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

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．

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．