Numerical study on ferroelectric nematic liquid crystal of rod molecules
| Project/Area Number |
21K03486
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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 | Kyoto University |
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Principal Investigator |
荒木 武昭 京都大学, 理学研究科, 准教授 (20332596)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2022)
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| Budget Amount *help |
¥4,030,000 (Direct Cost: ¥3,100,000、Indirect Cost: ¥930,000)
Fiscal Year 2023: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000)
Fiscal Year 2022: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000)
Fiscal Year 2021: ¥1,820,000 (Direct Cost: ¥1,400,000、Indirect Cost: ¥420,000)
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| Keywords | 強誘電性ネマチック液晶 / 分子動力学シミュレーション / 分子モデリング / 強誘電性液晶 / ネマチック液晶 |
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| Outline of Research at the Start |
強誘電性液晶とは強誘電性を持つ液晶相である。期待される有用性から多くの研究がなされてきたが、スメクチックC*相を用いた例はあるものの、一般的な実用化には至っていないのが現状である。本研究課題は、数値シミュレーションと理論解析を用いて、対称性の高い強誘電性液晶相、すなわち長軸方向に分極を持つ棒状分子による強誘電性ネマチック相の開発を目指す。これまでの研究により、棒状分子の中央付近を嵩張らせることで、ネマチック相が強誘電性を持つ可能性があることが分かっている。これを発展させ強誘電性液晶相形成の証拠を見つけるとともに、その物理的機構を明らかにしたい。また、その知見をもとに分子設計の指針を与えたい。
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| Outline of Annual Research Achievements |
近年実現され、活発に研究がなされている強誘電性ネマチック相の発現機構を解明すべく、数値シミュレーションを用いた研究を行っている。R4年度は、強誘電性の相発現が示唆されている液晶性分子DIOを対象とした。量子化学計算ソフトGaussianを用い電子密度を求め、原子ごとにRESP電荷を計算しさらにGAFF場を使い分子力場を決める。汎用分子動力学ソフトGROMACSを使い、数千分子からなる系の分子動力学シミュレーションを行った。高温の等方相から冷却するとネマチック相が形成される。通常のネマチック相では棒状分子の方向は揃っているが、頭尾の向きはばらばらで強誘電秩序は見られない。さらに冷やすと、計算時間不足の問題か、まだマクロな強誘電秩序の発現は観測できていないものの、局所的な強誘電秩序が観測された。ネマチック相内で頭尾が揃った分子どうしが凝集し、それぞれが液晶相の配向場に沿ってストライプ状に分布する。分子の二体分布関数や、配向相関分布を調べたところ、通常のネマチック相では近接する２つの分子は頭尾が逆に向くと考えられているが、このDIO分子では、近接した分子は頭尾が揃った向きを取る傾向が強いことが分かった。そのストライプパターンの分布幅など、系の物性値が平衡に至っているかどうかについては、系の大きさや計算時間を増やすなどして今後の検討が必要である。また、分子の頭尾で非対称な形が強誘電秩序の発現に必要であると主張する先行研究がある。これを検証するために、DIO分子の電荷を０にして数値計算を行ったところ、強誘電秩序の形成が抑制されることが分かった。このことは分子の形だけでなく電荷の分布が、強誘電秩序の発現に大きく寄与していることを表している。今後は、系のサイズや電荷の分布を改善することで計算の精度の向上に努めるとともに、他の分子系での振る舞いについて検討を行いたい。
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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
当初の計画ではR３年度は粗視化分子動力学計算による強誘電性ネマチック相の探索のみを予定していたが、その後報告された他グループの研究から、より微視的なアプローチが重要であると判断し、R４年度の予定を前倒しし全原子動力学計算に着手した。R4年度が終了した現時点で、マクロな強誘電性ネマチック相の発現は観測できていないものの、局所的な強誘電秩序の発現は確認でき、その機構に迫りつつあり、順調に遂行できているものと考えている。
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| Strategy for Future Research Activity |
R5年度は、まず分子数や計算時間を増やすことなどで計算精度の向上を目指したい。また、これまでは孤立した1分子を用い量子化学計算で電荷の分布を求めていたが、凝集系ではこの手法は正確でないという報告もあり、多分子系で電荷の分布を求めることで、パラメータの再検討を行う。他の分子系でも同様な計算を行い、互いに比較することで、強誘電秩序の発現の必要な要素を見極めたい。
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Report
(2 results)
Research Products
(10 results)
