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Design of Aquatic Functional Materials Based on Computational Science

Planned

Project AreaAquatic Functional Materials: Creation of New Materials Science for Environment-Friendly and Active Functions
Project/Area Number 19H05718
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)

Allocation TypeSingle-year Grants
Review Section Science and Engineering
Research InstitutionUniversity of Hyogo

Principal Investigator

鷲津 仁志  兵庫県立大学, 情報科学研究科, 教授 (00394883)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 渡辺 豪  北里大学, 理学部, 准教授 (80547076)
樋口 祐次  九州大学, 情報基盤研究開発センター, 准教授 (30613260)
Project Period (FY) 2019-06-28 – 2024-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2022)
Budget Amount *help
¥131,300,000 (Direct Cost: ¥101,000,000、Indirect Cost: ¥30,300,000)
Fiscal Year 2022: ¥23,140,000 (Direct Cost: ¥17,800,000、Indirect Cost: ¥5,340,000)
Fiscal Year 2021: ¥28,860,000 (Direct Cost: ¥22,200,000、Indirect Cost: ¥6,660,000)
Fiscal Year 2020: ¥27,560,000 (Direct Cost: ¥21,200,000、Indirect Cost: ¥6,360,000)
Fiscal Year 2019: ¥25,220,000 (Direct Cost: ¥19,400,000、Indirect Cost: ¥5,820,000)
Keywords水圏機能材料 / 分子シミュレーション / 固液界面 / マルチスケール / マテリアルズインフォマティクス / 水素結合構造 / 分子動力学 / 分子軌道解析 / 密度汎関数法 / イオン液晶 / 単分子膜 / 自由エネルギー
Outline of Research at the Start

水圏機能材料の設計指針を提示するために、マルチスケールのシミュレーション技術を確立し、分子理論に基づく水圏機能材料の基礎学理を構築する。水圏においては、大きな構造自由度をもつ有機・高分子材料と、単純な集団として扱えない水との相関関係を分子レベルから材料全体のマクロレベルまで階層的に扱う必要がある。本研究では、このような水圏で機能する材料創成を実現するために、階層化した大規模分子シミュレーションにより、実験で得られた知見と相補的な現象理解に基づいた水圏機能材料の学理を構築するとともに、新規材料系の設計指針の提示を行う。

Outline of Annual Research Achievements

本研究課題は、材料における量子・原子レベル、粗視化分子、流動中の粒子の各階層における水圏シミュレーション手法を創出・融合し、分子機構解析により水圏機能材料を創製するための分子設計指針を提示する。実験解析で得られた知見との相補的な現象理解に基づく水圏機能融合材料の構造・機能を解明し、その設計指針を確立する。
本年度は、昨年度から実施しているA01-1加藤のイオン機能液晶の全原子シミュレーションを展開し、水の自由エネルギー状態の解析を行った。ジャイロイド型とカラムナー型構造の再現に成功し、自己組織化した水圏機能材料中の水の構造・水の透過プロセスを解明した。
A01-1加藤の提案したバイオ共役部位を有する両親媒性分子が形成する単分子膜において、タンパク質吸着プロセスの全原子シミュレーションを行った。タンパク質が吸着した際の膜構造変化、および界面近傍の水分子の動態を明らかにし、共同研究として論文化した。
渡辺はA03-3高島の提案する高分子接着系について、密度汎関数法を用いて、側鎖の電荷と接着強度に関する知見を得た。樋口はA03-3高島のホスト-ゲストゲルに対して、密度汎関数法とイオン溶液に関する理論的考察により、イオン濃度と接着強度に関する知見を得た。
界面の分子シミュレーション技術の確立を目指し、鷲津はマテリアルズインフォマティクスを利用した新規高分子構造表現法を確立した。さらに、鷲津は粗視化粒子シミュレーション手法を進展させ、樋口はソフトマター材料の大規模粗視化シミュレーション技術を発展させた。これら分子シミュレーション技術を用いて、水圏で融合機能発現する材料の研究にも取り組んだ。また渡辺は、原(公募)のGI-XRDを駆使した実験に対して、新奇ならせん構造を有するカラムナー液晶の配向構造、そしてらせん構造形成のメカニズムを分子動力学により解明した。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

