Clarification of the mechanisms of organic nanotubes and nanovesicles by large-scale molecular simulation

2018 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 15K05244
• Research Institution: Kyoto Institute of Technology
• Principal Investigator: 藤原 進 京都工芸繊維大学, 材料化学系, 教授 (30280598)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 水口 朋子 京都工芸繊維大学, 材料化学系, 助教 (90758963)
• Project Period (FY): 2015-04-01 – 2019-03-31
• Keywords: 双頭型両親媒性分子 / 自己会合 / ナノベシクル / ナノチューブ / 分子シミュレーション / 散逸粒子動力学法 / 粗視化分子動力学法

Outline of Annual Research Achievements

両親媒性分子は、溶媒中においてミセルやベシクルなどの様々な自己会合構造を自発的に形成する。昨年度までは、非対称双頭型両親媒性分子の自己会合過程を散逸粒子動力学（DPD）シミュレーション及び分子動力学（MD）シミュレーションにより調べた。本年度は、対称双頭型両親媒性分子を用いたDPDシミュレーションを実行し、自己会合過程の解析を行った。対称双頭型両親媒性分子の分子モデルとして粗視化モデルを採用し、両側の親水基は１つの親水性粒子（A）からなり、真ん中の疎水基は３つの疎水性粒子（B）からなる屈曲性分子であるとした。また、溶媒粒子は１つの親水性粒子（S）でモデル化した。粒子間の非結合相互作用は、最大反発力の値a_ij (i, j = A, B or S)により記述されるが、本シミュレーションでは特に、A同士の最大反発力の値aAAに着目した。まず、対称双頭型両親媒性分子1000個と溶媒粒子40000個をランダムに配置し、a_AAの様々な値に対してDPDシミュレーションを1,000,000ステップ実行し、自己会合構造の形成過程を解析した。その結果、４種類の自己会合構造（内部構造を有する球状ミセル、チューブ、ベシクル、ひも状ミセル）が得られたが、親水基間の反発相互作用パラメータa_AAが大きくなるにつれて、凝集体の形態が球状ミセルからチューブへ、さらにベシクルへ、最終的にひも状ミセルへと変化することが明らかになった。また、自己会合体中における分子形状（棒状またはU字状）を解析した結果、ベシクルにおける棒状分子の割合は、他の自己会合構造（球状ミセル、チューブ、ひも状ミセル）に比べて多いことが分かった。これは、４種類の自己会合構造の中でベシクルの曲率が最も小さいためであると考えられる。

