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レプリカ交換モンテカルロ法による閉じ込め系における液晶分子の相挙動に関する研究

研究課題

研究課題/領域番号 22KJ2724
補助金の研究課題番号 22J22673 (2022)
研究種目

特別研究員奨励費

配分区分基金 (2023)
補助金 (2022)
応募区分国内
審査区分 小区分19020:熱工学関連
研究機関慶應義塾大学

研究代表者

小和口 昌愛  慶應義塾大学, 理工学研究科(矢上), 特別研究員(DC1)

研究期間 (年度) 2023-03-08 – 2025-03-31
研究課題ステータス 交付 (2023年度)
配分額 *注記
2,500千円 (直接経費: 2,500千円)
2024年度: 800千円 (直接経費: 800千円)
2023年度: 800千円 (直接経費: 800千円)
2022年度: 900千円 (直接経費: 900千円)
キーワードモンテカルロ法 / 交換モンテカルロ法 / 分子シミュレーション / 液晶分子 / 進化戦略アルゴリズム / ヒステリシス / 統計力学 / レプリカ交換 / 液晶 / 準結晶 / レプリカ交換法 / 進化戦略 / 閉じ込め系 / 最適化
研究開始時の研究の概要

固体物理学では原子が無秩序に配列しているアモルファスか周期的に配列している結晶に関する研究が主に盛んに行われてきたため,最先端の材料技術やナノテクノロジーは既知の結晶構造を元に発展している.一方で,その両方の性質を持つ液晶分子やいずれの構造でもない準結晶に関しては基礎的な知見が不明瞭である.そこで,本研究では効率的な分子シミュレーション手法を開発し,これらの相挙動をより精確に予測することを目指す.さらに,系にナノスケールの空間的な制約を加えることによる相挙動の変化を解明し,物質科学の基礎をはじめとした多岐に渡る分野に基礎的知見を与えることを志向する.

研究実績の概要

2023年度の研究実施状況として,従来のレプリカ交換法と呼ばれる分子シミュレーション技法の一つとして知られる拡張アンサンブル法をさらに最適化するために,自然界の進化原理を適用した進化戦略アルゴリズムを導入した.シミュレーションの途中で分子の形状を変化させるハミルトニアンレプリカ交換の配置最適化を行うことで,液晶分子のヒステリシス問題を解決し,手法の改良に貢献することに成功した.この成果は学術論文として公表され,本手法が分子シミュレーション分野において新たな理解と技術の進歩を促すことが期待される.分子シミュレーションとは,コンピュータを使用して分子の挙動を模倣する手法であり,粗視化モデルとは大まかな分子構造の特徴を抽出したモデルを指す.これにより,計算コストを削減しつつ,分子間相互作用といったパラメータ依存性を理解することが可能となる.しかし,粗視化モデルを使用してもシミュレーションではヒステリシス現象が見られる.ヒステリシス現象とは,過去の履歴に依存する結果として,本来の挙動と異なる挙動を示す現象を意味する.系が充分に平衡状態に達していれば一つの確率密度を得ることができる一方で,シミュレーションでのヒステリシス現象は,使用したモデルやアルゴリズムの不完全性もしくは計算資源の限界に由来するとされている.本研究の学術的な価値として,ヒステリシス問題の解決により,液晶分子の熱力学的性質や相転移現象のメカニズムをより正確に理解できるようになったことと,計算の効率化に成功したことが挙げられる.この手法は,液晶分子だけでなく,複雑な物質のナノスケールでの挙動を予測するときにも役立つと考える.

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

液晶分子のヒステリシス現象をなくすために,分子の秩序性を促す閉じ込め系を手段として設けることが当初の目的であったが,本研究では相転移がより困難とされるバルク系での計算手法を工夫することでヒステリシス問題を克服することができた.これは,当初の計画していたこと以上の結果であるため,次年度は閉じ込め系を使用せずにバルク系における相転移現象の更なる考察や検討に関する研究を行うことをできると考える.また,進化戦略アルゴリズム以外に探索アルゴリズムをレプリカ交換法に組み合わせた手法を実装しているので,大幅に進展していると言える.

今後の研究の推進方策

本年度開発した手法では,レプリカ交換法で使われるレプリカ数を固定するという制約条件の元成り立ったので,最終年度である次年度は,レプリカ数を調節できるアルゴリズムの開発を遂行する.ここではゲームに広く使われる経路探索アルゴリズムを組み込み,コンピューターサイエンスと統計力学の知見を融合させることでより効率的な手法を開発することに注力する.

