3次元拘束空間における階層的相分離構造の自由エネルギーLandscape探索

• Project Area: Discrete Geometric Analysis for Materials Design
• Project/Area Number: 20H04625
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Science and Engineering
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 藪 浩 東北大学, 材料科学高等研究所, 准教授 (40396255)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2022-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2021)
• Budget Amount: ¥17,940,000 (Direct Cost: ¥13,800,000、Indirect Cost: ¥4,140,000); Fiscal Year 2021: ¥7,410,000 (Direct Cost: ¥5,700,000、Indirect Cost: ¥1,710,000); Fiscal Year 2020: ¥10,530,000 (Direct Cost: ¥8,100,000、Indirect Cost: ¥2,430,000)
• Keywords: ブロック共重合体 / Cahn-Hilliard方程式 / 相分離構造 / 微粒子 / Eenergy Landscape / 拘束空間 / 自由エネルギー / 階層性 / ミクロ相分離構造 / Landscape

Outline of Research at the Start

本研究の目的は、Coupled Cahn-Hilliard(CCH)方程式に基づくシミュレーションにより得られる三次元拘束空間におけるミクロ相分離構造の自由エネルギーから、無限次元における自由エネルギーが作る Landscape の探索のための実験・理論の基本データベース作成を行い、Optimization-based Shrinking Dimer（OSD）法による構造転移のpathwayの解明、およびBetti数などの幾何学的視点と自由エネルギーに基づく構造の予測および実験パラメータとの相関解明により、3次元拘束空間における階層的ミクロ相分離構造形成の熱力学描像を明らかとすることである。

Outline of Annual Research Achievements

Cubic状の相分離構造を持ったブロック共重合体微粒子について、Coupled Cahn-Hilliard方程式（以下CCH方程式と記す）によるシミュレーションとその安定性について検討を行った。実験パラメータを精査した結果、Cubic構造が形成されるのはこれまで相分離構造に大きく影響していた微粒子のサイズの影響ではなく、ブロック共重合体溶液から貧溶媒中に微粒子が析出する速度（良溶媒が蒸発するまでの時間）が大きく影響していることが示唆された。この知見から、CCH方程式を用いたシミュレーションにおいても速度ファクタ（Tv）を変化させて相分離構造の検討をしたところ、確かにCubic構造が形成されることが判明した。但し、シミュレーションステップ数とエネルギーの関係から、Cubic構造が形成される場合に於いても、Tvが小さい場合は最終的にさらに安定なラセン状の相分離構造に転移すること、Tvがある程度以上大きくなると、安定してCubic相が形成されることが明らかとなった。さらに媒体とブロック共重合体の相互作用が強すぎても、同心球状の相分離構造が安定に現れることから、ブロック共重合体の各ブロックは同じ程度の表面エネルギーを持つことが必要であることも示唆された。これらの知見を基に、システムサイズとTv、およびエネルギーの3軸を取ることにより、Cubic相を形成する条件に関するエネルギーランドスケープを描くことが可能であることが明らかとなった。このことは、速度ファクタを考慮に入れることで、エネルギーランドスケープの開拓が可能であることが明らかとなり、本研究の目的はほぼ達成された。

