2019 Fiscal Year Research-status Report
異方性ゲル化高分子鎖の普遍描像に基づく異方性ゲル化ダイナミックスの統計力学の構築
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18K03556
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| Research Institution | Gunma University |
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Principal Investigator |
山本 隆夫 群馬大学, 大学院理工学府, 教授 (80200814)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
土橋 敏明 群馬大学, 大学院理工学府, 教授 (30155626) [Withdrawn]
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 異方性ゲル化 / モンテカルロシミュレーション / 高分子鎖配向 / ボンド配向 / Ginzburg-Landau方程式 / ゲルの融解 / 血液凝固 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
(1)高分子濃厚溶液のシミュレーション
(1-1)異方性の指標として(A)高分子鎖配向と(B)ボンド配向に注目した。異方化の原因を①化学ポテンシャル勾配、②ゲル-ゾル境界面の存在、③ゲル化による高分子鎖の運動制限、の３つに分けて考え、①、②が(A)、(B)にどのように効果を及ぼすかをシミュレーションで調べた。ボンド配向は常に勾配方向を向くき境界面により境界面に平行になることが分かった。(1-2)短い高分子鎖と長い高分子鎖の混合による配向現象のシミュレーションを行ったが、配向現象を見つけることができなかった。鎖長差や高分子鎖の剛性を変えた綿密なシミュレーションが必要である。
(2)GL(Ginzburg-Landau)方程式による解析手法の拡張
(2-1)GL方程式に基づき、流入するゲル化因子と高分子鎖との間に化学量論的な反応を導入したゲル化ダイナミックス理論を発展させ、その特徴を整理した。1次元成長では、①ラグタイムの存在、②ごく初期は経過時間の2乗のゲル成長、③その後の一次関数的成長、④終期には1/2乗の成長、という特徴があることが分かった。さらに、2次元、3次元系にも拡張するとともに、ゲルのゾル化過程(ゲルの融解過程)のダイナミックスも導出した。(2-2)ゲル化因子溶液体積が有限である場合のゲル化ダイナミックス理論を構築した。
(3)種々のゲル形成ダイナミックスの測定
血漿の血液凝固因子との接触によるゲル化ダイナミックスの測定を行い、その結果が、(2-1)で構築した理論でよく説明出来ることが分かった。アスパラギン酸溶液と硝酸銅溶液の接触によるゲルファイバー形成ダイナミックスの測定を行い(2-2)の理論でよく説明出来ることが分かった。コンニャクグルコマンナンのゲル化ダイナミックスを測定し、それが流入ゲル化因子の消費過程を考慮したゲル化ダイナミックスで説明出来ることとが分かった。
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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
シミュレーション、GLに基づく理論構築および実験による知見の収集についての成果を検討した結果、下記のように判断したので進捗状況について区分(2)を選択した。
(1)シミュレーションについて
ゲル化機構を導入したシミュレーションはできなかったが、異方性の指標として高分子鎖の配向だけでなくボンド配向にも着目し、異方化要因を①化学ポテンシャル勾配、②ゲル-ゾル境界面の存在、③ゲル化による高分子鎖の運動制限という3つの視点からシミュレーションプログラムを構築するという明確な方向性を得ることができた。また、短い高分子鎖と長い高分子鎖の混合による配向現象のシミュレーションの立ち上げができた。これらより、シミュレーションについて十分な進展があったと判断した。
(2)GL方程式に基づく現象論構築と実験から得られた知見について
GL方程式に基づくゲル化過程の現象論の発展と、現象論に合わせた実験を行うことができるようになったことにより、ゲル形成ダイナミックスの一般的な特徴を導き出すことができた。さらに、非常に複雑な現象であると考えられていた血液の凝固過程も凝固因子(ゲル化因子)の流入による凝固(ゲル化）という視点でまとめ上げる方法を提案できた。現象論とその検証である実験がうまくかみ合って、ゲル化因子の流入によるゲル化についての見方を確立することができた。それを血液凝固過程の解析へ応用する道筋をつけることもできた。これらより、現象論と実験結果についても十分な進展があったと判断した。
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| Strategy for Future Research Activity |
(1)ゲル化因子流入過程を導入した濃厚高分子溶液のシミュレーション
(1-1)平面状境界面で仕切られた容器内に閉じ込められた濃厚高分子溶液に、高分子セグメント間に引力を生じさせる因子を、境界面から流入させるシミュレーションを行う。高分子鎖の配向、セグメントの配向、高分子鎖の運動性を測定し、その時間発展を調べる。(1-2)短い高分子鎖と長い高分子鎖の混合過程のシミュレーションを行う。高分子鎖の長さ、剛性を変えて網羅的にシミュレーションを行い、長短のDNA分子の混合過程で生じた配向現象を再現し、その配向メカニズムを解明する。
(2)GL方程式に基づくゲル化ダイナミックスの統一描像の構築と実験データの整理
(2-1)流入したゲル化因子と高分子鎖との化学量論的な反応について考察し、GL方程式に基づくゲル化ダイナミックスの現象論の一般化を試みる。(2-2)解析が終了していないカードラン溶液およびキトサン溶液のpH変化によるゲル化ダイナミックスを、構築した現象論で解析する。(2-3)拡散律速なゲル化とエネルギー律速なゲル化をシームレスにつなげて記述できる現象論の構築を試みる。(2-4)(1-1)のシミュレーション結果を現象論で解析し、ミクロなパラメータと現象論中のパラメータとの関係について調べる。(2-5)血液凝固の実験データを現象論で解析し血液凝固過程の特徴を調べる。
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| Causes of Carryover |
データ集積用の計算機価格が予定価格より低かったため。来年度データ蓄積用のハードディスク購入に使用する。
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