高分子高次構造の階層的シミュレーション

• 研究領域: 次世代物質探索のための離散幾何学
• 研究課題/領域番号: 17H06464
• 研究種目: 新学術領域研究(研究領域提案型)
• 配分区分: 補助金
• 審査区分: 理工系
• 研究機関: 国立研究開発法人産業技術総合研究所
• 研究代表者: 青柳 岳司 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 材料・化学領域, 総括研究主幹 (50786241)
• 研究期間 (年度): 2017-06-30 – 2022-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2021年度)
• 配分額: 52,130千円 (直接経費: 40,100千円、間接経費: 12,030千円); 2021年度: 11,700千円 (直接経費: 9,000千円、間接経費: 2,700千円); 2020年度: 11,700千円 (直接経費: 9,000千円、間接経費: 2,700千円); 2019年度: 11,700千円 (直接経費: 9,000千円、間接経費: 2,700千円); 2018年度: 11,700千円 (直接経費: 9,000千円、間接経費: 2,700千円); 2017年度: 5,330千円 (直接経費: 4,100千円、間接経費: 1,230千円)
• キーワード: ブロックコポリマー / ミクロ相分離 / ニューラルネットワーク / 粗視化分子動力学 / 自己無撞着場理論 / 熱可塑性エラストマー / 軟質樹脂 / 高分子高次構造 / ネットワーク構造 / 深層学習 / マルチフラクタル / 粗視化シミュレーション / パーシステントホモロジー / 機械学習 / 計算機シミュレーション / ネットワーク / SCF / 自己無撞着場 / 相分離

研究成果の概要

伸縮性のある繊維や合成皮革など、日々の生活に広く用いられているゴムや柔らかい樹脂材料を改良するために、コンピューターシミュレーションとAIを用いて材料設計を効率化する方法論の研究を行った。これらの材料は異なる成分がつながった高分子（ブロックコポリマー）よりなり、異なる成分が混ざらないことにより、複数の相が入り組んだ複雑な構造（ミクロ相分離構造）を示す。このようなブロックコポリマーやミクロ相分離構造から、伸び縮みの性質（弾性）を効率的に予測する方法論を確立し、様々な用途に対して目的とする弾性を示す材料設計を行う道筋を示すことが出来た。

研究成果の学術的意義や社会的意義

本研究において、工業的にも、日々の生活にも広く用いられているゴム、樹脂等の高分子材料の性能を、試行錯誤を繰り返すことなく計算機シミュレーションとAIで設計し、最小限の実験で開発を行うことが出来る道筋を提案した。特に分子から実在の材料まで幅広いスケールを対象として計算機シミュレーションとAIを適用することは、学術的にも先端技術であり、このような方法論が広く普及すれば省資源、カーボンニュートラル実現などに寄与するという意味で社会的意義も大きい

