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ゴム中ナノ粒子のネットワーク構造の離散幾何解析と構造機能相関解明

公募研究

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 20H04649
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
研究機関防衛大学校(総合教育学群、人文社会科学群、応用科学群、電気情報学群及びシステム工学群)

研究代表者

萩田 克美  防衛大学校(総合教育学群、人文社会科学群、応用科学群、電気情報学群及びシステム工学群), 応用科学群, 講師 (80305961)

研究期間 (年度) 2020-10-30 – 2022-03-31
研究課題ステータス 完了 (2021年度)
配分額 *注記
22,360千円 (直接経費: 17,200千円、間接経費: 5,160千円)
2021年度: 11,440千円 (直接経費: 8,800千円、間接経費: 2,640千円)
2020年度: 10,920千円 (直接経費: 8,400千円、間接経費: 2,520千円)
キーワード高分子ゴム材料 / ナノ粒子充填材料 / 3次元ネットワーク / 分子シミュレーション / 幾何学的解析 / FIB-SEM計測 / データ科学解析 / 逆モンテカルロ解析 / 高分子複合材料 / 高分子材料物性 / 計算幾何学 / ゴム材料 / ソフトマター
研究開始時の研究の概要

ゴム中ナノ粒子に関わる3次元ネットワーク構造について、離散幾何の数学的手法を駆使し、構造-機能相関の解明をする学理を形成することが目的である。
FIB-SEM観察した実空間構造やX線散乱実験データを逆問題推定したナノ粒子3次元構造を定量的に比較する数学的技法を開発し、数学者と協働で離散幾何解析を発展させる。また、フィラー周りのバウンドラバーBR層を疑似した複体を用いたパーシステント・ホモロジーの開発や、配向や結晶化、弾性等の変化からBR層を検出するデータ解析手法の開発を行う。さらに、フィラーネットワークのトポロジーと応力ひずみ関係などの構造-機能の相関を、数値分析と理論定式化の両面で理解する。

研究実績の概要

本研究では、ゴム中ナノ粒子に関わる3次元ネットワーク構造について、離散幾何の数学的解析で、構造-機能相関の解明を目指している。ゴム中ナノ粒子やその周辺のバウンドラバー(BR)を含むネットワーク構造を解析するため、実空間ナノ構造の計測とその解析、小角散乱データの解析、MD計算を精力的に進めた。
カップリング剤などで局所凝集構造を改変した試料に対するFIB-SEM計測実験と、小角散乱データに対する逆モンテカルロ(RMC)法でのナノ粒子凝集構造推定を行った。これらのナノ粒子凝集体の3次元構造の特徴分析を行い、FIB-SEM観察像とRMC推定構造の間の類似性や差異を検討した。加えて、2次元小角散乱パターンからナノ粒子の3次元構造を推定するRMC解析について、実験データからの構造推定を行うとともに、効率的な解析処理のためにGPGPU活用も行い公開を前提としたコード整備を進めた。
BR等の挙動解明には、その相互作用の把握が重要である。相互作用と構造の相関をもとにディープラーニングで、電子顕微鏡観察等で得られる2次元断面像から相互作用値を推定する手法の有効性を、シミュレーションで作成した高分子相分離構造の事例で検討し、論文出版した。フィラー付近での配向や結晶化の挙動からのBR領域検出を目指し、ユナイテッドアトム模型や全原子模型のMD計算で結晶化に関する検討を行った。
BRの寄与によるフィラーネットワークや高分子網目のネットワーク解析手法について検討を進めた。ネットワーク構造と弾性発現の関連を粗視化MD計算で調べた論文を出版した。また、ループのペアで環状鎖を貫通する線状鎖の数分布を評価する手法活用として、環状鎖と線状鎖の混合系に関する論文を複数出版した。さらに、数個の環状鎖で構成されるカテナンに関して、トポロジーの違いがメルトのレオロジーに与える影響を粗視化MD計算で評価した論文を出版した。

現在までの達成度 (段落)

令和3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

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

報告書

(2件)
  • 2021 実績報告書
  • 2020 実績報告書
  • 研究成果

    (21件)

すべて 2022 2021 2020

すべて 雑誌論文 (11件) (うち国際共著 1件、 査読あり 11件、 オープンアクセス 5件) 学会発表 (10件)

  • [雑誌論文] Molecular dynamics studies of entropic elasticity of condensed lattice networks connected with uniform functionality <i>f</i> = 42022

    • 著者名/発表者名
      Hagita Katsumi、Murashima Takahiro
    • 雑誌名

      Soft Matter

      巻: 18 号: 4 ページ: 894-904

    • DOI

      10.1039/d1sm01641e

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Efficient compressed database of equilibrated configurations of ring-linear polymer blends for MD simulations2022

    • 著者名/発表者名
      Hagita Katsumi、Murashima Takahiro、Ogino Masao、Omiya Manabu、Ono Kenji、Deguchi Tetsuo、Jinnai Hiroshi、Kawakatsu Toshihiro
    • 雑誌名

      Scientific Data

      巻: 9 号: 1 ページ: 40-40

    • DOI

      10.1038/s41597-022-01138-3

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Role of chain crossing prohibition on chain penetration in ring-linear blends through dissipative particle dynamics simulations2022

    • 著者名/発表者名
      Hagita Katsumi、Murashima Takahiro、Shiba Hayato、Iwaoka Nobuyuki、Kawakatsu Toshihiro
    • 雑誌名

