| 研究課題/領域番号 |
21K14705
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| 研究種目 |
若手研究
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| 配分区分 | 基金 |
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小区分36010:無機物質および無機材料化学関連
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| 研究機関 | 工学院大学 |
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研究代表者 |
宮川 雅矢 工学院大学, 先進工学部, 助教 (80758350)
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| 研究期間 (年度) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| 研究課題ステータス |
完了 (2023年度)
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| 配分額 *注記 |
4,550千円 (直接経費: 3,500千円、間接経費: 1,050千円)
2023年度: 1,170千円 (直接経費: 900千円、間接経費: 270千円)
2022年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円)
2021年度: 1,950千円 (直接経費: 1,500千円、間接経費: 450千円)
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| キーワード | 分子動力学法 / 層状粘土鉱物 / 有機粘土 / 吸着 / 低次元材料 / モンモリロナイト / サポナイト / 分子動力学シミュレーション / 有機修飾粘土 / インターカレーション / 発光 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
本申請研究では層状粘土鉱物の層間を有機修飾した複合体について，分子のインターカレーション時に示す柔らかな構造変化のシミュレーションを分子動力学法で開発し，ソフトマテリアルの計算法の基盤を構築する．>10 Åの広い層間が示す膨潤のシミュレーションは，実験では難しい2次元層間のダイナミクスの解明だけでなく，構造・機能のオンデマンド設計といった発展性を併せもつ．そこで本研究では環境汚染物質の吸着時に起きる膨潤をシミュレートし，層間分子の配向・分布を解明する．さらに，層間における特異な発光のメカニズムを解明し，ナノ構造から吸着特性・光物性を予測する手法を開拓する．
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| 研究成果の概要 |
分子動力学法とモンテカルロ法を組み合わせることで，含水有機粘土の分子モデリングに関する手法を開発した．含水率については，当初は熱重量分析から求められる値を参照していたが，層間に挿入される水分子のエネルギーを逐次的に熱力学的に解析することで，実験値に依存せずに決定できることを見い出した．
含水時の吸着サイトについては構造や拡散性を評価することで決定しており，カチオン種の大きさ（特にアルキル鎖の長さ）によって同じ吸着質でも吸着サイトが異なってくることがわかった．また，吸着選択性については，熱力学的積分法による溶媒和自由エネルギー解析を導入することで，実験結果を再現することができた．
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| 研究成果の学術的意義や社会的意義 |
本研究では実験はまったく行わずに計算化学（分子シミュレーション）によって研究を遂行した．これによって，実験では解明不可能なナノ構造や，層間における分子の物性などを詳細に明らかにすることができた．また，含水率と吸着選択性については，実験結果を再現する計算化学的手法を開発した．特に有機粘土の含水率については，XRDを用いた測定が数例報告されているのみで，任意の種類の有機粘土についてその値がデータベースのように整理されているわけではないため，シミュレーションの実行時に大きな障壁となっていた．本研究ではこれらの問題を解決しており，実験をしなくても物性を予測することが可能となった．
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