2020 Fiscal Year Annual Research Report
Analysis of Water Tree Suppressing Effect of Surfactant by Quantum Chemical Calculation and Molecular Dynamics Simulation
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18K05244
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| Research Institution | Kanto Gakuin University |
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Principal Investigator |
植原 弘明 関東学院大学, 理工学部, 教授 (00329210)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
岡本 達希 関東学院大学, 工学総合研究所, 研究員 (00371550)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 分子動力学シミュレーション / 量子化学計算 / ポリエチレン / 界面活性剤 / 水クラスター / 逆ミセル / 抑制効果 / 水トリー |
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| Outline of Annual Research Achievements |
2020年度(最終年度)に実施した研究の成果及び研究期間全体を通じて実施した研究の成果の概要は、以下の①及び②の通りである。
①2020年度に実施した研究の成果
2020年度は、2019年度に引き続きポリエチレンとしてn-イコサヘクタン(C120H242)を50個、界面活性剤としてステアリルジエタノールアミン(C22H47N1O2)を0、5、10個の3種類、水分子を50個使用して分子動力学シミュレーションを行った。2020年度の特徴的な研究実績としては、分子動力学シミュレーション中に電界を印加できたことである。2019年度までは、分子動力学シミュレーション終了後の分子構造から一部分を抽出して量子化学計算時に電界を印加していたが、分子動力学シミュレーション中に電界を印加できたことによって、水トリー発生・進展時の状況により近いモデルを構築することができた。
②研究期間全体を通じて実施した研究の成果
界面活性剤による水トリー発生・進展の抑制に関して、下記の3件の知見を得ることができた。(i)水分子は双極子ー双極子相互作用によって凝集して水クラスタを形成し、界面活性剤の親水基は水クラスタ側に配向して逆ミセルを形成することがわかった。(ii)分子間相互作用に関連するエネルギーのうち、共有結合に関係してない静電エネルギー、ファンデルワールスエネルギー、水素結合エネルギーの3つに着目し、動径分布関数を使用して解析を行ったところ、第一近接距離は電子雲の重なりによるファンデルワールス反発項に起因していることがわかった。(iii)逆ミセル、水クラスタ、水クラスタと界面活性剤の組み合わせ、分子動力学シミュレーション前後の界面活性剤の量子化学計算により、最高被占軌道（HOMO準位）の上昇は水素結合の数、酸素原子の高い電気陰性度、界面活性剤の電気双極子モーメントの大きさに関係していることがわかった。
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