2022 Fiscal Year Research-status Report
Development of simulation method about swelling soft structure by intercalation
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21K14705
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| Research Institution | Kogakuin University |
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Principal Investigator |
宮川 雅矢 工学院大学, 先進工学部, 助教 (80758350)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | 分子動力学法 / 吸着 / 層状粘土鉱物 / モンモリロナイト / 有機粘土 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
前年度は粉体どうしを混ぜ合わせることによって進行する固相吸着に関するシミュレーション法を開発した．今年度は有機粘土が一般的に用いられる液相吸着反応について，材料としての最適化およびシミュレーション法の開発を目的とした．
吸着量は有機粘土・吸着質の種類によって大きく異なり，混ぜてみないと分からないというのが現状である．この問題を機械学習を用いて解決できないか検討した．具体的には，液相吸着に関する実験データを論文から収集し，学習モデルを構築した．その結果，テストデータを入力したときの吸着量は実験値をよく再現し，実験せずとも吸着量が予想することに成功した．また，これまではわからなかったホストである粘土・修飾材である有機カチオン・吸着質がそれぞれ吸着量に対してどの程度影響を及ぼすのかを，平衡濃度ごとに定量的に明らかにした．
液相吸着シミュレーションの開発については，含水率の推定および含水構造の決定を中心に検討した．熱重量分析（TG）の実験データから含水率を見積もることで，含水有機粘土のモデリングを行い，疎水的と考えられている層間に水がインターカレートされることでカチオンの配座・配向がどのように変わるかを明らかにした．次に，吸着等温線データから吸着量を算出することで，液相における吸着構造のモデリングをおこなった．その結果，吸着質をベンゼンとしたときの吸着量のカチオン種依存性は有機粘土の表面構造の違いによって説明できることを明らかにした．
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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
実験による決定が難しいとされていた含水構造を明らかにできており，同様に観測が非常に困難な吸着構造についても達成できている．一般に混ぜてみないとわからないと考えらえていた吸着特性の違いについても，構造をもとにその由来を説明することができている．
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| Strategy for Future Research Activity |
含水率を実験値に頼らずに計算でのみ決定する手法を開発する．また，同様に吸着特性についても構造だけでなくエネルギーで定量的に評価できる計算手法を開拓する．
現状ではモンモリロナイトのみがモデリング可能な粘土であるが，サポナイトやヘクトライトといった一般的に用いられる他のスメクタイト族粘土鉱物も計算できるようにさまざまな層状粘土鉱物のモデルを作製する．そして，これらの粘土鉱物をホストした有機粘土のモデルを作製し，さらにこのような複合体で見られる特異な吸着特性・光学特性などについてその由来を分子論に基づいて明らかにする．
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| Causes of Carryover |
予定していた国際会議（MRS，ハワイ）に講義の都合で参加できずに旅費が浮いた．また，購入を予定していた計算機の拡張パーツCPUおよびメモリは，既存の計算機のスペックでぎりぎりではあるが計算可能であったため，2022年度での購入を見送った．しかし，2023年度に取り組む計算は従来の10倍以上の計算コストを要する見込みであるため，もともと2022年度に購入予定だったこれら拡張パーツCPUおよびメモリを，2023年度の予算に計上済みである計算ソフトとともに購入することで，当初から予定している研究を遂行し，目的を達成する．
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