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2020 年度 実績報告書

高分子高次構造の階層的シミュレーション

計画研究

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 17H06464
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

青柳 岳司  国立研究開発法人産業技術総合研究所, 材料・化学領域, 総括研究主幹 (50786241)

研究期間 (年度) 2017-06-30 – 2022-03-31
キーワードブロックコポリマー / ミクロ相分離 / 深層学習 / マルチフラクタル / 粗視化シミュレーション / パーシステントホモロジー
研究実績の概要

高分子集合体は、その分子構造、組成、集合体形成のプロセスにより多階層な高次構造を取り、その構造が機能の発現を左右する。特に架橋高分子、ブロックコポリマーのミクロ相分離、過冷却状態における密度揺らぎなど、様々なネットワーク構造を形成する場合が多い。さらに機能性材料においてはマクロなネットワーク構造を制御して、その機能を向上させるというアプローチは産業的にも求められている。
本研究では、高分子材料がミクロ相分離などにより形成するネットワーク構造に着目し、①最適なネットワーク構造を設計する、②狙ったネットワーク構造を作る高分子構造、組成、プロセスを設計する、③設計した高分子構造、組成とプロセスを実証し、特性を評価した結果をネットワーク構造最適化にフィードバックすることを目的とする。
今年度は昨年度に引き続き、SCFTと粗視化分子動力学(CGMD)を組み合わせた階層的シミュレーションシミュレーションにより得られた応力-ひずみ挙動(S-Sカーブ)を、深層学習を用いて高分子鎖構造と高次構造であるミクロ相分離構造を用いて高速に予測する方法を検討した。検討の結果、ABジブロックからABA対称トリブロックに至る非対称トリブロックコポリマー構造を含めてS-Sカーブを精度予測できることを明らかにした。特に高分子鎖構造が同じ場合における高次構造によるS-Sカープの差異も再現できることを確認した。
また、ミクロ相分離構造が形成する様々なネットワーク構造を、マルチフラクタル解析、パーシステントホモロジーなど数理科学的・情報科学的解析によりSCFTで得られる自由エネルギーとの回帰を行い、従来行われてきた界面積、曲率に着目した解析に対して、より精度のより回帰を行えることを見いだした。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

高分子鎖構造とミクロ相分離構造を用いたブロックコポリマーのS-Sカーブ予測を事例にとり、深層学習による高分子高次構造を考慮した物性予測、高次構造-物性相関解析を進め、高次構造の影響も加味した、より精度の高い予測を行えることを可能にした。
また、深層学習による単なる帰納的な回帰に加えて、相分離構造そのものを数理科学的手法により解析し、自由エネルギー変化のメカニズムに対して演繹的なアプローチを行えたことは、所望の特性を与える構造を設計するという材料開発において、有力なツールとなることが期待される。
今年度も、コロナ禍で成果発信、研究交流等の制約を一部受けたが、オンライン交流の機会の増加により、より簡便に交流、議論を進められるというメリットも存在し、総じて研究は順調に進捗していると判断できる。

今後の研究の推進方策

新学術領域計画研究の最終年度を迎えるにあたり、これまで継続している高次構造-物性予測手法を幅広い高分子鎖構造に適用できることを実証する。さらに、得られた相関(学習セット)より、目的とするS-Sカープを与える高分子鎖構造および高次構造を提案する、いわゆる逆問題も広い範囲での構造を予測できるように引き続き取り組んでいく計画である。

  • 研究成果

    (12件)

すべて 2021 2020

すべて 雑誌論文 (7件) (うち査読あり 7件、 オープンアクセス 4件) 学会発表 (5件) (うち国際学会 2件、 招待講演 3件)

  • [雑誌論文] High-throughput prediction of stress-strain curves of thermoplastic elastomer model block copolymers by combining hierarchical simulation and deep learning2021

    • 著者名/発表者名
      Aoyagi Takeshi
    • 雑誌名

      MRS Advances

      巻: 6 ページ: 32~36

    • DOI

      10.1557/s43580-021-00008-1

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Evaluation of the Slip-Spring Dissipative Particle Dynamics Code for Practical Studies in Polymer Rheology2021

    • 著者名/発表者名
      Aoyagi Takeshi
    • 雑誌名

      Nihon Reoroji Gakkaishi

      巻: 49 ページ: 79-86

    • DOI

      10.1678/rheology.49.79

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Quantification of microphase separated structures from the viewpoint of multifractal2020

    • 著者名/発表者名
      Mariko Ito, Sadato Yamanaka, Takeshi Aoyagi and Takaaki Ohnishi
    • 雑誌名

      Proceedings of the 2020 International Symposium on Nonlinear Theory and its Applications (NOLTA2020)

      巻: 1 ページ: 480-483

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Topological data analysis for microdomain patterns of block copolymer2020

    • 著者名/発表者名
      Yoh-ichi Mototake, Sadato Yamanaka, Takeshi Aoyagi, Takaaki Ohnishi and Kenji Fukumizu
    • 雑誌名

      Proceedings of the 2020 International Symposium on Nonlinear Theory and its Applications (NOLTA2020)

      巻: 1 ページ: 517-520

    • 査読あり
  • [雑誌論文] 位相幾何的データ分析によるブロックコポリマー準安定構造の自由エネルギー推定2020

    • 著者名/発表者名
      本武 陽一、山中 貞人、青柳 岳司、大西 立顕、福水 健次
    • 雑誌名

      Journal of Computer Chemistry, Japan

      巻: 19 ページ: 169~171

    • DOI

      10.2477/jccj.2021-0009

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Largest Connected Component and Free Energy of Microphase Separated Structures.2020

    • 著者名/発表者名
      KAWAGUCHI Hironobu、ITO Mariko I.、YAMANAKA Sadato、AOYAGI Takeshi、OHNISHI Takaaki
    • 雑誌名

      Journal of Computer Chemistry, Japan

      巻: 19 ページ: 136~138

    • DOI

      10.2477/jccj.2021-0001

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] ソフトマテリアルのマルチスケール・マルチフィジックスシミュレーション2020

    • 著者名/発表者名
      青柳 岳司
    • 雑誌名

      トライボロジスト

      巻: 65 ページ: 653~658

    • DOI

      10.18914/tribologist.65.11_653

    • 査読あり
  • [学会発表] 粗視化シミュレーションと深層学習による熱可塑性エラストマー弾性特性の高速予測2021

    • 著者名/発表者名
      青柳岳司
    • 学会等名
      日本物理学会 第76回年次大会
    • 招待講演
  • [学会発表] High-Throughput Prediction of Stress-Strain Curve of Thermoplastic Elastomer Model Block Copolymers with Various Chain Structure by Combining Hierarchical Simulation and Deep Learning2021

    • 著者名/発表者名
      Takeshi Aoyagi
    • 学会等名
      APS March Meeting 2021
    • 国際学会
  • [学会発表] シミュレーションとAIによる高分子材料開発2020

    • 著者名/発表者名
      青柳岳司
    • 学会等名
      第69回高分子討論会
    • 招待講演
  • [学会発表] 粗視化シミュレーションと機械学習の連携による高分子材料の高次構造設計2020

    • 著者名/発表者名
      青柳岳司
    • 学会等名
      化学工学会第51回秋季大会
    • 招待講演
  • [学会発表] High-Throughput Prediction of Stress-Strain Curve of Thermoplastic Elastomer Model Block Copolymers by Combining Hierarchical Simulation and Deep Learning2020

    • 著者名/発表者名
      Takeshi Aoyagi
    • 学会等名
      2020 MRS Spring/Fall Meeting
    • 国際学会

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公開日: 2021-12-27  

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