      Computational Materials Science

      巻: 203 ページ: 111104-111104

    • DOI

      10.1016/j.commatsci.2021.111104

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Demonstration of reinforcement in polymer composite with rings penetrating the diamond-lattice network2022

    • 著者名/発表者名
      Hagita Katsumi、Murashima Takahiro、Jinnai Hiroshi
    • 雑誌名

      Polymer

      巻: 243 ページ: 124637-124637

    • DOI

      10.1016/j.polymer.2022.124637

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Trapping probabilities of multiple rings in end-linked gels2022

    • 著者名/発表者名
      Hagita Katsumi、Murashima Takahiro、Ebe Minami、Isono Takuya、Satoh Toshifumi
    • 雑誌名

      Polymer

      巻: 245 ページ: 124683-124683

    • DOI

      10.1016/j.polymer.2022.124683

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Deep learning-based estimation of Flory-Huggins parameter of A-B block copolymers from cross-sectional images of phase-separated structures2021

    • 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

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Viscosity Overshoot in Biaxial Elongational Flow: Coarse-Grained Molecular Dynamics Simulation of Ring?Linear Polymer Mixtures2021

    • 著者名/発表者名
      Murashima Takahiro、Hagita Katsumi、Kawakatsu Toshihiro
    • 雑誌名

      Macromolecules

      巻: 54 号: 15 ページ: 7210-7225

    • DOI

      10.1021/acs.macromol.1c00267

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Molecular Dynamics Simulations of Ring Shapes on a Ring Fraction in Ring?Linear Polymer Blends2021

    • 著者名/発表者名
      Hagita Katsumi、Murashima Takahiro
    • 雑誌名

      Macromolecules

      巻: 54 号: 17 ページ: 8043-8051

    • DOI

      10.1021/acs.macromol.1c00656

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Mathematical Classification and Rheological Properties of Ring Catenane Structures2021

    • 著者名/発表者名
      Hagita Katsumi、Murashima Takahiro、Sakata Naoki
    • 雑誌名

      Macromolecules

      巻: 55 号: 1 ページ: 166-177

    • DOI

      10.1021/acs.macromol.1c01705

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Effect of chain-penetration on ring shape for mixtures of rings and linear polymers2021

    • 著者名/発表者名
      Hagita Katsumi、Murashima Takahiro
    • 雑誌名

      Polymer

      巻: 218 ページ: 123493-123493

    • DOI

      10.1016/j.polymer.2021.123493

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Multi-Ring Configurations and Penetration of Linear Chains into Rings on Bonded Ring Systems and Polycatenanes in Linear Chain Matrices2021

    • 著者名/発表者名
      Hagita Katsumi、Murashima Takahiro
    • 雑誌名

      Polymer

      巻: 223 ページ: 123705-123705

    • DOI

      10.1016/j.polymer.2021.123705

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 査読あり
  • [学会発表] 規則的格子ネットワークの高分子系における線形エントロピー弾性の検討2022

    • 著者名/発表者名
      萩田克美,村島隆浩
    • 学会等名
      日本物理学会 第77回年次大会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] ディープラーニングによる高分子相分離構造の断面画像からの相互作用パラメータ推定2021

    • 著者名/発表者名
      萩田克美
    • 学会等名
      日本ゴム協会 2021年年次大会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] ブロックコポリマー相分離断面像からのχパラメータのディープラーニング推定の検討2021

    • 著者名/発表者名
      萩田克美,青柳岳司,本田隆
    • 学会等名
      高分子学会 高分子討論会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] 環状鎖と線状鎖が混合した系の線状鎖の環状鎖への貫通挙動2021

    • 著者名/発表者名
      萩田克美,村島隆浩
    • 学会等名
      日本物理学会 2021年秋季大会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] 環状/線状混合系のブロックコポリマー相分離構造に対する複合的分子シミュレーション解析22021

    • 著者名/発表者名
      萩田克美,本田隆,村島隆浩,川勝年洋
    • 学会等名
      日本物理学会 2021年秋季大会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] 規則的格子状の高分子ネットワークにおけるゴム弾性の線形領域の検討2021

    • 著者名/発表者名
      萩田克美,村島隆浩
    • 学会等名
      日本ゴム協会 第32回エラストマー討論会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] 数学-材料連携としてMolCollabo-VRを活用してみた試行的事例の紹介2021

    • 著者名/発表者名
      萩田克美, 棚橋航, 勅使河原良平
    • 学会等名
      先進的可視化開発環境を用いた可視化表現法の研究会(VR2021)
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] 環状/線状混合系のブロックコポリマー相分離構造に対する複合的分子シミュレーション解析2020

    • 著者名/発表者名
      萩田克美、本田隆、村島隆浩、川勝年洋
    • 学会等名
      日本物理学会 2020年秋季大会
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [学会発表] 高分子系のシミュレーション画像に対する深層学習判別性能の検討2020

    • 著者名/発表者名
      萩田克美
    • 学会等名
      高分子学会 高分子討論会
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [学会発表] MolCollaboのSDKを活用したCOVID-19関連VR可視化教材の作成2020

    • 著者名/発表者名
      萩田克美, 棚橋航, 勅使河原良平
    • 学会等名
      JSST Workshop&2020年度核融合科学研究所一般共同研究(研究会)
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書

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公開日: 2020-11-04   更新日: 2022-12-28  

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