2021 Fiscal Year Annual Research Report
Design of Aquatic Functional Materials Based on Computational Science
| Project Area | Aquatic Functional Materials: Creation of New Materials Science for Environment-Friendly and Active Functions |
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| Project/Area Number |
19H05718
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| Research Institution | University of Hyogo |
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Principal Investigator |
鷲津 仁志 兵庫県立大学, 情報科学研究科, 教授 (00394883)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
渡辺 豪 北里大学, 理学部, 准教授 (80547076)
樋口 祐次 東京大学, 物性研究所, 助教 (30613260)
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| Project Period (FY) |
2019-06-28 – 2024-03-31
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| Keywords | 水圏機能材料 / 高分子 / 液晶 / 水和 / マルチスケールシミュレーション / 分子シミュレーション / 電子状態計算 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
「つなぐ（界面接続）」に関して，鷲津・渡辺はA01-1加藤のイオン機能液晶の新規量子・分子連成法によるシミュレーションを実施し，自己組織化構造と水の状態について熱力学的に区分できることを示し，共同研究として論文化した．また，A02-1原田らの固体表面に担持された水溶性高分子について雰囲気水分量の変化による水和状態を明らかにした．樋口は，両親媒性のリン脂質分子が形成する二重膜上の水の動態を解明するために、A02-1と連携して水の回転拡散挙動を解析し，負の水和状態を明らかにした．また，水中におけるA01公募の両親媒性ペプチドの自己組織化プロセスを明らかにするために粗視化シミュレーションを行い，温度応答性を再現した．渡辺はA01-1加藤が設計した、生体分子認識能を持つ液晶分子で構成された水面上単分子膜について更なる知見を得た．
「つくる（水環境合成）」に関して，渡辺はA03-3 高島の提案する高分子接着系について，密度汎関数法を用いて，側鎖の電荷と接着強度に関する知見を得た．樋口はA03-3 高島のホスト-ゲストゲルに対して，密度汎関数法とイオン溶液に関する理論的考察により，イオン濃度と接着強度に関する知見を得た．鷲津は，高強度ゲルについての解析を実施し，機械特性を明らかにした．これらの知見から，材料の制御・設計指針を示した．
界面の分子シミュレーション技術の確立を目指し，鷲津はMIを利用した新規高分子構造表現法を確立し進展させた．さらに，鷲津は粗視化粒子シミュレーション手法を進展させ，樋口はソフトマター材料の大規模粗視化シミュレーション技術を発展させた．これら分子シミュレーション技術を用いて，水圏で「はたらく(融合機能発現）」材料の研究にも取り組んでいる．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
「つなぐ（界面接続）」に関して，鷲津・渡辺はA01-1加藤のイオン機能液晶の新規量子・分子連成法によるシミュレーションを実施し，分子計算手法としても凝縮系の電荷決定法という新規シミュレーション手法を用いて自己組織構造及びその中の水の状態について解析するという新規知見を得て，Sci. Adv. の表紙に選ばれプレスリリースを出した．解析手法および結果のバランスが取れていると考える．
「つくる（水環境合成）」に関して，渡辺はA03-3 高島の提案する高分子接着系について，樋口はA03-3 高島のホスト-ゲストゲルに対して，鷲津は高強度ゲル材料についてぞれぞれ実験をサポートする分子シミュレーション技術を提供することにより，高 IF 雑誌に掲載されている．
水圏で「はたらく(融合機能発現）」材料の研究についても，マルチスケール手法および MI 手法を開発しており，研究の遅れているソフトマター分野において特筆すべき研究チームとしての一連の成果を挙げている．
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| Strategy for Future Research Activity |
様々な水圏材料について，量子化学計算（A02-2鳥居）との連成解析を，IR 測定（A02-1池本）との比較する．直接的にはA03-2田中と連携した生体適合性材料の高機能化に持ちいることが可能であり，さらにイオン性分子としては，既に実施しているA01-1加藤のイオン液晶膜などにも適用する．今後さらに，計画班および第二期の公募班の実験および理論研究と連携することにより，水の学理を追求する．
水中に置かれた無機基板上の生体親和性ポリマーブラシについてMDシミュレーションを実行し，水界面における水分子のミクロスコピックな挙動の解析に取り組む（A03-2田中賢と連携）．また，タンパク質の吸着性が異なるポリマーについても同様のシミュレーションを行い，生体親和性と水の動態に関する新たな知見の獲得を目指す．
また，A03-3高島が設計する水圏で機能するメカノ材料について，分子レベルでのホスト－ゲスト相互作用を定量的に評価するシミュレーション手法を提案する．そして包接錯体の形成状態と力学特性の相関関係を調べる．このように，水中で特異的な分子認識能を示す有機材料の機能発現メカニズムを理解することで，水圏機能材料の学理構築に寄与する．
結晶性高分子への水分子の吸着・吸水プロセスをA03-3，A02-1と連携して明らかにする．異なる表面を用いたプロセスを検討しており，吸水量に差が出ることを見出している．親水性が小さい高分子の吸水挙動や，吸水後の構造変化，機械的特性の解明にも踏み込むことで，水と材料の相互作用を理解した材料設計構築学の確立を進める．
以上に加えて，マルチスケールシミュレーション手法の開発およびマテリアルズ・インフォマティクスの拡張を行う．
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