Development of simulation method about swelling soft structure by intercalation
| Project/Area Number |
21K14705
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Review Section |
Basic Section 36010:Inorganic compounds and inorganic materials chemistry-related
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| Research Institution | Kogakuin University |
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Principal Investigator |
宮川 雅矢 工学院大学, 先進工学部, 助教 (80758350)
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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 |
¥4,550,000 (Direct Cost: ¥3,500,000、Indirect Cost: ¥1,050,000)
Fiscal Year 2023: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000)
Fiscal Year 2022: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
Fiscal Year 2021: ¥1,950,000 (Direct Cost: ¥1,500,000、Indirect Cost: ¥450,000)
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| Keywords | 分子動力学法 / 吸着 / 層状粘土鉱物 / モンモリロナイト / 有機粘土 / 分子動力学シミュレーション / 有機修飾粘土 / インターカレーション / 発光 |
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| Outline of Research at the Start |
本申請研究では層状粘土鉱物の層間を有機修飾した複合体について，分子のインターカレーション時に示す柔らかな構造変化のシミュレーションを分子動力学法で開発し，ソフトマテリアルの計算法の基盤を構築する．>10 Åの広い層間が示す膨潤のシミュレーションは，実験では難しい2次元層間のダイナミクスの解明だけでなく，構造・機能のオンデマンド設計といった発展性を併せもつ．そこで本研究では環境汚染物質の吸着時に起きる膨潤をシミュレートし，層間分子の配向・分布を解明する．さらに，層間における特異な発光のメカニズムを解明し，ナノ構造から吸着特性・光物性を予測する手法を開拓する．
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| Outline of Annual Research Achievements |
前年度は粉体どうしを混ぜ合わせることによって進行する固相吸着に関するシミュレーション法を開発した．今年度は有機粘土が一般的に用いられる液相吸着反応について，材料としての最適化およびシミュレーション法の開発を目的とした．
吸着量は有機粘土・吸着質の種類によって大きく異なり，混ぜてみないと分からないというのが現状である．この問題を機械学習を用いて解決できないか検討した．具体的には，液相吸着に関する実験データを論文から収集し，学習モデルを構築した．その結果，テストデータを入力したときの吸着量は実験値をよく再現し，実験せずとも吸着量が予想することに成功した．また，これまではわからなかったホストである粘土・修飾材である有機カチオン・吸着質がそれぞれ吸着量に対してどの程度影響を及ぼすのかを，平衡濃度ごとに定量的に明らかにした．
液相吸着シミュレーションの開発については，含水率の推定および含水構造の決定を中心に検討した．熱重量分析（TG）の実験データから含水率を見積もることで，含水有機粘土のモデリングを行い，疎水的と考えられている層間に水がインターカレートされることでカチオンの配座・配向がどのように変わるかを明らかにした．次に，吸着等温線データから吸着量を算出することで，液相における吸着構造のモデリングをおこなった．その結果，吸着質をベンゼンとしたときの吸着量のカチオン種依存性は有機粘土の表面構造の違いによって説明できることを明らかにした．
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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
実験による決定が難しいとされていた含水構造を明らかにできており，同様に観測が非常に困難な吸着構造についても達成できている．一般に混ぜてみないとわからないと考えらえていた吸着特性の違いについても，構造をもとにその由来を説明することができている．
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| Strategy for Future Research Activity |
含水率を実験値に頼らずに計算でのみ決定する手法を開発する．また，同様に吸着特性についても構造だけでなくエネルギーで定量的に評価できる計算手法を開拓する．
現状ではモンモリロナイトのみがモデリング可能な粘土であるが，サポナイトやヘクトライトといった一般的に用いられる他のスメクタイト族粘土鉱物も計算できるようにさまざまな層状粘土鉱物のモデルを作製する．そして，これらの粘土鉱物をホストした有機粘土のモデルを作製し，さらにこのような複合体で見られる特異な吸着特性・光学特性などについてその由来を分子論に基づいて明らかにする．
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Report
(2 results)
Research Products
(31 results)
