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材料設計指針の構築を目指したセルロース結晶の表界面における分子論的描像の解明

研究課題

研究課題/領域番号 16J10411
研究種目

特別研究員奨励費

配分区分補助金
応募区分国内
研究分野 木質科学
研究機関宮崎大学 (2018)
鹿児島大学 (2016-2017)

研究代表者

宇都 卓也  宮崎大学, テニュアトラック推進機構, テニュアトラック助教 (60749084)

研究期間 (年度) 2016-04-22 – 2019-03-31
研究課題ステータス 完了 (2018年度)
配分額 *注記
4,420千円 (直接経費: 3,400千円、間接経費: 1,020千円)
2018年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円)
2017年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円)
2016年度: 1,560千円 (直接経費: 1,200千円、間接経費: 360千円)
キーワードセルロース / キチン / イオン液体 / 溶解 / 分子鎖シート / ナノチューブ / 分子動力学 / 密度汎関数理論 / 有機溶媒 / 分子動力学計算 / 溶解挙動 / 結晶モデル / ミクロフィブリル / 水素結合
研究実績の概要

最近、構造多糖を溶解するイオン液体に注目がされている。異なるイオン液体のセルロースやキチンに対する溶解性を関連づけるために、イオン液体中におけるセルロース・キチン溶解の分子動力学計算を実施した。その結果、イオン液体のカチオンとアニオンが協同的にセルロース・キチンの分子間水素結合を切断する溶解過程を観察した。特に、界面に存在する臭化物イオンがキチン溶解に寄与することが計算によって示唆されたため、微量の臭化物イオン存在下でもキチン溶解性が向上することを実験によって検証した。また、水素結合切断量と実際のセルロース・キチン溶解度が強く相関し、文献情報の無いイオン液体の溶解度を予測した。さらに、多糖材料の高次構造制御に関する体系的な理解を目的として、イオン液体中でのキサンタンガムのダイナミクス挙動や、臭化カルシウム二水和物/メタノール溶液中でのキチン溶解現象について計算化学的手段により解析した。
また、セルロースの結晶構造を3次元分解した分子鎖シートモデルに対して、密度汎関数理論計算を適用した。その結果、天然セルロース繊維について、長年議論されてきた変形特性の要因が、Iα型(110)/Iβ型(100)面の平面状分子鎖シートに由来することを明らかにした。天然型セルロース結晶のアミン処理によって得られるⅢ型結晶構造(100)面由来の孤立分子鎖シートモデルがナノチューブ形態に変化することを以前に観察した。本年度は、シクロヘキサンおよび酢酸エチル中でのセルロースナノチューブ(CelNT)モデルの立体構造安定性を評価した。実験的にセルロース分子鎖をチューブ状に自己組織化させ、CelNT構造を創製することは容易でないと推定されるが、提案したチューブ構築原理は、疎水性表面を持つセルロースの様々なナノ構造体設計へと展開しうるものと期待される。

現在までの達成度 (段落)

平成30年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

平成30年度が最終年度であるため、記入しない。

報告書

(3件)
  • 2018 実績報告書
  • 2017 実績報告書
  • 2016 実績報告書
  • 研究成果

    (30件)

すべて 2018 2017 2016

すべて 雑誌論文 (7件) (うち査読あり 6件、 オープンアクセス 1件) 学会発表 (23件) (うち国際学会 9件、 招待講演 3件)

  • [雑誌論文] 計算化学によって予測されたセルロースの高次構造2018

    • 著者名/発表者名
      宇都卓也, 湯井敏文
    • 雑誌名

      Journal of Fiber Science and Technology

      巻: 74 号: 8 ページ: 171-176

    • DOI

      10.2115/fiberst.2018-0024

    • NAID

      130007437364

    • ISSN
      2189-7654
    • 年月日
      2018-08-10
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Understanding Dissolution Process of Chitin Crystal in Ionic Liquids: Theoretical Study2018

    • 著者名/発表者名
      Takuya Uto, Satoshi Idenoue, Kazuya Yamamoto, Jun-ichi Kadokawa
    • 雑誌名

      Physical Chemistry Chemical Physics

      巻: 20 号: 31 ページ: 20669-20677

    • DOI

      10.1039/c8cp02749h

    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] DFT Optimization of Isolated Molecular Chain Sheet Models Constituting Native Cellulose Crystal Structures2018