Research Progress Status

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Bifunctional rare metal-free electrocatalysts synthesized entirely from biomass resources (2022)
  • Author(s): Yabu Hiroshi、Ishibashi Kosuke、Grewal Manjit Singh、Matsuo Yasutaka、Shoji Naoki、Ito Koju
  • Journal Title: Science and Technology of Advanced Materials Volume: 23 Issue: 1 Pages: 31-40
  • DOI: 10.1080/14686996.2021.2020597
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Bridging pico-to-nanonewtons with a ratiometric force probe for monitoring nanoscale polymer physics before damage (2022)
  • Author(s): Kotani Ryota、Yokoyama Soichi、Nobusue Shunpei、Yamaguchi Shigehiro、Osuka Atsuhiro、Yabu Hiroshi、Saito Shohei
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 13 Issue: 1 Pages: 303-303
  • DOI: 10.1038/s41467-022-27972-y
  • NAID: 120007184438
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Pyrolysis-Free Oxygen Reduction Reaction (ORR) Electrocatalysts Composed of Unimolecular Layer Metal Azaphthalocyanines Adsorbed onto Carbon Materials (2021)
  • Author(s): Yabu Hiroshi、Nakamura Koki、Matsuo Yasutaka、Umejima Yutaro、Matsuyama Haruyuki、Nakamura Jun、Ito Koju
  • Journal Title: ACS Applied Energy Materials Volume: 4 Issue: 12 Pages: 14380-14389
  • DOI: 10.1021/acsaem.1c03054
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Amphiphilic Perforated Honeycomb Films for Gravimetric Liquid Separation (2021)
  • Author(s): Chen Bihai、Wada Takehiko、Yabu Hiroshi
  • Journal Title: Advanced Materials Interfaces Volume: 9 Issue: 1 Pages: 2101954-2101954
  • DOI: 10.1002/admi.202101954
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Heteroatom-doped carbon electrocatalysts prepared from marine biomass cellulose nanocrystals and bio-inspired polydopamine for the oxygen reduction reaction (2021)
  • Author(s): Grewal Manjit Singh、Matsuo Yasutaka、Yabu Hiroshi
  • Journal Title: New Journal of Chemistry Volume: 45 Issue: 41 Pages: 19228-19234
  • DOI: 10.1039/d1nj04368d
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Flower-like ordered porous array by combination of breath figure and layer-by-layer technique (2021)
  • Author(s): Cao Thuy T.、Yabu Hiroshi、Huh Do S.
  • Journal Title: Polymer Volume: 233 Pages: 124206-124206
  • DOI: 10.1016/j.polymer.2021.124206
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Aqueous dispersion and tuning surface charges of polytetrafluoroethylene particles by bioinspired polydopamine-polyethyleneimine coating via one-step method (2021)
  • Author(s): Grewal Manjit Singh、Abe Hiroya、Matsuo Yasutaka、Yabu Hiroshi
  • Journal Title: Royal Society Open Science Volume: 8 Issue: 8 Pages: 210582-210582
  • DOI: 10.1098/rsos.210582
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] S/N Co-Doped Hollow Carbon Particles for Oxygen Reduction Electrocatalysts Prepared by Spontaneous Polymerization at Oil?Water Interfaces (2020)
  • Author(s): Abe Hiroya、Nozaki Kohei、Sokabe Shu、Kumatani Akichika、Matsue Tomokazu、Yabu Hiroshi
  • Journal Title: ACS Omega Volume: 5 Issue: 29 Pages: 18391-18396
  • DOI: 10.1021/acsomega.0c02182
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Formation of Perpendicularly Aligned Sub-10 nm Nanocylinders in Poly(N-dodecylacrylamide-b-ethylene glycol) Block Copolymer Films by Hierarchical Phase Separation (2020)
  • Author(s): Matsunaga Kohei、Kukai Wataru、Ishizaki Manabu、Kurihara Masato、Yamamoto Shunsuke、Mitsuishi Masaya、Yabu Hiroshi、Nagano Shusaku、Matsui Jun
  • Journal Title: Macromolecules Volume: 53 Issue: 21 Pages: 9601-9610
  • DOI: 10.1021/acs.macromol.0c00838
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 材料ー数学連携による高分子微粒子の構造制御 (2022)
  • Author(s): 藪浩
  • Organizer: 諸分野・企業からみた数理科学との連携
  • Invited
• [Presentation] 自己組織化による高分子微粒子の構造制御と有機無機コンポジット化 (2022)
  • Author(s): 藪浩
  • Organizer: 第9回IROASTシンポジウム
  • Invited
• [Presentation] 自己組織化によるナノ構造高分子微粒子の作製とその応用展開 (2021)
  • Author(s): 藪浩
  • Organizer: 第47回高分子学会中国四国支部高分子講座
  • Invited
• [Presentation] 第29回マイクロシステム融合研究会 (2021)
  • Author(s): 藪浩
  • Organizer: ヤヌス粒子を用いたイムノアッセイシステム
  • Invited
• [Remarks] 京大と東北大、ピンと張られた分子鎖を定量する「羽ばたき型蛍光 Force Probe」を開発
  • URL: https://www.nikkei.com/article/DGXLRSP625215_S2A110C2000000/
• [Remarks] 藪研究室ホームページ
  • URL: http://yabulab.wp.xdomain.jp