帯電系のための新規分子動力学法の開発と有機熱電変換材料への応用

• 研究課題/領域番号: 16H06071
• 研究種目: 若手研究(A)
• 配分区分: 補助金
• 研究分野: 熱工学
• 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: 高橋 和義 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 材料・化学領域, 研究員 (60645208)
• 研究期間 (年度): 2016-04-01 – 2020-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2019年度)
• 配分額: 24,180千円 (直接経費: 18,600千円、間接経費: 5,580千円); 2019年度: 4,810千円 (直接経費: 3,700千円、間接経費: 1,110千円); 2018年度: 7,670千円 (直接経費: 5,900千円、間接経費: 1,770千円); 2017年度: 7,930千円 (直接経費: 6,100千円、間接経費: 1,830千円); 2016年度: 3,770千円 (直接経費: 2,900千円、間接経費: 870千円)
• キーワード: 高分子電解質 / 物理化学 / 計算科学 / 高分子物理学 / 分子動力学 / 計算化学 / 高分子物理 / 熱工学 / ナノマイクロ熱工学

研究成果の概要

革新材料への応用が期待される高分子電解質系（帯電系）の分子動力学（MD）計算は、電荷的中性が満たされる分子系での運用が前提条件となる既存手法では困難であった。そこで本研究では、帯電系に適用可能かつ高速・精密なMD法であるLinear-combinantion-based Isotropic Periodic Sum/Fast Fourier Transformation（LIPS/FFT）法を開発した。
一方で、高分子物性の時空間スケールを原子レベルMD計算のみで追跡することは困難であった。そこで本研究では、原子レベルMD法と粗視化MD法の相互接続手法を開発した。

研究成果の学術的意義や社会的意義

帯電系における高速・精密なMD法の完成はMD法全体の適用範囲の大幅な拡張を意味しており、その用途は高分子電解質に留まらない。電気二重層、対イオン凝縮、イオン拡散・伝導、電極・コロイド・生体膜界面など、数多くの魅力的な問題に対する多大な貢献が期待できる。またこれらへの貢献により、有機熱電変換素子、固体高分子形燃料電池、電気二重層コンデンサ、分子アクチュエータ、イオン交換膜など、様々な革新デバイスの創生・設計に役立つと期待できる。
原子レベルMD法と粗視化MD法の相互接続は、粗視化の弱点である定量性の喪失を合理的に補うことができるため、粗視化MD法の高精度化に対して多大な貢献が期待できる。

研究成果

• [雑誌論文] Performance of Coarse Graining in Estimating Polymer Properties: Comparison with the Atomistic Model (2020)
  • 著者名/発表者名: Miwatani Ryota、Takahashi Kazuaki Z.、Arai Noriyoshi
  • 雑誌名: Polymers 巻: 12 号: 2 ページ: 382-382
  • DOI: 10.3390/polym12020382
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Linear-combination-based Isotropic Periodic Sum 法開発後の展開 (2019)
  • 著者名/発表者名: 高橋和義
  • 雑誌名: 分子シミュレーション学会誌「アンサンブル」 巻: 21 ページ: 265-269
  • NAID: 130007933295
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] A fast and accurate computational method for the linear-combination-based isotropic periodic sum (2018)
  • 著者名/発表者名: Takahashi Kazuaki Z.、Nozawa Takuma、Yasuoka Kenji
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 8 号: 1 ページ: 11880-11880
  • DOI: 10.1038/s41598-018-30364-2
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Critical test of isotropic periodic sum techniques with group-based cut-off schemes (2018)
  • 著者名/発表者名: Takuma Nozawa, Kenji Yasuoka, Kazuaki Z. Takahashi
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 8 号: 1 ページ: 4185-4185
  • DOI: 10.1038/s41598-018-22514-3
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Onset of static and dynamic universality among molecular models of polymers (2017)
  • 著者名/発表者名: Takahashi Kazuaki Z.、Nishimura Ryuto、Yamato Nobuyoshi、Yasuoka Kenji、Masubuchi Yuichi
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 7 号: 1 ページ: 12379-12379
  • DOI: 10.1038/s41598-017-08501-0
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Critical test of bead?spring model to resolve the scaling laws of polymer melts: a molecular dynamics study (2017)
  • 著者名/発表者名: Takahashi Kazuaki Z.、Yamato Nobuyoshi、Yasuoka Kenji、Masubuchi Yuichi
  • 雑誌名: Molecular Simulation 巻: 43 号: 13-16 ページ: 1196-1201
  • DOI: 10.1080/08927022.2017.1334883
  • 査読あり
• [雑誌論文] 高分子ダイナミクスに発現する普遍性を応用した原子レベル分子動力学法と粗視化分子動力学法の相互接続 (2017)
  • 著者名/発表者名: 高橋和義
  • 雑誌名: 分子シミュレーション研究会会誌 “アンサンブル” 巻: 19 ページ: 274-278
  • NAID: 130007502509
• [雑誌論文] Molecular Dynamics Simulations for Resolving Scaling Laws of Polyethylene Melts (2017)
  • 著者名/発表者名: Kazuaki Z Takahashi, Ryuto Nishimura, Kenji Yasuoka, Yuichi Masubuchi
  • 雑誌名: Polymers 巻: 9 号: 1 ページ: 24-24
  • DOI: 10.3390/polym9010024
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Combined use of periodic reaction field and coarse-grained molecular dynamics simulations. I. phospholipid monolayer systems (2017)
  • 著者名/発表者名: Kazuaki Z Takahashi
  • 雑誌名: Molecular Simulation 巻: 印刷中 号: 13-16 ページ: 971-976
  • DOI: 10.1080/08927022.2016.1271948
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [学会発表] Connections of static and dynamic properties among molecular models of polymers: Mapping scheme focused on scaling laws (2019)
  • 著者名/発表者名: Takahashi Kazuaki Z.
  • 学会等名: CSW2019
  • 国際学会
• [学会発表] Heterogeneousなnet-charge系の分子動力学シミュレーション (2018)
  • 著者名/発表者名: 高橋和義
  • 学会等名: 第32回分子シミュレーション討論会
• [学会発表] COMPARISON AND LINKAGE OF STATIC AND DYNAMIC POLYMER PROPERTIES BETWEEN ATOMISTIC MODEL OF POLYMERS AND BEAD-SPRING MODEL (2017)
  • 著者名/発表者名: Kazuaki Takahashi, Ryuto Nishimura, Kenji Yasuoka, Yuichi Masubuchi
  • 学会等名: The Ninth JSME-KSME Thermal and Fluids Engineering Conference
  • 国際学会
• [学会発表] Combined Use of Linear-combination-based Isotropic Periodic Sum Method and Coarse-Grained Molecular Dynamics Simulations for Zwitterionic Lipid Systems (2016)
  • 著者名/発表者名: Kazuaki Z Takahashi
  • 学会等名: 4th International Conference on Molecular Simulation (ICMS 2016)
  • 発表場所: Crowne Plaza Shanghai, Shanghai, China
  • 年月日: 2016-10-24
  • 国際学会
• [学会発表] A linkage of static and dynamic polymer properties between atomistic and bead-spring model (2016)
  • 著者名/発表者名: Kazuaki Z Takahashi, Ryuto Nishimura, Kenji Yasuoka, Yuichi Masubuchi
  • 学会等名: 6th EuCheMS Chemistry Congress
  • 発表場所: Seville Conference Centre, Seville, Spain
  • 年月日: 2016-09-14
  • 国際学会