研究成果

• [雑誌論文] Coarse-grained molecular dynamics study of elasticity of block copolymers with cubic symmetrical morphology (2022)
  • 著者名/発表者名: Aoyagi Takeshi
  • 雑誌名: Polymer 巻: 243 ページ: 124624-124624
  • DOI: 10.1016/j.polymer.2022.124624
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Optimization of the elastic properties of block copolymers using coarse-grained simulation and an artificial neural network (2022)
  • 著者名/発表者名: Aoyagi Takeshi
  • 雑誌名: Computational Materials Science 巻: 207 ページ: 111286-111286
  • DOI: 10.1016/j.commatsci.2022.111286
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Deep learning-based estimation of Flory-Huggins parameter of A-B block copolymers from cross-sectional images of phase-separated structures (2021)
  • 著者名/発表者名: K. Hagita, T. Aoyagi, Y. Abe, S. Genda, T. Honda
  • 雑誌名: Sci Rep 巻: 11(1) 号: 1 ページ: 12322-12322
  • DOI: 10.1038/s41598-021-91761-8
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] 3次元畳み込みニューラルネットワークの転移学習を用いたブロック共重合体の応力ひずみ曲線予測 (2021)
  • 著者名/発表者名: 川口裕靖, 伊藤真利子, 青柳岳司, 大西立顕
  • 雑誌名: Journal of Computer Chemistry, Japan 巻: 20 号: 3 ページ: 100-102
  • DOI: 10.2477/jccj.2021-0037
  • NAID: 130008122399
  • ISSN: 1347-1767, 1347-3824
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] High-throughput prediction of stress-strain curves of thermoplastic elastomer model block copolymers by combining hierarchical simulation and deep learning (2021)
  • 著者名/発表者名: Aoyagi Takeshi
  • 雑誌名: MRS Advances 巻: 6 号: 2 ページ: 32-36
  • DOI: 10.1557/s43580-021-00008-1
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Evaluation of the Slip-Spring Dissipative Particle Dynamics Code for Practical Studies in Polymer Rheology (2021)
  • 著者名/発表者名: Aoyagi Takeshi
  • 雑誌名: Nihon Reoroji Gakkaishi 巻: 49 号: 2 ページ: 79-86
  • DOI: 10.1678/rheology.49.79
  • NAID: 130008038522
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Deep learning model for predicting phase diagrams of block copolymers (2021)
  • 著者名/発表者名: Aoyagi Takeshi
  • 雑誌名: Computational Materials Science 巻: 188 ページ: 110224-110224
  • DOI: 10.1016/j.commatsci.2020.110224
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] ソフトマテリアルのマルチスケール・マルチフィジックスシミュレーション (2020)
  • 著者名/発表者名: 青柳 岳司
  • 雑誌名: トライボロジスト 巻: 65 号: 11 ページ: 653-658
  • DOI: 10.18914/tribologist.65.11_653
  • NAID: 130007939798
  • ISSN: 0915-1168, 2189-9967
  • 年月日: 2020-11-15
  • 査読あり
• [雑誌論文] Quantification of microphase separated structures from the viewpoint of multifractal (2020)
  • 著者名/発表者名: Mariko Ito, Sadato Yamanaka, Takeshi Aoyagi and Takaaki Ohnishi
  • 雑誌名: Proceedings of the 2020 International Symposium on Nonlinear Theory and its Applications (NOLTA2020) 巻: 1 ページ: 480-483
  • 査読あり
• [雑誌論文] Topological data analysis for microdomain patterns of block copolymer (2020)
  • 著者名/発表者名: Yoh-ichi Mototake, Sadato Yamanaka, Takeshi Aoyagi, Takaaki Ohnishi and Kenji Fukumizu
  • 雑誌名: Proceedings of the 2020 International Symposium on Nonlinear Theory and its Applications (NOLTA2020) 巻: 1 ページ: 517-520
  • 査読あり
• [雑誌論文] 位相幾何的データ分析によるブロックコポリマー準安定構造の自由エネルギー推定 (2020)
  • 著者名/発表者名: 本武 陽一、山中 貞人、青柳 岳司、大西 立顕、福水 健次
  • 雑誌名: Journal of Computer Chemistry, Japan 巻: 19 号: 4 ページ: 169-171
  • DOI: 10.2477/jccj.2021-0009
  • NAID: 130008031793
  • ISSN: 1347-1767, 1347-3824
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] ミクロ相分離構造の最大連結成分と自由エネルギー (2020)
  • 著者名/発表者名: KAWAGUCHI Hironobu、ITO Mariko I.、YAMANAKA Sadato、AOYAGI Takeshi、OHNISHI Takaaki
  • 雑誌名: Journal of Computer Chemistry, Japan 巻: 19 号: 4 ページ: 136-138
  • DOI: 10.2477/jccj.2021-0001
  • NAID: 130008021858
  • ISSN: 1347-1767, 1347-3824
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] ブロック共重合体のミクロ相分離構造に対するマルチフラクタル解析 (2019)
  • 著者名/発表者名: ITO Mariko I.、YAMANAKA Sadato、AOYAGI Takeshi、OHNISHI Takaaki
  • 雑誌名: Journal of Computer Chemistry, Japan 巻: 18 号: 5 ページ: 214-216
  • DOI: 10.2477/jccj.2019-0043
  • ISSN: 1347-1767, 1347-3824
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] 粗視化分子モデルを用いた高分子鎖の形と大きさのシミュレーション (2019)
  • 著者名/発表者名: AOYAGI Takeshi
  • 雑誌名: オレオサイエンス 巻: 19 号: 11 ページ: 469-474
  • DOI: 10.5650/oleoscience.19.469
  • NAID: 130007742442
