2015 Fiscal Year Research-status Report
分子シミュレーション法を用いた結晶構造の異なるセルロースの膨潤・溶解機構の解明
| Project/Area Number |
26450226
|
|---|
| Research Institution | Yokohama National University |
|---|
Principal Investigator |
上田 一義 横浜国立大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (40223458)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2017-03-31
|
| Keywords | コンピュータシミュレーション / セルロース / 溶解 |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は、結晶構造の異なるセルロースの膨潤・溶解の機構を分子シミュレーションにより検討し、膨潤・溶解の制御の基礎知見を得ることによりセルロースのバイオリファイナリーへの応用に寄与することを目指すものである。セルロースは原料・エネルギー源としての期待が高いが、難溶解性であることが利用に向けての最大の問題点である。本研究では分子シミュレーションを用いて実験のみでは困難なセルロースの膨潤・溶解機構を解明を分子レベルで明らかにすることを目的としている。
昨年度の平成２６年度研究計画では、セルロースの４種の結晶形（Ｉ,II, III,IV型結晶）の膨潤・溶解挙動に関して分子シミュレーションによる再現が可能かどうかの基礎検討を行ない、シミュレーションが実験の挙動を良く再現することを明らかにした。本年度は、その挙動の解明をさらに進めるため、温度・圧力を室温・定圧から超臨界状態まで変化させて、さらに詳しく結晶の膨潤・溶解の過程を追跡すると同時に、結晶状態におけるセルロース鎖間の相互作用についても詳細に検討した。その結果、セルロースI,II型においていまだ明らかにされていない水素結合の様式について、量子化学計算により、詳細な検討を行うことができた。さらに、セルロースIII型については、結晶の加熱による構造と相互作用の変化について平面波基底を用いた量子化学計算により明らかにすることができた。この成果は論文としてまとめ、この分野の主要雑誌である“Carbohydrate Research”誌に掲載された。
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
平成２７年度は研究計画にあるように、２６年度の分子シミュレーションに引き続き、さらに詳細に温度・圧力は室温・定圧から超臨界状態まで条件を変化させて結晶の膨潤・溶解の過程を追跡し、セルロース溶解の基本的な機構の詳細を明らかにすることを目的に研究を進めた。その成果は論文としてまとめ、この分野の主要雑誌である“Carbohydrate Research”誌に掲載させることができた。この論文は、セルロースIII型について、結晶の加熱による構造と相互作用の変化について平面波基底を用いた量子化学計算により明らかにしたものである。さらに、セルロースI,II型においては、いまだ明らかにされていない水素結合の様式について、量子化学計算により、詳細な検討を行うことができた。また、その結果は実験の連携研究者に伝え、緊密なコラボレーションのもと、溶解機構と実験条件の最適化を進めている。以上の成果から、本年度の計画は全体としては概ね順調に進展しているとした。
|
| Strategy for Future Research Activity |
最終年度である本年度は、研究の最終段階として申請書にもあるように温度・圧力条件のほかに、溶媒中へのNaOH等の添加物の影響や結晶の大きさによる溶解性への影響（分子量依存性）等についての検討も行っていく予定である。特に、セルロース結晶内におけるセルロース鎖間に働く相互作用については、第一原理分子動力学シミュレーション法の適用により、高温・高圧下での構造と相互作用の変化を量子化学計算のレベルで明らかにすることを試みる。さらに、NaOH等の添加物の溶性に及ぼす影響については溶媒和自由エネルギー計算による評価と溶媒和構造との関係について明らかにし、セルロース溶解の基本的な機構の詳細を明らかにする予定である。
|
