2021 Fiscal Year Annual Research Report
Investigation of the functional prediction of polymer materials base on informatics and structural data
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18H03850
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| Research Institution | National Institutes for Quantum Science and Technology |
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Principal Investigator |
前川 康成 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 高崎量子応用研究所, 副所長 (30354939)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
川勝 年洋 東北大学, 理学研究科, 教授 (20214596)
小泉 智 茨城大学, 理工学研究科(工学野), 教授 (00343898)
大和田 謙二 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 関西光科学研究所 放射光科学研究センター, グループリーダー (60343935)
趙 躍 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 高崎量子応用研究所 先端機能材料研究部, 上席研究員 (30450307)
大道 正明 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 高崎量子応用研究所 先端機能材料研究部, 主幹研究員 (10625453)
廣木 章博 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 高崎量子応用研究所 先端機能材料研究部, 主幹研究員 (10370462)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | インフォマティクス / 高分子材料 / 機能予測 / 中性子小角散乱 / X線小角散乱 / 粗視化分子動力学シミュレーション |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究課題では、放射線グラフト重合技術を用いて作製する高分子機能性材料について、インフォマティクスによる機能予測の実証を目指し、各テーマの研究を行った。
高分子機能性材料のデータセットに関する研究では、昨年度に続き、エチレン-テトラフルオロエチレン共重合体 (ETFE) やポリエーテルエーテルケトン (PEEK) 等の基材膜にビニルイミダゾールやスチレン誘導体等のモノマーを放射線グラフト重合し、アニオン伝導性やプロトン伝導性の高分子電解質膜を作製するとともに、機能予測に必要な物性データを拡充した。
高分子機能性材料の構造解析研究では、X線小角散乱や中性子小角散乱(SANS)測定、原子間力顕微鏡 (AFM) 観察、粗視化分子動力学シミュレーション（CGMD）により、膜の階層構造に関するデータを取得した。ETFE-PEMのAFM観察により、グラフト率増加に伴い40 nm程度のグラフト鎖ドメインが連結し、イオン伝導に寄与するネットワーク構造を形成することが分かった。ETFE-PEMに対するCGMDにより、2.1 nm程度のポリスチレン-水の相分離構造が形成されることを見出した。また、Nafionに対するコントラスト変調SANSに基づく部分散乱関数プロファイル解析により、結晶相と非晶相の不均一分布構造が65 nm程度の大きさで存在することを見出した。さらに、相関長11 nmの結晶/非晶領域と4 nmのイオン伝導チャンネルからなる２つの両連続相構造を形成していることを明らかにした。
数理統計解析による機能予測研究では、データに含まれる統計的な外れ値を除外することで、ランダムフォレスト回帰分析の予測精度を向上した。説明変数の重要度に基づく解析の結果、PEEK-PEMの高出力特性と高耐久性の発現理由が、基材のもつ低結晶性かつ高分子間力（高融点）のためであることを明らかにした。
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| Research Progress Status |
令和3年度が最終年度であるため、記入しない。
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| 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。
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