース・キチン溶解機構を、分子シミュレーションによって明らかにした。さらに、データ駆動型解析の適用を検討することで、難溶性バイオマスの優れた溶媒探索を検討した。したがって、高分子繊維の溶媒探索におけるハイスループットスクリーニング技術の基盤形成に貢献した。

Report

(3 results)
  • 2022 Final Research Report ( PDF )
  • 2021 Research-status Report
  • 2020 Research-status Report
  • Research Products

    (12 results)

All 2022 2021 2020 Other

All Int'l Joint Research (1 results) Journal Article (6 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results,  Peer Reviewed: 6 results,  Open Access: 3 results) Presentation (5 results) (of which Invited: 5 results)

  • [Int'l Joint Research] Iowa State University(米国)

    • Related Report
      2021 Research-status Report
  • [Journal Article] Theoretical study on dissolution mechanism of chitin crystal in ionic liquids2022

    • Author(s)
      Uto Takuya
    • Journal Title

      Chitin and Chitosan Research

      Volume: 28 Pages: 16-21

    • Related Report
      2021 Research-status Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Ether‐Functionalized Pyrrolidinium‐Based Room Temperature Ionic Liquids: Physicochemical Properties, Molecular Dynamics, and the Lithium Ion Coordination Environment2021

    • Author(s)
      Yoshii Kazuki、Uto Takuya、Onishi Takakazu、Kosuga Daichi、Tachikawa Naoki、Katayama Yasushi
    • Journal Title

      ChemPhysChem

      Volume: 22 Issue: 15 Pages: 1584-1594

    • DOI

      10.1002/cphc.202100380

    • Related Report
      2021 Research-status Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Essential Requirements of Biocompatible Cellulose Solvents2021

    • Author(s)
      T. Komori, H. Satria, K. Miyamura, A. Ito, M. Kamiya, A. Sumino, T. Onshi, K. Ninomiya, K. Takahashi, J. Anderson, T. Uto, K. Kuroda
    • Journal Title

      ACS Sustainable Chemistry & Engineering

      Volume: 9(35) Issue: 35 Pages: 11825-11836

    • DOI

      10.1021/acssuschemeng.1c03438

    • Related Report
      2021 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Synthetic zwitterions as efficient non-permeable cryoprotectants2021

    • Author(s)
      Kato Yui、Uto Takuya、Tanaka Daisuke、Ishibashi Kojiro、Kobayashi Akiko、Hazawa Masaharu、Wong Richard W.、Ninomiya Kazuaki、Takahashi Kenji、Hirata Eishu、Kuroda Kosuke
    • Journal Title

      Communications Chemistry

      Volume: 4 Issue: 1 Pages: 151-151

    • DOI

      10.1038/s42004-021-00588-x

    • Related Report
      2021 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Off-axis photoelasticity by anisotropic molecular deformation of uniaxially aligned cellulose nanofiber films2021

    • Author(s)
      Uetani Kojiro、Uto Takuya
    • Journal Title

      Carbohydrate Polymer Technologies and Applications

      Volume: 2 Pages: 100166-100166

    • DOI

      10.1016/j.carpta.2021.100166

    • Related Report
      2021 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] The effects of the position of the ether oxygen atom in pyrrolidinium-based room temperature ionic liquids on their physicochemical properties2020

    • Author(s)
      Yoshii Kazuki, Uto Takuya, Tachikawa Naoki, Katayama Yasushi
    • Journal Title

      Physical Chemistry Chemical Physics

      Volume: 22 Issue: 35 Pages: 19480-19491

    • DOI

      10.1039/d0cp02662j

    • Related Report
      2020 Research-status Report
    • Peer Reviewed
  • [Presentation] 糖鎖高分子やイオン液体における構造機能相関 の解明を目指した分子シミュレーション研究2022

    • Author(s)
      宇都 卓也
    • Organizer
      先駆的科学計算に関するフォーラム2022
    • Related Report
      2021 Research-status Report
    • Invited
  • [Presentation] キチン結晶繊維の膨潤・溶解機構に関する 分子シミュレーション研究2021

    • Author(s)
      宇都 卓也
    • Organizer
      第35回日本キチン・キトサン学会大会
    • Related Report
      2021 Research-status Report
    • Invited
  • [Presentation] 構造多糖材料と糖質関連タンパク質 の分子シミュレーション研究2021

    • Author(s)
      宇都 卓也
    • Organizer
      2021年度応用糖質科学会九州支部講演会
    • Related Report
      2021 Research-status Report
    • Invited
  • [Presentation] 多糖/イオン液体の計算化学研究における データ駆動型解析の可能性2021

    • Author(s)
      宇都 卓也
    • Organizer
      産総研接着・接合技術コンソーシアム 第2回データ駆動WG
    • Related Report
      2021 Research-status Report
    • Invited
  • [Presentation] 計算化学と人工知能(AI)を融合した多糖材料の分子シミュレーション研究2020

    • Author(s)
      宇都 卓也
    • Organizer
      セルロース学会関西支部 第16回若手セミナー
    • Related Report
      2020 Research-status Report
    • Invited

URL: 

Published: 2020-04-28   Modified: 2024-01-30  

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