マルチスケールシミュレーションによる環動高分子の強靭化メカニズム解明

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申請者は令和2年度、2つのテーマに取り組んだ。一つ目は全原子分子動力学を用いたα、β、γ-CD/PEGポリロタキサンにおけるスライド運動の定量、二つ目は粗視化分子動力学法を用いた環動ゲルの柔軟・強靭性を説明する分子モデルの構築である。一つ目のテーマに関して、軸に沿った環の平均二乗変位を用いて環のスライド運動を評価したところ、環の拡散係数はγ-CD≒α-CD<β-CDの順に大きくなり、環サイズの上昇に対して不連続であることが明らかになった。粗視化分子動力学法による検討とは全く異なる結果が得られたことから、α、β、γ-CD/PEGの間で分子間相互作用が全く異なるものと考えられる。今後この分子間相互作用の違いに関して研究する。予備検討としてα-CD/PEGポリロタキサンに関しては、熱力学的積分法を用いてPEG上の各位置におけるCDの自由エネルギー（エネルギーランドスケープ）も計算した。二つ目のテーマに関して、環のスライド速度が伸長の時間スケールと比較して十分早かったので、環が軸上を十分早くスライドするポリロタキサン、環動ゲルの粗視化モデルをデザインした。その後、粗視化分子動力学法により環動ゲルの一軸伸長シミュレーションを行った。得られた応力伸長比曲線から弾性率を取得すると同時に伸長に伴う環のスライド量を定量した。その後、このスライド量を変数として導入し、古典ゴム弾性理論の一つであるthree-chain modelを改良することで、環動ゲルのヤング率を精度よく定式化することに成功した。さらに部分鎖長分布、ゲル中の応力分布の解析から、環動ゲルの伸長時には伸長方向に鎖が引きずりだされ、引きずり出された複数の鎖が均等に力を分散させることで強靭性を発現することを明らかにした。