2020 Fiscal Year Annual Research Report
Theoretical Modeling of Surfactant Aggregation Behavior
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20H02696
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| Research Institution | Okayama University |
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Principal Investigator |
甲賀 研一郎 岡山大学, 異分野基礎科学研究所, 教授 (10315020)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | 疎水効果 / 疎水性相互作用 / 塩析効果 / 自由エネルギー計算法 / ミセル |
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| Outline of Annual Research Achievements |
ミセル形成駆動力の主要な一因である疎水性溶質の溶解度および疎水性相互作用に関する理論的研究を実施し，以下の成果が得られた．(1)水溶液中の疎水性溶質の溶媒和自由エネルギーに対するイオン添加効果の一般的性質の起源を解明した．イオンサイズが小さいほど，そのイオンによる塩析効果が大きいというよく知られた事実がある．その起源が，イオンの電縮効果によって水溶液の構造が密になることにある，ということを分子シミュレーションに基づき示した．(2) 塩析効果に関して，特にカチオンサイズ依存性に注目した研究を遂行した．疎水性溶質の溶解度は，一般に陽イオンサイズが小さくなるにつれ小さくなる．ところが，ある一定サイズ以下の陽イオンになるとその傾向が逆転する．この例外的挙動の解明に取り組んだ．分子動力学シミュレーションおよび自由エネルギー計算を実行し，陽イオン周囲の水和殻の構造を解析し，Li+のような小さなイオンの場合，イオン周囲の水の構造がNa+よりも低密度になることがわかった．これが一般的傾向に比べLi+の添加効果が小さい原因であることを突き止めた．現在，低密度化の原因を解析している．(3) ミセル形成をすることがわかっているヘキサンジオールの溶媒和自由エネルギーを効率よく計算する手法の開発を進めた．これについては予備的な計算結果が得られたが，より系統的な解析を行う必要があることがわかった．(4)サンクトペテルブルグ大学のShchekin教授との共同研究であるミセル形成の自由エネルギー理論を発展させた．界面活性剤分子数が一定となる閉じた系においてミセル形成自由エネルギーWを与える解析的な式を導いた．Wは界面活性剤分子数密度およびミセルの凝集数の関数として表現される．こうして得られたWの特性を複数の具体的条件について数値的に例示した．
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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
ミセル形成駆動力の重要な要素である疎水効果について計画通りに研究が進んだ．
米国・パデュー大学Ben-Amotz教授，コーネル大学Widom教授らの海外の共同研究者ともオンライン会議またはメールで密に連絡を取り，研究計画実施状況の確認および研究計画の改良がなされた．このように国際共同研究がオンラインベースながら順調に進んでいる．大学院生３名がこの研究課題に関係する研究に取り組み，着実な成果を上げている．ミセル形成の駆動力解明については，予備的段階にとどまる．その理由は，まずミセル形成分子の溶媒和自由エネルギーを正確かつ迅速に得るための手法を開発する必要があり，それに予想以上の時間を要しているためである．
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| Strategy for Future Research Activity |
塩水溶液の物性について，疎水性溶質溶解度のイオンサイズ依存性のメカニズムを解明した成果を論文発表する．次に，疎水性相互作用のイオンサイズ依存性を解明する研究を行う．イオンサイズ依存性は疎水性溶質分子の種類によっても異なることが予想される．そのため，疎水性溶質分子としてメタンのような小分子からフラーレンのような巨大分子種について計算を行い，イオンおよび溶質分子サイズ依存性の全体像を明らかにする．加えて，イオン分子間有効相互作用の理論研究をすすめる．大学院生１名がシミュレーションの実行・結果解析を行い，理論研究は共同研究者が行う．次に，ミセル形成駆動力の構成要素を定量的に明らかにする．界面活性剤分子および水分子からなるモデル系の分子動力学シミュレーションを行い，ミセルを形成する界面活性剤分子の疎水基部分の溶媒和自由エネルギー，親水基部分の静電エネルギーを評価する方法を確立する．様々なサイズのミセルに対してこれらの要素の評価を行い，各要素のミセルサイズ依存性を明らかにし，ミセル形成自由エネルギーモデルの妥当性を評価する．サンクトペテルブルク大学Shchekinグループと共同で研究を推進する．さらに，水＋アルコールを溶媒とする２成分系の濃度ゆらぎおよび溶質添加による濃度ゆらぎの増大についてその特徴と発現機構を明らかにする研究を推進する．まず，２成分系における濃度ゆらぎを正確に評価する．予備計算から，ナノメートルオーダーの濃度不均一性が存在し，構造ゆらぎの時間スケールも数十ナノ秒の長さであることがわかった．大規模長時間計算は外部機関の大型計算機を利用する．理論モデリングはコーネル大学Widomグループと研究代表者および共同研究者が行う．分子シミュレーションは大学院生が行う．パデュー大学Ben-Amotzグループにおいては実験を実施し，研究を推進する．
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