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Development of simulation method about swelling soft structure by intercalation

Research Project

Project/Area Number 21K14705
Research Category

Grant-in-Aid for Early-Career Scientists

Allocation TypeMulti-year Fund
Review Section Basic Section 36010:Inorganic compounds and inorganic materials chemistry-related
Research InstitutionKogakuin University

Principal Investigator

Miyagawa Masaya  工学院大学, 先進工学部, 助教 (80758350)

Project Period (FY) 2021-04-01 – 2024-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2023)
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)
Keywords分子動力学法 / 層状粘土鉱物 / 有機粘土 / 吸着 / 低次元材料 / モンモリロナイト / サポナイト / 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
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.

Outline of Final Research Achievements

By molecular dynamics simulation and Monte Carlo method, method for modeling of water-immersed organoclay was developed. The water content was first estimated from the corresponding thermogravimetry data. However, a novel method for the estimation was developed by analyzing the intercalated water thermodynamically. The water content estimated by our analysis was well consistent with the corresponding experimental value.
The adsorption site was discussed based on the nanostructure and diffusivity of the adsorbate, and it was found that the site was dependent on the organocation, especially its length of the alkyl chain. The adsorption selectivity observed experimentally was reproduced by solvation free energy analysis.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

本研究では実験はまったく行わずに計算化学(分子シミュレーション)によって研究を遂行した.これによって,実験では解明不可能なナノ構造や,層間における分子の物性などを詳細に明らかにすることができた.また,含水率と吸着選択性については,実験結果を再現する計算化学的手法を開発した.特に有機粘土の含水率については,XRDを用いた測定が数例報告されているのみで,任意の種類の有機粘土についてその値がデータベースのように整理されているわけではないため,シミュレーションの実行時に大きな障壁となっていた.本研究ではこれらの問題を解決しており,実験をしなくても物性を予測することが可能となった.

Report

(4 results)
  • 2023 Annual Research Report   Final Research Report ( PDF )
  • 2022 Research-status Report
  • 2021 Research-status Report
  • Research Products

    (37 results)

All 2024 2023 2022 2021

All Journal Article (6 results) (of which Peer Reviewed: 6 results,  Open Access: 2 results) Presentation (30 results) (of which Int'l Joint Research: 6 results) Book (1 results)

  • [Journal Article] Hydrophilicity of Organically Modified Montmorillonite and Effect on Benzene Adsorption by the Molecular Dynamics Method2024

    • Author(s)
      Miyagawa Masaya、Oshiro Kiwako、Nishimura Shoma、Takaba Hiromitsu
    • Journal Title

      Langmuir

      Volume: 40 Issue: 12 Pages: 6506-6514

    • DOI

      10.1021/acs.langmuir.4c00109

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    • Author(s)
      Shobuke Hayato、Matsumoto Takumi、Hirosawa Fumiya、Miyagawa Masaya、Takaba Hiromitsu
    • Journal Title

      ACS Omega

      Volume: 8 Issue: 1 Pages: 1146-1153

    • DOI

      10.1021/acsomega.2c06602

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  • [Journal Article] Molecular Dynamics Simulation of Adsorption in Two–dimensional Interlayer of Layered Clay Minerals2022

    • Author(s)
      Miyagawa Masaya、Takaba Hiromitsu
    • Journal Title

      MEMBRANE

      Volume: 47 Issue: 2 Pages: 84-91

    • DOI

      10.5360/membrane.47.84

    • ISSN
      0385-1036, 1884-6440
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  • [Journal Article] Intercalation-Induced Ordered Nanostructure in the Interlayer Modified with Methylviologen by Molecular Dynamics Simulation2022

    • Author(s)
      Miyagawa Masaya、Hirosawa Fumiya、Takaba Hiromitsu
    • Journal Title

      Langmuir

      Volume: 38 Issue: 11 Pages: 3514-3521

    • DOI

      10.1021/acs.langmuir.1c03416

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      膜

      Volume: 47 Pages: 84-91

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    • Author(s)
      Miyagawa Masaya、Hirosawa Fumiya、Higuchi Hayato、Takaba Hiromitsu
    • Journal Title

      ACS Omega

      Volume: 6 Issue: 29 Pages: 19314-19322

    • DOI

      10.1021/acsomega.1c02899

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      International Clay Conferences 2022
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      宮川雅矢,廣澤史也,正部家隼人,田中秀樹,中戸晃之,高羽洋充
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      西村翔馬,廣澤史也,宮川雅矢,高羽洋充
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  • [Book] 吸着技術の産業応用~基礎知識・吸着剤の特性・技術応用事例~2023

    • Author(s)
      宮川雅矢,正部家隼人,高羽洋充
    • Total Pages
      348
    • Publisher
      情報機構
    • ISBN
      9784865022445
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      2022 Research-status Report

URL: 

Published: 2021-04-28   Modified: 2025-01-30  

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