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高分子材料設計に向けたメゾスケール現象と化学反応を同時に考慮可能な計算手法の開発

开发一种可同时考虑介观现象和化学反应的高分子材料设计计算方法

基本信息

批准号：
19J22677
负责人：
上原周一
金额：
$ 1.79万
依托单位：
Tohoku University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2019
资助国家：
日本
起止时间：
2019-04-25 至 2022-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

高分子材料を活用した軽量化による，エネルギー消費量の低減が求められており，結晶層とアモルファス層が交互に並んだ構造を有する半結晶性高分子材料が高強度材料として注目されている．その機械特性の向上に向けた設計指針を得るためには，分子動力学 (MD) シミュレーションによる破壊機構の解明が必要である．しかし，従来用いられてきた粗視化 MDでは，高分子鎖間の分子間力を過小評価するため，実験での高強度性を再現できず，破壊機構を解明できないという課題があった．また，現実の現象との直接比較のためには，工業製品において高分子がとる形態である球晶の計算に向けた，1億原子を超える超大規模に対応したシミュレータの開発が必要である．そこで本研究では，分子間力の正確な評価が可能なReax力場の活用に基づく高速シミュレータを独自に開発し，半結晶性ポリエチレンの引張計算を行った．その結果，粗視化MDでは再現しなかった高強度性を再現し，さらに，アモルファス層におけるタイ高分子の伸長が，高強度に寄与していることがわかった．また，アモルファス層に存在する絡み合いに応力集中が生じることで，C-C結合の切断が起こり，強度の減少につながることがわかった．この結果に基づき，アモルファス層において，切断の起点となる絡み合いが少なく，タイ高分子が多い半結晶性高分子材料が高強度を示すという設計指針を提案した．提案に基づくモデルは，従来のモデルよりも高い機械強度を示し，半結晶性高分子材料の高強度化に向けた設計指針を得ることに成功した．また，開発したシミュレータをMPIとOpenMPの両方で空間分割並列化することにより，約100億原子からなる半結晶性ポリエチレンの引張計算の実行に成功した．これにより，当初の目標であった1億原子を超える超大規模計算が実現し，球晶構造のスケールに対応した計算が可能となった．

Polymer materials can be used to reduce the consumption of polymer materials. Crystalline layers can be used to reduce the consumption of polymer materials. Semi-crystalline polymer materials can be used as high strength materials. The mechanical properties and design guidelines of molecular dynamics (MD) are necessary to solve the problem of mechanical failure. The intermolecular force between polymer chains is too small to be evaluated. The high strength of polymer chains is reproduced. The mechanism of polymer chains is solved. The phenomenon is now directly compared with industrial products, such as polymers, spherulites and calculations. It is necessary to develop ultra-large-scale polymers with 100 million atoms. In this study, the correct evaluation of intermolecular forces is possible, and the application of Reax force field to the development of high speed molecular interaction alone, semi-crystalline molecular interaction and tensile calculation are carried out. As a result, coarse MD can reproduce high strength properties, and high strength MD can reproduce high strength properties. The C-C bond is cut off and the strength is reduced. As a result of this, the base layer is broken, the starting point of the break is broken, and the semi-crystalline polymer material has a high strength. The proposal is based on the principle of high mechanical strength and high strength of semi-crystalline polymer materials. The calculation of the extension of the semi-crystalline structure of about 10 billion atoms has been successfully carried out. The original goal was to achieve 100 million atoms in ultra-large-scale computing, and the spherulitic structure was to achieve 100 million atoms in ultra-large scale computing.

项目成果

期刊论文数量（11）

专著数量（0）

科研奖励数量（0）

会议论文数量（0）

专利数量（0）

Molecular-Level Elucidation of a Fracture Process in Slide-Ring Gels via Coarse-Grained Molecular Dynamics Simulations

通过粗粒度分子动力学模拟在分子水平上阐明滑环凝胶的断裂过程

DOI：
10.1021/acs.macromol.1c01981
发表时间：
2022
期刊：
Macromolecules
影响因子：
5.5
作者：
Uehara Shuichi;Wang Yang;Ootani Yusuke;Ozawa Nobuki;Kubo Momoji
通讯作者：
Kubo Momoji

フィラー添加による環動高分子材料高靭性化メカニズムの解明:粗視化分子動力学法による研究

阐明添加填料提高环动高分子材料韧性的机理：利用粗粒分子动力学方法进行研究

DOI：
发表时间：
2020
期刊：
影响因子：
0
作者：
Shuichi Uehara;Zhongmin Liu;Narumasa Miyazaki;Yusuke Ootani;Nobuki Ozawa;Momoji Kubo;上原周一，王楊，大谷優介，尾澤伸樹，久保百司;上原周一，王楊，大谷優介，尾澤伸樹，久保百司;上原周一，王楊，大谷優，尾澤伸樹，久保百司
通讯作者：
上原周一，王楊，大谷優，尾澤伸樹，久保百司

Coarse-grained Molecular Dynamics Simulation of the Wear Mechanism of Cyclic Polymer Brushes

DOI：
10.1246/cl.200323
发表时间：
2020-09
期刊：
Chemistry Letters
影响因子：
1.6
作者：
Zhongmin Liu;Yusuke Ootani;S. Uehara;Jingxiang Xu;Yang Wang;N. Miyazaki;Y. Higuchi;N. Ozawa;M. Kubo
通讯作者：
Zhongmin Liu;Yusuke Ootani;S. Uehara;Jingxiang Xu;Yang Wang;N. Miyazaki;Y. Higuchi;N. Ozawa;M. Kubo

Study on Fracture Process of Slide-ring Gel by Coarse-Grained Molecular Dynamics Simulation

滑环凝胶断裂过程的粗粒分子动力学模拟研究