2023 Fiscal Year Final Research Report

Design of Aquatic Functional Materials Based on Computational Science

Planned Research

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Project Area	Aquatic Functional Materials: Creation of New Materials Science for Environment-Friendly and Active Functions
Project/Area Number	19H05718
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	University of Hyogo
Principal Investigator	Washizu Hitoshi 兵庫県立大学, 情報科学研究科, 教授 (00394883)
Co-Investigator(Kenkyū-buntansha)	渡辺豪北里大学, 未来工学部, 教授 (80547076) 樋口祐次九州大学, 情報基盤研究開発センター, 准教授 (30613260)
Project Period (FY)	2019-06-28 – 2024-03-31
Keywords	水圏機能材料 / 分子シミュレーション / 固液界面 / マルチスケール / 高分子 / 液晶 / 水和 / 自由エネルギー
Outline of Final Research Achievements	Many of the aquatic functional materials self-organize (liquid crystallization, host-guest reactions, etc.) to form ordered structures. The material molecule side is induced by the strong polarizability of the water molecules, and rearrangement (polarization) of partial charges peculiar to the condensed phase occurs. By proposing and utilizing a multiphysics method to precisely determine this partial charge using quantum chemistry, we succeeded in predicting the structure of ionic liquid crystal films and analyzing the state of water in materials, for example. Furthermore, we proposed a scheme that enables direct comparison with spectroscopic data, such as the determination of infrared absorption spectra of water molecules in biocompatible polymers, which could previously only be compared with small molecule solutions.
Free Research Field	物理化学
Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements	イオン液晶中の水において、水素結合状態の異なる 4 種類の水が分類できることがわかった。この知見は、従来のバルクにおける水和の概念を拡張させる必要性を示した。高分子近傍における水分子は、熱量測定に基づく不凍水、中間水、自由水の概念が提案されていたが、高分子主鎖あるいは官能基からの距離で分類した配向因子の解析においても類似の定義が可能であることを示した。また、水と水圏機能材料の直接の相互作用だけではなく、その周囲の水分子間の水素結合ネットワークが水のダイナミクスに重要であることも見出した。「負の水和状態」と呼ばれる分子スケールにおける描像を明らかにし、高分子周囲の水の動態の理解にも適用した。