  • ISSN: 1345-8949, 2187-3461
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] 高分子材料へのマテリアルズ・インフォマティクスの適用事例 (2019)
  • 著者名/発表者名: 青柳岳司
  • 雑誌名: 工業材料 巻: 67 ページ: 69-74
• [学会発表] 階層的シミュレーションと深層学習による熱可塑性エラストマー弾性挙動の高速予測 (2021)
  • 著者名/発表者名: 青柳 岳司
  • 学会等名: 第70回高分子討論会
• [学会発表] 高分子レオロジーの実用的研究のためのスリップスプリング散逸粒子動力学コードの評価 (2021)
  • 著者名/発表者名: 青柳 岳司
  • 学会等名: 第69回レオロジー討論会
• [学会発表] 高分子界面・相分離構造を対象とした粗視化シミュレーション (2021)
  • 著者名/発表者名: 青柳 岳司
  • 学会等名: 第179回粘着研究会例会
  • 招待講演
• [学会発表] High-throughput prediction and optimization of stress-strain curve of thermoplastic elastomer (2021)
  • 著者名/発表者名: Takeshi Aoyagi
  • 学会等名: International Conference on Discrete Geometric Analysis for Materials Design
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] High-throughput prediction of stress-strain curve of thermoplastic elastomer (2021)
  • 著者名/発表者名: Takeshi Aoyagi
  • 学会等名: Pacifichem 2021
  • 国際学会
• [学会発表] 粗視化シミュレーションと深層学習による熱可塑性エラストマー弾性特性の高速予測 (2021)
  • 著者名/発表者名: 青柳岳司
  • 学会等名: 日本物理学会 第76回年次大会
  • 招待講演
• [学会発表] High-Throughput Prediction of Stress-Strain Curve of Thermoplastic Elastomer Model Block Copolymers with Various Chain Structure by Combining Hierarchical Simulation and Deep Learning (2021)
  • 著者名/発表者名: Takeshi Aoyagi
  • 学会等名: APS March Meeting 2021
  • 国際学会
• [学会発表] シミュレーションとAIによる高分子材料開発 (2020)
  • 著者名/発表者名: 青柳岳司
  • 学会等名: 第69回高分子討論会
  • 招待講演
• [学会発表] 粗視化シミュレーションと機械学習の連携による高分子材料の高次構造設計 (2020)
  • 著者名/発表者名: 青柳岳司
  • 学会等名: 化学工学会第51回秋季大会
  • 招待講演
• [学会発表] High-Throughput Prediction of Stress-Strain Curve of Thermoplastic Elastomer Model Block Copolymers by Combining Hierarchical Simulation and Deep Learning (2020)
  • 著者名/発表者名: Takeshi Aoyagi
  • 学会等名: 2020 MRS Spring/Fall Meeting
  • 国際学会
• [学会発表] Predicting Stress-Strain Behavior of Thermoplastic Elastomer by Theoretical Calculation and Deep Learning (2020)
  • 著者名/発表者名: Takeshi Aoyagi
  • 学会等名: APS March Meeting 2020
  • 国際学会
• [学会発表] Computational Study of the Microphase-Separated Structure and Elastic Property of Block Copolymers (2019)
  • 著者名/発表者名: Takeshi Aoyagi
  • 学会等名: MRM2019
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] OCTAを基盤とする粗視化シミュレーションの産業利用 (2019)
  • 著者名/発表者名: 青柳岳司
  • 学会等名: 高分子学会講演会
  • 招待講演
• [学会発表] 高分子界面・相分離を対象とした粗視化シミュレーション (2019)
  • 著者名/発表者名: 青柳岳司
  • 学会等名: 接着界面科学研究会PartⅥ 第7回例会
  • 招待講演
• [学会発表] Classification of Metastable Structures in Microphase-Separated Block Copolymers using Deep Learning (2019)
  • 著者名/発表者名: Takeshi Aoyagi
  • 学会等名: International Symposium: Polymers and networks via topology and entanglement
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] シミュレーションとAIの連携による機能材料設計への取り組み (2019)
  • 著者名/発表者名: 青柳岳司
  • 学会等名: 第67回関西CAE懇話会
  • 招待講演
• [学会発表] シミュレーションとインフォマティクスの融合による高分子材料開発の新展開 (2019)
  • 著者名/発表者名: 青柳岳司
  • 学会等名: 山口大学第４回ジョイントセミナー
  • 招待講演
• [学会発表] Theoretical Calculation and Machine Learning study for the Microphase-Separated Structure and Elastic Property of Block Copolymers (2019)
  • 著者名/発表者名: Takeshi Aoyagi
  • 学会等名: Physical Aspects of Polymer Science 2019
  • 国際学会
• [学会発表] 機械学習を用いたブロック共重合体におけるメソ構造の分類 (2019)
  • 著者名/発表者名: 山中 貞人、青柳 岳司
  • 学会等名: 日本物理学会第74年次大会
• [学会発表] Prediction of the Stable Morphology of Block Copolymer by using SCF Calculation and Deep Learning (2019)
  • 著者名/発表者名: T. Aoyagi, S. Yamanaka
  • 学会等名: APS March meeting 2019
  • 国際学会
• [学会発表] Classification and prediction of the mesophases of block copolymers (2019)
  • 著者名/発表者名: S. Yamanaka, T. Aoyagi
  • 学会等名: APS March meeting 2019
  • 国際学会
• [学会発表] Computational Study of the Morphology and Property of Block Copolymers (2019)
  • 著者名/発表者名: T. Aoyagi
  • 学会等名: International Symposium: Polymers Meet Topology
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Challenge to Soft Material Development by Computer Simulation and Informatics (2018)
  • 著者名/発表者名: T. Aoyagi
  • 学会等名: IPC2018
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 粗視化分子動力学によるジャイロイド相の弾性挙動解析 (2018)
  • 著者名/発表者名: 青柳 岳司、山中 貞人
  • 学会等名: 第 66回レオロジー討論会
• [学会発表] Study of the Stress-Strain response of Co-continuous Phase of ABA Block Copolymer (2018)
  • 著者名/発表者名: Takeshi Aoyagi
  • 学会等名: Bridging the Scales in Soft Matter Simulations
  • 国際学会 / 招待講演