Multiscale simulation hybriding molecular dynamics and continuum calculations

2023 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 20K03875
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 13040:Biophysics, chemical physics and soft matter physics-related
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: Murashima Takahiro 東北大学, 理学研究科, 助教 (50565520)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2024-03-31
• Keywords: マルチスケールシミュレーション / 分子動力学シミュレーション / 有限要素法 / 流体シミュレーション / 高分子シミュレーション

Outline of Final Research Achievements

The aim of this study is to develop and demonstrate a new multi-scale simulation method to predict material deformation and flow at molecular dynamics and macroscopic scales. To this end, an algorithm for molecular dynamics simulation of arbitrary deformations was developed and a simulation code was developed. One of the achievements during the project was the elongational flow simulation of large deformations. Large elongational flow simulations in mixtures of cyclic and linear polymers were carried out and stress overshoot behavior under biaxial elongational flow was found. Furthermore, topological transition phenomena were discovered in mixtures of polycyclic and linear chains. These results were published in the papers.

Free Research Field

統計物理

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

微視的な分子スケール(nm)から巨視的なスケール(m)までをシームレスにつなぐマルチスケールシミュレーションが真に実現できれば、新規材料開発・性能予測、材料の疲労破壊の原因究明・寿命予測、などを加速させると期待される。本研究成果によって、分子動力学シミュレーションと連続体シミュレーションを直接接続するマルチスケールシミュレーションの基盤技術の開発に成功した。また、任意変形を扱う際の基盤となる知見を深めるために行った大伸長変形のシミュレーションの実施により、環状高分子と線状高分子の混合系において未知の現象を発見した。この発見は環状高分子を利用した機能性材料開発に貢献する知見となる。