2018 Fiscal Year Annual Research Report
イオン液体に適した分極力場の開発と輸送現象の分子論的解明
| Project/Area Number |
17J01006
|
|---|
| Research Institution | Osaka University |
|---|
Principal Investigator |
石井 良樹 大阪大学, 基礎工学研究科, 特別研究員(PD) (20806939)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2017-04-26 – 2020-03-31
|
| Keywords | 分子動力学 / 密度汎関数法 / 第一原理計算 / 分子力場 / イオン液体 / 輸送係数 |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
密度汎関数法を基にした第一原理計算による電荷分布解析とForce Fitting法を組み合わせることで，イオン液体系における分子力場の開発方法の確立を試みた。特に，周期境界条件を仮定した第一原理計算を用いることで，凝縮系における誘電分極の影響などを平均的に取り入れた非分極力場を構築し，得られた力場を用いて分子動力学（MD）計算を実行し，イオン液体の輸送特性の確度について検討した。
Force Fitting法で最適化した分子力場は，従来の力場と比べて第一原理計算の力を再現するように改善させることができ，この最適化の反復操作はMD計算で得られる物性を収束させることが分かった。また凝縮系で得られた電荷分布は，分子の完全電荷からのずれとともに，孤立分子系からの電荷分布の再配向も同時に反映したことから，凝縮系の組成に依存した電荷移動と誘電分極を記述していると解釈できる。その最適化した分子力場を用いて比較的単純な[C2mim]Cl系イオン液体の輸送係数を評価したところ，実験値の再現性も改善しており，本研究で得られた分子力場は輸送挙動の推算に有効であると考えられる。この確度の普遍性を検証するため，種々のアニオンおよびカチオンからなる計9種のイオン液体の輸送物性を評価したところ，電荷分布のみの更新では等方的な分子に対する正確性に乏しいが，電荷とvdWパラメータの両方を最適化すると輸送係数の確度を包括的に改善しうることが分かった。したがって本研究で得られた分子力場は，輸送係数の推算において有力なモデルとなりうることが明らかになった。
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
申請者は，昨年度までに検証した分子の電荷分布の計算手法を用いて，分子力場の開発を進めた。この分子力場は凝縮系における誘電分極や電荷移動の効果を平均的に考慮した非分極力場として最適化したが，この電荷分布は局所的に働く電位と相関することが検証済みであるため，本手法は分極力場への発展性が保証されている。また本年度は，非分極力場のままvdWパラメータを新規に改良する方法論を考案し，多様な組成群への有用性を検証することができた。また。この分子力場の開発方法は，単塩系だけでなく二元系や中性分子との多成分混合系にも適用できることを確認できた。そのため次年度は，力場の拡張性の検証と複合材料系における分子論の議論を並行して進められることから，本研究はおおむね順調に進展していると考えている。
|
| Strategy for Future Research Activity |
2018年度で開発してきた分子力場を用いて，イオン液体のMD計算による輸送係数と構造不均一性の評価を進める。特に，アニオンやカチオンの種類が複数混在するときの拡散挙動，すなわち混合イオン効果を特徴付ける物理的因子を，MD計算から考察する。さらに本年度では，様々な中性分子を含む複合材料系で分子力場の開発を展開し，界面などの極端条件下における分子力場の有効性を検証するとともに，中性分子を含むイオン液体系の物性評価を行う。中性分子の拡散挙動はアニオンやカチオンと比較するが，基本的には電気伝導率や粘性率などの巨視的な物性に焦点を当て，中性分子との共存がそれらをどのように特徴付けるかを明らかにする。このような中性分子を含む系では，分極効果が小さくなると期待されるため，2018年度に考案した分極効果を平均的に取り入れる分子力場は有効であると考えられる。一方で界面系では，より緻密な分子の分極効果の表現が求められる可能性が高いため，第一原理計算を基にして界面付近での電荷分布の偏りを検証し，高次の分極効果の必要性と電位に依存した関数モデルと最適化方法の探索を進める。
|