研究計画の各項目は、ほぼ予定通りに進展している。理由を以下に列挙する。
イオン機能液晶の全原子シミュレーションについては、水のエネルギーに関してのみならず、拡散挙動をはじめとするダイナミクスについても明らかにし、力場パラメータの違いによらず本解析で明らかにした機構が普遍的であることを示した。自己組織化した水圏機能材料中の水の構造・水の透過プロセスを総合的に解明できたことは、有意義である。単分子膜における、タンパク質吸着プロセスの全原子シミュレーションにおける成果は、水圏機能材料の構造・物性に加えて、水の動態も解明しており、水の学理構築にも貢献したと言える。高分子接着系については、昨年度に引き続いてホスト-ゲストゲルの量子化学的な解析を行うことによって、実験によって示唆された接着強度について理論面から補足し、これらの知見から、材料の制御・設計指針を示した。
マテリアルズインフォマティクスを利用した高分子の高次構造の表現方法は、高分子科学において初めて提案された方法であり、きわめて新規性が高いといえる。さらに、大規模粗視化シミュレーションについて、計算手法を拡張しており、これらの手法のさらに幅広い水圏機能材料への適用が期待できる。
以上のように、材料の構造・物性に関する知見に基づく制御・設計指針の提示、水の動態の解明による水の学理構築、分子シミュレーション技術の発展と、当初の予想を上回るペースで成果が上がっている。

Strategy for Future Research Activity

本年においても、当初の計画通りに分子論的な立場から材料の構造・物性と水の動態を解明し、分子・材料の制御・設計指針を示しており、研究計画に大きな変更が必要となるような問題は生じていない。今後も継続して、A01分子・材料構築班、A03機能開拓班との班間連携を密に行うことで、領域全体としての材料の設計・合成から機能発現までの円滑な研究推進に理論面から寄与する。さらに、班内連携により、測定結果(A02-1)と理論(A02-2)の妥当性の検証を相互に行い、水と材料の構造・機能を解明し、水の学理を構築する。
領域全体の目標である水圏機能材料の創製のため、マルチスケールシミュレーションにより以下の研究を実施する。
A01-2辻およびA03-1田中求と連携し、有機半導体の安定性評価・機能増大のための指針提示を行う。人工細胞膜における水の動態と、センシング材料における水和構造を解明する。さらに水の動態に関して溶液の統計力学の観点から深く議論する。A03-2田中賢の提案する生体親和材料の機能評価と最適な組み合わせの探索を行う。渡辺が高分子と界面水の動態解明、鷲津が流動とイオン溶媒和の解明、樋口が高分子とタンパクの接着性を解明し、機能向上のための提案を行う。A03-3高島、A01-1加藤と連携し、異種接着材料およびハイブリッド材料の強化を実現する。有機無機融合による結晶化、高分子の構造と運動、流れと結晶化の観点からマルチスケールの解析を実施し、「水の動態」と「力学特性」の相関解明を行い、分子設計指針を提示する。
さらに、本研究で構築する、分子集合体を基盤とする水圏機能材料に適したMI手法について、これまでに、鷲津が確立した高分子材料の構造の記述法を水圏機能材料に応用展開し、実験についてもデータ解析を行う。

Report

(2 results)
  • 2020 Annual Research Report
  • 2019 Annual Research Report

Research Products

(114 results)

All 2022 2021 2020 2019 Other

All Int'l Joint Research (4 results) Journal Article (21 results) (of which Int'l Joint Research: 3 results,  Peer Reviewed: 21 results,  Open Access: 7 results) Presentation (88 results) (of which Int'l Joint Research: 25 results,  Invited: 23 results) Book (1 results)

