Development of Coarse-Grained Molecular Model for Predicting Dynamics of Entangled Associating Polymers
| Project/Area Number |
21K13893
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Review Section |
Basic Section 13040:Biophysics, chemical physics and soft matter physics-related
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
佐藤 健 京都大学, 化学研究所, 助教 (70883536)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2021)
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| Budget Amount *help |
¥4,680,000 (Direct Cost: ¥3,600,000、Indirect Cost: ¥1,080,000)
Fiscal Year 2023: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000)
Fiscal Year 2022: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
Fiscal Year 2021: ¥2,210,000 (Direct Cost: ¥1,700,000、Indirect Cost: ¥510,000)
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| Keywords | 絡み合い高分子系 / 会合・解離 / 界面活性剤溶液 / レオロジー / 粗視化モデル / シミュレーション |
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| Outline of Research at the Start |
会合性高分子は，可逆的な会合・解離の影響で，通常の高分子にない自己修復性や外場応答性を示す．このような会合性高分子は新規材料として応用可能な面を持つ一方，その絡み合い運動と会合および解離の競合によって現れるダイナミクスを予測することはいまだに困難である．
本研究では，実験と連携することで，会合性高分子のダイナミクスを予測するモデルを構築する．そのモデルを用いた数値計算により，絡み合い会合性高分子のレオロジー挙動の背後にある分子運動の理解を開拓することを目的とする．更にこの研究を通して，分子間に会合・解離や分裂・結合等の機構を有する分子のレオロジーの理解の糸口を掴むことを目指す．
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| Outline of Annual Research Achievements |
絡み合い会合性高分子の粗視化モデルの基盤構築に向けて，2つの課題：(i) 非絡み合い高分子系の粗視化モデルの構築，(ii) 界面活性剤が水溶液中で形成する自己組織化構造のレオロジー挙動予測のための粗視化モデルの精密化を進めた．
(i) 絡み合い高分子系の非線形レオロジー予測の高度化に向けて，配向・伸長環境下におけるセグメント間摩擦の低減効果が注目されている．ここで，摩擦の起源は絡み合いの長さスケール以下のスケールでの相互作用にあると考えられるため，この効果は非絡み合い高分子系でも重要だと推察される．今年度は，非絡み合い高分子系の標準的なモデルであるバネ・ビーズモデルを基に，セグメント間の摩擦の低減効果・それに付随する熱揺動力の強度の変化を取り入れた一般的な構成方程式を立式した．パラメータ決定に任意性があるものの，得られた構成方程式は，適当な仮定の下で非絡み合い系の非線形レオロジー特性を定性的に再現することが分かった．
(ii) 分子内に親水基と疏水基を有する界面活性剤分子は，特定の条件下でひも状の自己組織化構造（ひも状ミセル）を形成し，絡み合い高分子系と類似の構造を形成する．ひも状ミセル系では，通常の高分子系とは異なり，ひも状ミセルが平衡状態においても分裂・結合を繰り返す．すなわちこの系は，会合・解離を有する会合性高分子系と類似の系とみなせる．これまでの研究で，絡み合い高分子系の粗視化モデルに分裂・結合の機構を組み合わせることで，ひも状ミセルの粗視化モデルを構築してきた．今年度はこのモデルを拡張し，非線形レオロジーに着目した研究を行った．せん断流下・伸長流下それぞれについて検討を行い，モデルの予測が実験結果と定性的に一致することを確認した．特に，ミセルが強く伸長される伸長流下では，ミセルにかかる強い応力に誘起される分裂機構が重要であると分かった．
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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
今年度は，当初計画した会合性高分子の粗視化モデル構築の基礎となる研究(i)，および会合性高分子系に類似する系の研究(ii)が進展した．研究(i)は絡み合い/非絡み合いに関わらず高分子ダイナミクスの基礎的な理解を深めるものである．この研究で得られた知見を基に，会合性高分子の精密な粗視化モデル構築が期待できる．この内容は論文としてまとめ上げ，Physics of Fluids誌に掲載された．研究(ii)は，会合性高分子系で重要な会合・解離と類似する機構である分裂・結合を有するひも状ミセル系を対象としている．研究(ii)で構築した粗視化モデルは，本研究課題遂行の基盤技術となる粗視化モデルの開発に関するものである．先行研究では，会合性高分子系/ひも状ミセル系ともに線形レオロジー特性は詳細に理論研究されている一方，非線形レオロジーに関する理論的・数値的研究は少なかった．このような状況で，実験のレオロジーデータと定性的に一致する独自の粗視化モデルを開発することに成功した．この内容も既に論文としてまとめており，Journal of Rheology誌に掲載受理されている．
以上，絡み合い会合性高分子の粗視化モデル構築に関連する基礎的な結果を得ており，総合的に，研究は概ね順調に進展していると判断した．
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| Strategy for Future Research Activity |
今年度までに得られた知見に基づき，高分子由来のダイナミクスと会合・解離/分裂・結合の競合によって生じるレオロジー的性質を表現するメソスケールの粗視化モデルの構築を進める．メソスケールモデルの構築は，実験のレオロジーデータとの比較を行いつつ遂行するのが理想的である．その一方で，会合性高分子系/ひも状ミセル系ともに非線形レオロジーのデータが不足している．この状況を鑑み，次年度前半では，非線形レオロジーデータの取得のための実験を行う予定である．会合性高分子系については，所属研究室の先行研究で線形レオロジーのキャラクタリゼーションが行われている会合性末端を有する絡み合いポリイソプレン系[Macromolecules, 53, 1070 (2020)]を用い，非線形レオロジー測定を行う予定である．また，ひも状ミセル系については，先行研究で頻繁に用いられている臭化セチルトリメチルアンモニウム/サリチル酸ナトリウム系を始めとしたいくつかの系に対して測定を行うことを予定している．実験データとモデルの比較に基づき，平衡状態では顕在化しない非線形流動下の特徴的な要素を考察し，会合・解離/分裂・結合とレオロジーの関係を深く理解することを目指す．
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Report
(1 results)
Research Products
(9 results)
