2016 Fiscal Year Research-status Report
新規機能性を有する有機分子膜の界面親和性に関する分子論的研究
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16K06105
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
菊川 豪太 東北大学, 流体科学研究所, 准教授 (90435644)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | 自己組織化単分子膜 / 分子動力学法 / 輸送現象 / 界面熱抵抗 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
自己組織化単分子膜（self-assembled monolayer, SAM）は，固体表面の修飾技術として広く研究が進んでおり，表面の物理化学的特性を分子スケールから柔軟に制御する技術として応用が進んでいる．本研究では，分子動力学（MD）シミュレーションを用いて，SAMを介した熱物質輸送機構を明らかにすることを目的とし，分子スケールから新規的な界面修飾材料をデザインする際に有用となる分子レベルの設計指針を模索することを目標に研究を行っている．特に，SAM分子素材として熱的・化学的安定性に優れるフルオロカーボン系のSAMを介した界面熱輸送特性について種々の溶媒分子（水，ハイドロカーボン，フルオロカーボン溶媒）を用いて解析を行った．フルオロカーボン素材は，冷媒としても既に広く利用されており，工業・産業応用の観点から基礎的な知見を得ることは有用性が高いと考えられる．ここでは，MDシミュレーションで利用するフルオロカーボンSAMおよびフルオロカーボン溶媒の分子モデルの構築を第一原理計算を利用して行った．実際に，構築されたモデルが溶媒の熱物性やSAMの構造をよく再現することを確認している．さらに，そのモデルを用いてSAM溶媒間の界面熱輸送解析を行った．この際，炭化水素材料のフッ素化の程度と熱輸送特性との関連性について詳細に分析を行った．
これらの研究を通じて，フルオロカーボン系など親和性の低い媒質間の熱輸送効率を向上するためには，親和性改善のための分子選択・分子デザインを必要とすることが明らかとなり，本研究を通じてデザイン指針の提案を行った．
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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
本研究では，自己組織化有機分子薄膜および溶媒との界面における熱輸送特性を支配する分子論的機序を明らかにすることが目的である．今年度では，特にフルオロカーボン材料を対象として，本来的に界面親和性の低い界面において，熱輸送特性を向上させる分子デザインの指針を実際の解析結果とともに提案した．以上のように今年度の目標としては概ね達成できているといえる．ただし，界面自由エネルギーの解析についてはやや遅れているため，次年度では重点的に実施する予定である．
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| Strategy for Future Research Activity |
今後は，SAMと種々の溶媒との親和性（界面自由エネルギー）という観点から，その定量化を行った上で，界面熱抵抗との関連性を明らかにする．ここでは，界面自由エネルギーの解析手法についてこれまでに提案されている手法（熱力学的積分法や自由エネルギー摂動法）をベースとして理論の拡張および解析を行っていく．最終的にこれまで得られているSAM分子種による影響や溶媒との組み合わせについて考察し，効率的な界面熱輸送を実現する表面修飾について，分子設計の立場から提案を行う．
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| Causes of Carryover |
消耗品費として数値計算に関連したPC周辺機器やデータ解析，整理に利用するソフトウェアを購入する予定であったが，当該年度中では既存の数値計算設備で十分であったので，次年度使用額が生じた．
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
より多くの数値シミュレーションを行い，それに伴うデータ解析を行う必要が生じるため，次年度以降これに関連したPC周辺機器やソフトウェアが必要となることが予想される．したがって，次年度に使用する予定である．
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