2020 Fiscal Year Research-status Report
ナノ相分離ソフトマター系の分子モデリングと空間分割解析
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20K15108
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| Research Institution | University of Hyogo |
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Principal Investigator |
石井 良樹 兵庫県立大学, シミュレーション学研究科, 特任講師 (20806939)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | モデリング / 第一原理計算 / 分子動力学 / ナノ相分離 / イオン性 / ソフトマター / ガラス / 輸送係数 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
ナノ相分離ソフトマターの分子シミュレーションを確立するために，様々なイオン性ソフトマターを対象とした分子モデリングを展開した。まず本研究では，イオン液体の疎水基を拡張させたイオン性超分子の非分極力場を，周期境界条件における密度汎関数法に基づく第一原理計算によって構築した。得られた非分極力場を用いた分子動力学シミュレーションから，疎水基または親水基がそれぞれ自己集合したナノドメインを形成し，溶融相から冷却していくと，そのナノドメインの連続空間が徐々に連結したメゾスケールのナノ相分離構造の再現に成功した。ここで溶融相のイオン伝導率は実験値とよく対応し，またイオン性ドメインは３次元に連結した双連続構造として観測できたが，イオン性の官能基の大きさが変わって２種のナノドメインの体積比率が変化すると，双連続構造は分断されやすくなることが分かった。さらに本研究では，ホウ酸ガラスとフッ化物塩によるイオン性ガラスの分極力場を，同じく密度汎関数に基づく第一原理計算によって新たに構築した。この分極力場を用いたフッ化物混合酸化物の分子動力学シミュレーションから，実験から報告されている静的構造因子の傾向を再現でき，フッ化物塩が局在化したナノスケールで結晶化したガラス構造が再現できた。このうちフッ化物ナノ結晶に由来する部分構造因子は結晶状態の回折パターンによく一致し，さらに詳細な解析から，ナノ結晶の構成原子のうち95%以上がイオン結合によって連結した双連続構造に近いナノ構造を形成しうることが明らかになった。
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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
密度汎関数法を基にした第一原理計算を応用することで，イオン性超分子やガラス系を対象としたナノ相分離ソフトマターにおける分子モデリングを行い，実験データに対応する新しい分子力場の構築が進められている。特に，実験グループとも連携することで，近年の材料研究から提案されている機能性材料のモデル群を，水溶液系とも組み合わせることが可能なものとして構築できている。これは計画通りの展開であり，さらにそのモデルを用いて，ナノ相分離構造の観測だけでなく，その局所空間における物性解析まですでに進められている。次年度以降は，分子モデリングを継続することで，材料研究に応用可能なモデル群の一般化を進めつつ，物性解析の方法論の探索を試みる。
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| Strategy for Future Research Activity |
物性解析の分割手法を発展させて，輸送特性やエネルギー特性の局所分割解析について探索する。この解析を，初年度に開発した分子モデルによるナノ相分離ソフトマターの分子動力学シミュレーションに対して展開する。これにより，ソフトマターのナノドメインにおける局所構造や緩和速度，安定性などの空間依存性を明らかにする。さらに，疎水基鎖長や原子電荷，さらにイオン種を変えた分子シミュレーションをおこなうことで，濃度・密度・電荷の不均一性のナノ空間スケールを恣意的に制御させて，分子やイオンと物性のふるまいについて考察する。
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| Causes of Carryover |
令和２年度はCOVID-19の感染拡大に伴い，研究活動における出張が大幅に制限されたため，令和２年度における旅費の支出がなくなり次年度使用額が発生した。令和３年度も引き続き，研究活動における出張の制限が予想されるが，リモート研究体制とWeb会議体制の拡充に予算を計上し，当初の計画通りに研究を遂行する。
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