    • 著者名/発表者名
      Takuya Uto, Toshifumi Yui
    • 雑誌名

      ACS Omega

      巻: 3 号: 7 ページ: 8050-8058

    • DOI

      10.1021/acsomega.8b00834

    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Cellulose Crystal Dissolution in Imidazolium-Based Ionic Liquids: A Theoretical Study2018

    • 著者名/発表者名
      Takuya Uto, Kazuya Yamamoto, Jun-ichi Kadokawa
    • 雑誌名

      The Journal of Physical Chemistry B

      巻: 122 号: 1 ページ: 258-266

    • DOI

      10.1021/acs.jpcb.7b09525

    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Molecular Dynamics Simulations of Theoretical Cellulose Nanotube Models2018

    • 著者名/発表者名
      Takuya Uto, Yuta Kodama, Tatsuhiko Miyata, Toshifumi Yui
    • 雑誌名

      Carbohydrate Polymers

      巻: 190 ページ: 331-338

    • DOI

      10.1016/j.carbpol.2018.03.004

    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Double Helix Formation from Non-natural Amylose Analog Polysaccharides2018

    • 著者名/発表者名
      Toshifumi Yui, Takuya Uto, Takuya Nakauchida, Kazuya Yamamoto,Jun-ichi Kadokawa
    • 雑誌名

      Carbohydrate Polymers

      巻: 189 ページ: 184-189

    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] 分子鎖シートの立体構造安定性に基づいたセルロース結晶多形の構造特性解析2018

    • 著者名/発表者名
      宇都卓也, 米倉努, 湯井敏文
    • 雑誌名

      Cellulose Communications

      巻: 25 ページ: 20-23

    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
  • [学会発表] Cellulose Dissolution in Ionic Liquids: A Theoretical Study2018

    • 著者名/発表者名
      T. Uto, K. Yamamoto, J. Kadokawa
    • 学会等名
      Fiber Society’s Spring 2018 Conference
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Dissolution Simulation of Chitin in Imidazolium-based Ionic Liquids2018

    • 著者名/発表者名
      T. Uto, K. Yamamoto, J. Kadokawa
    • 学会等名
      MACRO18 World Polymer Congress
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Understanding the Dissolution Processes of Chitin in Ionic Liquids: A Theoretical Study2018

    • 著者名/発表者名
      T. Uto, K. Yamamoto, J. Kadokawa
    • 学会等名
      256th ACS National Meeting & Exposition
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] イオン液体中におけるキチンの溶解シミュレーション2018

    • 著者名/発表者名
      宇都卓也, 山元和哉, 門川淳一
    • 学会等名
      第67回高分子学会年次大会
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
  • [学会発表] 多糖/イオン液体の計算化学研究2018

    • 著者名/発表者名
      宇都卓也
    • 学会等名
      高分子学会九州支部特別講演会
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] イオン液体中におけるセルロース・キチンの溶解シミュレーション2018

    • 著者名/発表者名
      宇都卓也
    • 学会等名
      第2回 繊維学会西部支部若手講演会
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] イオン液体中におけるセルロースおよびキチン溶解の分子シミュレーション研究2018

    • 著者名/発表者名
      宇都卓也, 山元和哉, 門川淳一
    • 学会等名
      日本化学会 第98春季年会
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
  • [学会発表] カチオン性とアニオン性のアミロースアナログアミノ多糖からの錯体形成2018

    • 著者名/発表者名
      宇都卓也, 湯井敏文, 山元和哉, 門川淳一
    • 学会等名
      日本化学会 第98春季年会
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
  • [学会発表] Molecular dynamics study of chitin crystal models in ionic liquids2017

    • 著者名/発表者名
      宇都卓也、山元和哉、門川淳一
    • 学会等名
      253rd American Chemical Society National Meeting & Exposition
    • 発表場所
      サンフランシスコ市(アメリカ合衆国)
    • 年月日
      2017-04-02
    • 関連する報告書
      2016 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] イオン液体中におけるセルロース結晶モデルの分子動力学計算2017

    • 著者名/発表者名
      宇都卓也、山元和哉、門川淳一
    • 学会等名
      日本化学会第97春季年会(2017)
    • 発表場所
      慶應義塾大学日吉キャンパス(神奈川県・横浜市)
    • 年月日
      2017-03-16
    • 関連する報告書
      2016 実績報告書
  • [学会発表] イオン液体中におけるキチン結晶の溶解挙動に関する理論的研究2017