報告書

(2件)
  • 2023 実施状況報告書
  • 2022 実績報告書
  • 研究成果

    (11件)

すべて 2024 2023 2022 その他

すべて 国際共同研究 (1件) 雑誌論文 (4件) (うち査読あり 3件、 オープンアクセス 2件) 学会発表 (6件) (うち国際学会 3件)

  • [国際共同研究] Department of Chemistry/University of Oxford/United Kingdom(英国)

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [雑誌論文] Hysteresis Elimination for an Anisotropic Liquid-Crystal Model via Molecule Design and Replica-Exchange Optimization2024

    • 著者名/発表者名
      Kowaguchi Akie、Brumby Paul E.、Yasuoka Kenji
    • 雑誌名

      Journal of Chemical Information and Modeling

      巻: - 号: 12 ページ: 4673-4686

    • DOI

      10.1021/acs.jcim.4c00078

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Pre-Smectic Ordering and the Unwinding Helix in Monte Carlo Simulations of Cholesteric Liquid-Crystals2023

    • 著者名/発表者名
      Brumby Paul E.、Kowaguchi Akie、Nozawa Takuma、Yasuoka Kenji、Wensink Henricus H.
    • 雑誌名

      The Journal of Physical Chemistry B

      巻: 127 号: 32 ページ: 7194-7204

    • DOI

      10.1021/acs.jpcb.3c02018

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] 機械学習を用いた効率的なレプリカ交換モンテカルロ法によるLennard-Jones 粒子の相挙動2022

    • 著者名/発表者名
      小和口 昌愛
    • 雑誌名

      アンサンブル

      巻: 24 号: 1 ページ: 70-70

    • DOI

      10.11436/mssj.24.70

    • ISSN
      1884-5088, 1884-6750
    • 年月日
      2022-01-31
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • オープンアクセス
  • [雑誌論文] Optimal Replica-Exchange Molecular Simulations in Combination with Evolution Strategies2022

    • 著者名/発表者名
      Kowaguchi Akie、Endo Katsuhiro、Brumby Paul E.、Nomura Kentaro、Yasuoka Kenji
    • 雑誌名

      Journal of Chemical Information and Modeling

      巻: 62 号: 24 ページ: 6544-6552

    • DOI

      10.1021/acs.jcim.2c00608

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [学会発表] 富岳による大規模計算と手法改善の掛け合わせによる効率的な分子シミュレーション:液晶分子の固液相転移におけるヒステリシス排除と最適パス探索2024

    • 著者名/発表者名
      小和口昌愛, Paul Brumby,泰岡顕治
    • 学会等名
      第3回「富岳」成果創出加速プログラムシンポジウム・研究交流会「富岳百景」
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] Optimized Molecular Simulations of Liquid-Crystal Models.2023

    • 著者名/発表者名
      Akie Kowaguchi, Paul E. Brumby, and Kenji Yasuoka
    • 学会等名
      2023 Liquid Crystals Gordon Research Conference
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 3-dimensional patchy-particle axial quasicrystals.2023

    • 著者名/発表者名
      Jonathan Doye, Daniel Tracey, Akie Kowaguchi, Savan Mehta, and Eva Noya
    • 学会等名
      The 15th International Conference on Quasicrystals
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Analysis of dynamic properties of claudin-5 by MD simulation.2023

    • 著者名/発表者名
      Ryota Ishioka, Yoshinori Hirano, Akie Kowaguchi, Noriyoshi Arai and Kenji Yasuoka
    • 学会等名
      The 6th International Conference on Molecular Simulation
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 分子シミュレーションを用いたclaudin-5タンパク質の構造的性質の解析2023

    • 著者名/発表者名
      石岡遼大,平野秀典,小和口昌愛,荒井規允,浅井誠,泰岡顕治
    • 学会等名
      第37回分子シミュレーション討論会
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] 進化戦略を用いたレプリカ交換分子シミュレーションの最適化2022

    • 著者名/発表者名
      小和口昌愛,遠藤克浩,Paul Brumby,泰岡顕治
    • 学会等名
      富岳」成果創出加速プログラムシンポジウム・研究交流会「富岳百景」
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書

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公開日: 2022-04-28   更新日: 2024-12-25  

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