Research Products

• [Journal Article] An Accelerated United-Atom Molecular Dynamics Simulation on the Fast Crystallization of Ring Polyethylene Melts (2019)
  • Author(s): K. Hagita, S. Fujiwara and N. Iwaoka
  • Journal Title: The Journal of Chemical Physics Volume: 150 Pages: 074901
  • DOI: https://doi.org/10.1063/1.5080332
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Computational strategy for studying structural change of tritium-substituted macromolecules by a beta decay to helium-3 (2019)
  • Author(s): S. Fujiwara, H. Nakamura, H. Li, H. Miyanishi, T. Mizuguchi, T. Yasunaga, T. Otsuka, Y. Hatano and S. Saito
  • Journal Title: Journal of Advanced Simulation in Science and Engineering Volume: 6 Pages: 94-99
  • DOI: https://doi.org/10.15748/jasse.6.94
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Free-Energy Analysis of Peptide Binding in Lipid Membrane Using All-Atom Molecular Dynamics Simulation Combined with Theory of Solutions (2018)
  • Author(s): T. Mizuguchi and N. Matubayasi
  • Journal Title: The Journal of Physical Chemistry B Volume: 122 Pages: 3219-3229
  • DOI: https://doi.org/10.1021/acs.jpcb.7b08241
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Dissipative Particle Dynamics Simulation for Self-Assembly of Symmetric Bolaamphiphilic Molecules in Solution (2018)
  • Author(s): S. Fujiwara, Y. Iida, T. Tsutsui, T. Mizuguchi, M. Hashimoto, Y. Tamura and H. Nakamura
  • Journal Title: Plasma and Fusion Research Volume: 13 Pages: 3401095
  • DOI: https://doi.org/10.1585/pfr.13.3401095
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Structure formation of a quenched single polyethylene chain with different force fields in united atom molecular dynamics simulations (2018)
  • Author(s): K. Hagita, S. Fujiwara and N. Iwaoka
  • Journal Title: AIP Advances Volume: 8 Pages: 115108
  • DOI: https://doi.org/10.1063/1.5063438
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] 拘束系のシクロヘキサンの液液転移 (2018)
  • Author(s): 水口 朋子, 辰巳 創一, 野田泰斗, 小國正晴, 藤原 進
  • Organizer: 東京大学物性研究所短期研究会 ガラス転移と関連分野の最先端研究
• [Presentation] 対称双頭型両親媒性溶液中における自己会合の散逸粒子動力学シミュレーション (2018)
  • Author(s): 藤原 進, 飯田祥希, 筒井岳英, 水口 朋子, 橋本 雅人
  • Organizer: 第67回高分子学会年次大会
• [Presentation] 溶液中における対称双頭型両親媒性分子の自己会合：散逸粒子動力学シミュレーション (2018)
  • Author(s): 藤原 進, 水口 朋子, 橋本 雅人
  • Organizer: 日本応用数理学会2018年度年会
• [Presentation] トリチウムのヘリウム3への壊変によるDNA構造変化のMDシミュレーション (2018)
  • Author(s): 中村 浩章, 宮西 寿典, 藤原 進, 水口 朋子, 安永 卓生, 中田 彩子, 宮崎 剛, 大塚 教雄, 剣持 貴弘, 波多野 雄治, 斉藤 真司
  • Organizer: 日本物理学会2018年秋季大会
• [Presentation] 拘束系のシクロヘキサンの液液転移に伴うダイナミクスの変化 III (2018)
  • Author(s): 辰巳 創一, 水口 朋子, 須藤 亜紀乃, 野田 泰斗, Zach Evenson, 藤原 進
  • Organizer: 日本物理学会2018年秋季大会
• [Presentation] ポリエチレン環状鎖の結晶化の分析II (2018)
  • Author(s): 藤原 進, 岩岡 伸之, 萩田 克美
  • Organizer: 日本物理学会2018年秋季大会
• [Presentation] ヘリウム３への壊変による高分子材料およびDNAの構造変化 (2018)
  • Author(s): 藤原 進, 中村 浩章, 宮西 寿典, 水口 朋子, 安永 卓生, 中田 彩子, 宮崎 剛, 大塚 教雄, 剣持 貴弘, 波多野 雄治, 斉藤 真司
  • Organizer: プラズマシミュレータシンポジウム2018
• [Presentation] トリチウムのヘリウム３への壊変によるポリエチレンの構造変 化に関する分子動力学シミュレーション (2018)
  • Author(s): Li Haolun, 藤原 進, 水口 朋子, 橋本 雅人, 中村 浩章, 安永 卓生, 中田 彩子, 宮崎 剛, 大塚 教雄, 剣持 貴弘, 波多野 雄治, 斉藤 真司
  • Organizer: 第67回高分子討論会
• [Presentation] 帯電デンドリマー/線状高分子電解質複合体化に及ぼす線状高分子電解質の 剛直性の効果 (2018)
  • Author(s): 石田 充, 藤原 進, 水口 朋子, 橋本 雅人
  • Organizer: 第67回高分子討論会
• [Presentation] 帯電デンドリマーと線状高分子電解質の複合体化：デンドリマー世代数の効果 (2018)
  • Author(s): 小原 光徳, 藤原 進, 水口 朋子, 橋本 雅人
  • Organizer: 第67回高分子討論会
• [Presentation] Study of the dynamics of confined water in silica nanopore using the reactive force field (2018)
  • Author(s): Tomoko Mizuguchi, Katsumi Hagita and Susumu Fujiwara
  • Organizer: The 37th JSST Annual International Conference on Simulation Technology (JSST2018)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Computational strategy for studying structural change of tritium-substituted macromolecules by a beta decay to helium-3 (2018)
  • Author(s): Susumu Fujiwara, Hiroaki Nakamura, Haolun Li, Hisanori Miyanishi, Tomoko Mizuguchi, Takuo Yasunaga and Yuji Hatano
  • Organizer: The 37th JSST Annual International Conference on Simulation Technology (JSST2018)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Structural change of tritium-substituted polymeric materials by a beta decay: A molecular dynamics study (2018)
  • Author(s): Haolun Li, Susumu Fujiwara, Hiroaki Nakamura, Tomoko Mizuguchi, Takuo Yasunaga, Ayako Nakata, Tsuyoshi Miyazaki, Takao Otsuka, Takahiro Kenmotsu, Yuji Hatano and Shinji Saito
  • Organizer: The 27th International Toki Conference on Plasma and Fusion Research & The 13th Asia Pacific Plasma Theory Conference (ITC27 & APPTC2018)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Volume rendering method applied to 3D edge impurity emission in LHD to produce projection image in arbitrary plane (2018)
  • Author(s): Yuichi Tamura, Masahiro Kobayashi, Taisuke Kobayashi, Wataru Omori, Hiroaki Nakamura, Hiroaki Ohtani, Susumu Fujiwara and the LHD experimental group
  • Organizer: The 27th International Toki Conference on Plasma and Fusion Research & The 13th Asia Pacific Plasma Theory Conference (ITC27 & APPTC2018)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Molecular dynamics simulation of DNA damage by tritium beta-decay (2018)
  • Author(s): Hisanori Miyanishi, Hiroaki Nakamura, Takuo Yasunaga, Susumu Fujiwara, Tomoko Mizuguchi, Ayako Nakata, Tsuyoshi Miyazaki, Takao Otsuka, Takahiro Kenmotsu, Yuji Hatano and Shinji Saito
  • Organizer: The 27th International Toki Conference on Plasma and Fusion Research & The 13th Asia Pacific Plasma Theory Conference (ITC27 & APPTC2018)
  • Int'l Joint Research
• [Remarks] ようこそ 藤原 進 のホームページヘ
  • URL: http://www.cis.kit.ac.jp/~fujiwara/index-j.shtml