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      Journal of Tribology

      Volume: 144 Pages: 011901-011901

    • DOI

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      Volume: 16 Issue: 1 Pages: 16-23

    • DOI

      10.2474/trol.16.16

    • NAID

      130007978438

    • ISSN
      1881-218X, 1881-2198
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      Volume: 11 Pages: 011901-011901

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      Volume: 0

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      Volume: 66 Issue: 4 Pages: 258-266

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    • NAID

      130008024840

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      0915-1168, 2189-9967
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      10.2474/trol.15.259

    • NAID

      130007893590

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      1881-218X, 1881-2198
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      Journal of Tribology

      Volume: 142 Pages: 091702-091702

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      Volume: 56 Pages: 12134-12137

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      Volume: 142 Pages: 14974-14984

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      Volume: 6

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      渡辺 豪
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      渡辺 豪
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      Go Watanabe, Takuyoshi Mandai, Mitsuo Hara, Jun Yoshida
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      69th Symposium on Macromolecules, (Online)
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      Yohei Shimizu, Takanori Kurokawa , Hirokazu Arai , Hitoshi Washizu
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      第 69 回高分子学会年次大会, 福岡国際会議場, 福岡県福岡市
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      Yoshiki Ishii, Go Watanabe, Nobuyuki Matubayasi, Takashi Kato, Hitoshi Washizu
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      第 69 回高分子学会年次大会, 福岡国際会議場, 福岡県福岡市
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      松岡 諒, 鷲津仁志
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      石井良樹, 松林伸幸, 渡辺 豪, 加藤隆史, 鷲津仁志
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      第69回高分子討論会, オンライン開催
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      石井良樹, 松林伸幸, 渡辺 豪, 加藤隆史, 鷲津仁志
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      Hitoshi Washizu
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      Mirjam Base, Florian Rummel, Hitoshi Washizu, Vlad Bodgan Niste, Stephan Henzler, Rebekka Drafz
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      Yoshiki Ishii, Go Watanabe, Nobuyuki Matubayasi, Takashi Kato, Hitoshi Washizu
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      German-Japanese Workshop “Aquatic Materials Made to Order”, University of Heidelberg, Heidelberg, Germany
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      Yuji Higuchi
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      German-Japanese Workshop “Aquatic Materials Made to Order”, Heidelberg University, Heidelberg, Germany
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      渡辺豪
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      Yoshiki Ishii, Go Watanabe, Nobuyuki Matubayasi, Takashi Kato, Hitoshi Washizu
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      日本化学会第 100 春季年会 2020, 東京理科大学野田キャンパス, 千葉県野田市
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      杉村奈都子, Le Vang Sang, 三原雄司, 鷲津仁志
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      日本物理学会第75回年次大会, 名古屋大学東山キャンパス, 愛知県名古屋市
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      石井良樹, 渡辺 豪, 松林伸幸, 加藤隆史, 鷲津仁志
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      Hitoshi Washizu
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      Hitoshi Washizu
    • Organizer
      3rd Czech-Japan Tribology Workshop, Vinice Hnanice, Hnanice, Czech Republic
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      Hitoshi Washizu
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      German-Japanese Workshop “Aquatic Materials Made to Order”, Heidelberg University, Heidelberg, Germany
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      Hitoshi Washizu
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      Yuji Higuchi
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      The Second International Conference of Polymeric and Organic Materials in Yamagata University, Yonezawa, Japan
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      Hitoshi Washizu
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      Hitoshi Washizu
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      Hitoshi Washizu, Soma Usui, Taiki Kawate
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      International Tribology Conference Sendai 2019, Sendai International Center, Sendai, Japan
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      Le Van Sang, Hitoshi Washizu
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      Natsuko N. Sugimura, Le Van Sang, Yuji Mihara, Hitoshi Washizu
    • Organizer
      International Tribology Conference Sendai 2019, Sendai International Center, Sendai, Japan
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      Go Watanabe, Mitsuo Hara, Jun Yoshida
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      The 5th International Conference on Molecular Simulation, Jeju, South Korea
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      Hitoshi Washizu
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      Yuko Teramae, Hitoshi Washizu
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      46th Leeds-Lyon Symposium on Tribology, Valpre, Lyon, France
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      日本伝熱学会関西支部 第26 期 第 2 回 講演討論会, 同志社大学今出川キャンパス, 京都府京都市,
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      鷲津仁志
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      2019 Annual Research Report
  • [Presentation] 京」の大規模シミュレーション及び機械学習を用いた最適ポリマー材料探索2019

