Discovery Sagaサイレントキーワード俯瞰

コロイド / ナノ粒子 / 高分子 / 自己組織化 / 分子動力学 / 結晶 / 相転移 / ソフトマテリアル / ゆらぎ / ゲル

フォトニック結晶の分野では、自発的に形成される様々な結晶構造を実現するためのフレームを開発することが中心的な課題の1つとなっている。特に簡単な方法として、コロイド結晶を用いる方法があるが、コロイド結晶のバリエーションは限られており、その構造は壊れやすい。そこで、本研究では強靭な結晶構造を形成する可能性を持つPGNPに着目する。具体的には、本研究では高分子グラフトナノ粒子（PGNP）の多形構造を予測し、フォトニック結晶としての可能性を開くための強力な理論的枠組みを提供することである。このテーマは、これまでにも多くの実験的・理論的研究が行われてきた。本年度は、PGNPの結晶多形について、主に粗視化分子動力学シミュレーションを用いて検証した。その結果、以下のような結果を得ることができた。（1）グラフトポリマーの鎖長やグラフト密度によって分子間相互作用が複雑に変化し、調整できることを明らかにした。特に、低体積分率では、PGNPは様々な超構造に自己組織化することが可能であった。（2）PGNPが高体積分率でバルク状態に相当する様々な結晶構造を示すことを明らかにし、フォトニック結晶として理想的な構造の一つであるダイヤモンド構造への到達の方向性を示した。（3）今回の結果は、粗視化分子動力学シミュレーションでPGNPsの結晶相転移を直接観察した初めての事例となった。今後のPGNPsの結晶多形研究にとって重要な方法論になると考えられる。

分子動力学 / 電解質水溶液 / 気液界面 / 溶解度 / 蒸気圧低下 / 結晶化過程 / 吸収過程 / EXAFS / 吸収冷凍 / 臭化リチウム水溶液 / 分子構造 / 結晶

本研究では分子動力学により吸収溶液として広く用いられている電解質水溶液の分子構造および結晶化の分子シミュレーションを行い,水溶液のミクロな構造を明らかにするとともに,分子レベルでの溶液の構造が吸収溶液として重要である溶解度,蒸気圧低下等とどのように結びつくかについて考えることを目的とする.希ガスのような単純液体の場合は定量的にも様々なことが明らかにされており,分子シミュレーションは計算機実験として様々な系に応用されているが,電解質水溶液のような複雑液体の場合,分子シミュレーションは主に理論の役割を果たし,様々なレベルでの実験との比較検討が重要である.このような立場から研究を進めた.具体的な実施項目および得られた成果は以下のとおりである.1,分子スケールの溶液構造についての実験との比較検討.複数の塩が含まれている電解質水溶液について簡単な2体ポテンシャルを用いた計算とEXAFS測定を行い,特定のイオン周りの構造がよく一致することを示した.2,溶解度,飽和蒸気圧等のマクロスケールで測定される物性値についての評価.気体と液体が共存するような系で溶解度以上の溶液のシミュレーションを行うことを提案した.これにより系の圧力が飽和濃度での飽和蒸気圧と等しく保たれるため,圧力制御が不要になり計算が簡便になる.代りに非等方性の影響を十分に考慮する必要があるが,大規模な計算が可能な場合,その影響は小さい.3,結晶化過程,吸収過程の分子シミュレーションの検討.吸収過程について吸収速度と非平衡度の関係,吸収速度と溶液濃度の関係を明らかにした.結晶化過程については今後の課題である.

【研究分担者】
大宮司啓文	東京大学	大学院・工学系研究科	助手	(Kakenデータベース)