2019 Fiscal Year Annual Research Report
Design of Aquatic Functional Materials Based on Computational Science
| Project Area | Aquatic Functional Materials: Creation of New Materials Science for Environment-Friendly and Active Functions |
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19H05718
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| Research Institution | University of Hyogo |
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Principal Investigator |
鷲津 仁志 兵庫県立大学, シミュレーション学研究科, 教授 (00394883)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
渡辺 豪 北里大学, 理学部, 講師 (80547076)
樋口 祐次 東京大学, 物性研究所, 助教 (30613260)
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| Project Period (FY) |
2019-06-28 – 2024-03-31
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| Keywords | 水圏機能材料 / 水素結合構造 / 分子動力学 / 自由エネルギー / 密度汎関数法 / イオン液晶 / 単分子膜 / 分子軌道解析 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
A01-1加藤らが提案したイオン液晶膜を対象として、大規模分子動力学解析を行った。まず、溶液状態における密度汎関数計算により力場パラメータを最適化し、ヒート・アニールによりバルクのイオン液晶膜系の構造を予測した。その結果、カラムナー構造およびジャイロイド構造が見いだされ、実験による空孔径を準定量的に再現した。また、添加量の異なる水分子を導入することにより、空孔中の水分子およびイオンの構造と動態について解析を行った。その結果、水分量の増加とともに水素結合状態が変化することや、空孔中の水分子の安定性はエンタルピーというよりもエントロピー的な効果に起因することなどが判った。本解析は、精緻な自由エネルギー解析により水およびイオンの駆動機構を提示することができた。A01-1加藤らが提案した生体分子認識部位が導入されたバイオ共役系両親媒性分子が構成する水面上単分子膜を対象として、タンパク質が吸着した際の分子レベルでのダイナミクスを全原子分子動力学法によって調べた。バイオ共役系分子の単分子膜ではタンパク質の特異的な吸着性、および膜構造変化が確認された。また、膜界面付近の水分子の拡散挙動も大きく抑制され、タンパク質の吸着性が低い非バイオ共役系分子が構成する単分子膜と比較すると明確な違いがみられた。今年度はA01-1加藤らのイオン液晶膜系の各種イオンの水和構造解析をA02-1原田らと、A03-2田中賢らが提案した生体適合高分子系について量子力学計算を実施しA02-1池本らのIRスペクトルと比較を、A02-1菱田と全原子分子動力学による脂質膜と水の動態解析を行った。A03-3高島らが提案したシクロデキストリン複合系について、Caイオン複合体の分子軌道解析、官能基およびカチオンの分子軌道解析、および水溶液中の分子動力学モデルを提示した。
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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
現在までの進捗状況：（２）おおむね順調に進展している。
理由：
イオン液晶膜（A01-1加藤との共研）に対して、新規の量子計算に基づく力場決定方法に加えて精緻な自由エネルギー解析を実施することができ、水分子集団について単に水素結合に着目するだけでなく、自由エネルギーおよびクラスターサイズの解析などを通して新たな材料表面・近傍における水の物理化学的知見を深めることができた。また、生体分子認識部位が導入された単分子膜系（A01-1加藤）についても、水分子集団を介したタンパク質および膜構造の変化を解明することができた。本、新学術領域における当A02-2グループの存在意義は、こうした水分子集団に関する学理を深めるとともに、実験結果の解釈および機能改良に関する指針提示を行うことであるが、A01、A03の各グループと共同研究を実施することにより、実験に対して分子シミュレーションの成果を加えるという共同作業体制が構築できつつある。以上の観点により、順調に進展していると判断した。
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| Strategy for Future Research Activity |
引き続きイオン液晶膜（A01-1加藤）について、水界面の構造および動態の解析を行い、イオン透過性について水の物理化学および電解液論の両面から検討する。また、同系に対してA02-1原田らと連携してイオンの水和構造について明らかにする。ヒドロキシアパタイト水溶液（A01-1加藤）について、流動と粗視化分子運動をカップリングしたマルチスケール手法を開発し、結晶化プロセスの解析を実施できるようにする。A03-3高島らが提案したシクロデキストリン複合系について、引き続き量子および分子シミュレーションによる解析を行うとともに、樋口らにより粗視化モデルを作成し、接着および破壊のダイナミクスを明らかにする。水溶液中の結晶性高分子に関してA03-3松葉らと空孔のサイズ制御に関する解析を行う。生体着想高分子材料(A03-1田中求)の動的構造および水分子の構造・挙動を全原子分子動力学によって解析し、分子認識機能と水和構造変化の相関解明に取り組む。近傍は分子動力学、遠方は散逸粒子動力学によるマルチスケールシミュレーション手法を開発し、本系の解析に適用する。また、SAM表面上の様々な高分子ブラシ(A03-2田中賢)に閉じ込められた水の動態についても調べ、A02-1の原田らと連携して生体親和性高分子水圏機能材料における水と材料の構造・機能を明らかにする。シミュレーション手法についてはA02班で解析用の共通分子としたPEG水溶液について構造および動態の解析を行う。初年度にA01-1加藤のイオン液晶膜に適用した、水分子の結合状態による区分、クラスターサイズの解析、および自由エネルギー解析をさらに他の分子系に対しても適用し、材料表面・近傍における水の構造と動態に関する学理の構築に寄与したい。
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[Presentation] 分子動力学計算を用いた高蛍光性液晶の構造・挙動解析2019
Author(s)
藤島瑛大, 渡辺 豪, 張婉瑩, 櫻井庸明, 趙 成龍, 吉田浩之, 尾崎雅則, 関 修平, 米田茂隆
Organizer
2019年日本液晶学会討論会, 筑波大学筑波キャンパス, 茨城県つくば市
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