2022 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 九州大学, 情報基盤研究開発センター, 准教授 (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 IR スペクトルのデータを説明し得ることを示した．この結果をさらに A03-2 生体適合性材料に応用した．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水和状態の解析を論文発表し，さらに生体高分子系に応用し論文化した．樋口は，両親媒性のリン脂質分子が形成する二重膜と水の動態を解明するために，A02-1と連携して分子の運動性解析を行い，分子スケールにおける運動モードを明らかにした．渡辺は，水中で生体分子吸着性を示す機能性材料において水分子の動態と吸着挙動について，A01芹澤，A03-2田中賢と連携して，アルキル化セルロース集合体において見られる特異的なタンパク質吸着ダイナミクスの解明に取り組んだ．
「つくる（水環境合成）」に関して，鷲津は，ホスト-ゲスト系に関する応用を進め，A03-3高島らと包接プロセスの分子シミュレーションモデルを提示した．さらに，流体ー分子についてマルチフィジックスシミュレータを水圏モデルに拡張した．これらの知見から，水圏機能材料の制御・設計指針を示した．
「はたらく(融合機能発現）」樋口は低分子周囲の水の動態を解明するために，A02-1と連携して水の運動性と，低分子と水分子が形成する構造の相関を解析し，水素結合ネットワークを乱す原因を明らかにした．また，A01-2の高分子に対して，密度汎関数法に関する理論的考察により，合成プロセスに関する知見を得た．渡辺は，A03 相良のロタキサン型超分子メカノフォアにおいて，分子シミュレーションを用いて環状分子と軸分子が包接状態から解離するまでに必要な自由エネルギーを求めることで，「可逆的に蛍光と消光を繰り返す」あるいは「不可逆的で永続的に蛍光特性を示す」ための分子設計指針を計算科学主導で提案できる可能性を示した．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole 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，さらにIRスペクトルの解析に成功した．また，イオン液晶に関する論文，水溶性高分子の水和構造に関して別途論文3本を出版しており，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，A03-3 高島らの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 NPG Asia Mater. 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．
また，特異な液晶系に関して，解析の論文を A02 金らと，新規化合物について A01-1 加藤らと論文出版しており，着実に成果を論文化している．
界面の分子シミュレーション技術の確立を目指し，鷲津は粗視化粒子シミュレーション手法を進展させ，高分子水溶液における新規ブラウン運動-流体カップリングのシミュレータを作成した．
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| Strategy for Future Research Activity |
様々な水圏材料について，さらに量子化学計算（A02-2鳥居）との連成解析を，IR 測定（A02-1池本）との比較する．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．具体的には，A01 原，A03 杉原，A03 都留，A03 藤田らとの解析を進めている．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さらに展開する．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．選択的なアニオン認識能を有するアミドシクロデキストリンにおいて，包接体内部の水分子のネットワーク構造あるいは拡散挙動を調べる．水圏で機能する超分子メカノフォアについて，構成分子の包接ー解離挙動と水分子の動態の相関について明らかにする．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．「はたらく(融合機能発現）」これまで得られた水の運動性と水の状態に関する知見を基に，A03-2田中賢と連携して生体親和性高分子の設計を実現する．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い，水中での水圏機能材料の自己組織化プロセスや分子集合構造を明らかにする．
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[Presentation] 可動性デュアルクロスネットワーク材料の作製と高ヤング率ポリマーとの複合化2022
Author(s)
河合優作, 朴峻秀, 石井良樹, 村山駿介, 以倉崚平, 大崎基史, 池本夕佳, 山口浩靖, 原田明,?鷲津仁志, 松葉豪, 高島義徳
Organizer
第 71 回高分子討論会, 北海道大学
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