    • 著者名/発表者名
      宇都卓也、吉田潤平、山元和哉、門川淳一
    • 学会等名
      日本化学会第97春季年会(2017)
    • 発表場所
      慶應義塾大学日吉キャンパス(神奈川県・横浜市)
    • 年月日
      2017-03-16
    • 関連する報告書
      2016 実績報告書
  • [学会発表] Molecular Dynamics Study of Chitin Crystal Models in Ionic Liquids2017

    • 著者名/発表者名
      Takuya Uto, Kazuya Yamamoto, Jun-ichi Kadokawa
    • 学会等名
      253rd American Chemical Society National Meeting & Exposition
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Crystal Deformation and Transformation of Cellulose Allomorphs Derived from Stability of Molecular Chain Sheets2017

    • 著者名/発表者名
      Takuya Uto, Toshifumi Yui
    • 学会等名
      253rd American Chemical Society National Meeting & Exposition
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] イオン液体によるセルロース結晶モデルの溶解シミュレーション2017

    • 著者名/発表者名
      宇都卓也, 山元和哉, 門川淳一
    • 学会等名
      第66回高分子学会年次大会
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
  • [学会発表] イオン液体中におけるキチン溶解挙動の計算化学研究2017

    • 著者名/発表者名
      宇都卓也, 山元和哉, 門川淳一
    • 学会等名
      第66回高分子学会年次大会
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
  • [学会発表] イオン液体によるセルロース結晶モデルの溶解シミュレーション2017

    • 著者名/発表者名
      宇都卓也, 山元和哉, 門川淳一
    • 学会等名
      セルロース学会第24回年次大会
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
  • [学会発表] イオン液体によるキチン溶解の分子シミュレーション研究2017

    • 著者名/発表者名
      宇都卓也, 山元和哉, 門川淳一
    • 学会等名
      第31回日本キチン・キトサン学会大会
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
  • [学会発表] イオン液体によるセルロース・キチンの溶解シミュレーション2017

    • 著者名/発表者名
      宇都卓也, 山元和哉, 門川淳一
    • 学会等名
      第66回高分子討論会
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
  • [学会発表] Dissolution Behaviors of Cellulose Crystal in Ionic Liquids ; A Theoretical Study2017

    • 著者名/発表者名
      Takuya Uto, Kazuya Yamamoto, Jun-ichi Kadokawa
    • 学会等名
      The 4th International Cellulose Conference ICC 2017
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] イオン液体中におけるセルロース溶解の分子シミュレーション研究2017

    • 著者名/発表者名
      宇都卓也, 山元和哉, 門川淳一
    • 学会等名
      平成29年度 繊維学会秋季研究発表会
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
  • [学会発表] Molecular dynamics study of cellulose and chitin crystals in ionic liquids2016

    • 著者名/発表者名
      宇都卓也、山元和哉、門川淳一
    • 学会等名
      The 11th SPSJ International Polymer Conference (IPC 2016)
    • 発表場所
      福岡国際会議場(福岡県・福岡市)
    • 年月日
      2016-12-13
    • 関連する報告書
      2016 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Molecular dynamics simulation of cellulose and chitin crystal models in ionic liquids2016

    • 著者名/発表者名
      宇都卓也、山元和哉、門川淳一
    • 学会等名
      7th Japan-Taiwan Bilateral Workshop on Nano-Science (JTBW 2016) & 2nd KU-NDSU Joint Symposium on Biotechnology, Nanomaterials and Polymers(KNJS2016)
    • 発表場所
      鹿児島大学(鹿児島県・鹿児島市)
    • 年月日
      2016-10-31
    • 関連する報告書
      2016 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] イオン液体中におけるセルロースおよびキチン結晶モデルの分子動力学シミュレーション2016

    • 著者名/発表者名
      宇都卓也、山元和哉、門川淳一
    • 学会等名
      第65回高分子討論会
    • 発表場所
      神奈川大学横浜キャンパス(神奈川県・横浜市)
    • 年月日
      2016-09-14
    • 関連する報告書
      2016 実績報告書

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公開日: 2016-05-17   更新日: 2024-03-26  

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