    • Author(s)
      清水陽平, 鷲津仁志
    • Organizer
      兵庫県立大学知の交流シンポジウム 2019, 神戸商工会議所会館, 兵庫県神戸市
    • Related Report
      2019 Annual Research Report
  • [Presentation] パーシステントホモロジと大規模シミュレーションを組み合わせたポリマーの高次構造の推定2019

    • Author(s)
      清水陽平, 鷲津仁志
    • Organizer
      第33回分子シミュレーション討論会, 名古屋市公会堂, 愛知県名古屋市
    • Related Report
      2019 Annual Research Report
  • [Presentation] 粗視化分子動力学法を用いた結晶性高分子の融解プロセス2019

    • Author(s)
      樋口祐次
    • Organizer
      日本物理学会 第75回年次大会(開催中止・発表証明)
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      2019 Annual Research Report
  • [Presentation] 高VI添加剤高分子の摺動下のダイナミクス2019

    • Author(s)
      澤井源太郎, 臼井颯馬, 川手大樹, 鷲津仁志
    • Organizer
      関西潤滑懇談会 7月例会ポスター発表会, 京都大学桂キャンパス, 京都府京都市
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      2019 Annual Research Report
  • [Presentation] モノオレインのリオトロピック液晶に関する分子動力学計算2019

    • Author(s)
      吉田晋太郎, 一川尚広, 渡辺 豪, 米田茂隆
    • Organizer
      2019年日本液晶学会討論会, 筑波大学筑波キャンパス, 茨城県つくば市
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      2019 Annual Research Report
  • [Presentation] 分子動力学シミュレーションによるキラルカラムナー液晶のらせん構造解明2019

    • Author(s)
      吉田晋太郎, 萬代拓由, 吉田 純, 原 光生, 渡辺 豪, 米田茂隆
    • Organizer
      第33回分子シミュレーション討論会, 名古屋市公会堂, 愛知県名古屋市
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      2019 Annual Research Report
  • [Presentation] 分子動力学計算を用いた高蛍光性液晶の構造・挙動解析2019

    • Author(s)
      藤島瑛大, 渡辺 豪, 張婉瑩, 櫻井庸明, 趙 成龍, 吉田浩之, 尾崎雅則, 関 修平, 米田茂隆
    • Organizer
      2019年日本液晶学会討論会, 筑波大学筑波キャンパス, 茨城県つくば市
    • Related Report
      2019 Annual Research Report
  • [Presentation] 八面体型金属錯体が形成するカラムナー液晶の微視的構造解析2019

    • Author(s)
      萬代拓由, 吉田晋太郎, 吉田 純, 原 光生, 渡辺 豪, 米田茂隆
    • Organizer
      2019年日本液晶学会討論会, 筑波大学筑波キャンパス, 茨城県つくば市
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      2019 Annual Research Report
  • [Book] 高分子材料のトライボロジー制御2020

    • Author(s)
      鷲津仁志
    • Total Pages
      550
    • Publisher
      技術情報協会
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      2019 Annual Research Report

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Published: 2019-07-04   Modified: 2022-07-01  

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