Examination of the phase behaviour of liquid crystal molecules in confined systems by Replica-Exchange Monte-Carlo simulations

通过复制交换蒙特卡罗模拟检查受限系统中液晶分子的相行为

• 批准号: 22KJ2724
• 负责人: 小和口 昌愛
• 金额: $ 1.6万
• 依托单位: Keio University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2023
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2023-03-08 至 2025-03-31
• 项目状态: 未结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-22KJ2724/
• 关键词: 分子シミュレーション; モンテカルロ法; 液晶; 準結晶; レプリカ交換法; 進化戦略; 閉じ込め系; 最適化

本研究では分子シミュレーション分野で用いられるモンテカルロ法を最適化かつ高速化し，ナノレベルで空間的制約を加えた異方性分子の相転移現象を解明することを目的としている．シミュレーションの対象とする異方性分子は，アモルファスと結晶の両方の性質を持つ液晶分子と，アモルファスでも結晶でもない第三の物質と言われる準結晶であり，いずれも等方性分子では観測されないような特異な振る舞いを示す．また異方性であることから計算コストが高くシミュレーションが困難となり得るため，計算効率を上げる必要があった．そこで，分子シミュレーション分野でサンプリング効率を改善するために開発されたレプリカ交換法にさらに遺伝的アルゴリズムである進化戦略を加え最適化を試みた．この手法を液晶分子の粗視化モデルに適用し相挙動に対する知見を深めた成果は学術雑誌に投稿され，論文として掲載された．また2022年度は英国オックスフォード大学にて共同研究を行った．そこでは，準結晶の再現可能性を試みた．回転対称性を保持しつつ並進対称性を持たないという幾何学的にユニークな特徴を持つ準結晶がなぜ熱力学的に安定で存在するかは不明であり，未だ発見されていない準結晶構造は多数存在すると予想されている．現代の科学では，特定の条件が与えられることで準結晶を形成することがわかっているが，どのようなパラメータが優位に働くかによって分子がこの複雑な挙動を示すかはブラックボックスのままである．我々はシミュレーションを通じて実際に分子の動きを観察することで，準結晶を形成するための重要因子を明らかにしようと努めた．最先端の材料技術，バイオ，ナノテクノロジー等は従来の結晶構造に基づいて進化してきた．そのため，新しい準結晶を発見し人工的な結晶構造を設計することが可能になれば，画期的な材料の開発に繋がり，技術の進歩に貢献すると期待される．

This study で は molecular シ ミ ュ レ ー シ ョ ン eset で with い ら れ る モ ン テ カ ル を ロ method optimization か high speed つ し, ナ ノ レ ベ ル で space restriction を plus え た different party planning molecular の phase shift phenomenon を interpret す る こ と を purpose と し て い る. シ ミ ュ レ ー シ ョ ン の like と seaborne す る different molecular は, ア モ ル フ ァ ス と crystallization の struck party の nature を hold つ と, liquid crystal molecules ア モ ル フ ァ ス で も crystallization で も な い third の material と said わ れ る quasi crystal で あ り, い ず れ も isotropic molecular で は 観 measuring さ れ な い よ う な specific な vibration る dance い を す. ま た square difference で あ る こ と か ら computing コ ス ト が high く シ ミ ュ レ ー シ ョ ン が difficult と な り have る た め, calculate working rate on を げ る necessary が あ っ た. そ こ で, molecular シ ミ ュ レ ー シ ョ ン eset で サ ン プ リ ン グ sharper rate を improve す る た め に open 発 さ れ た レ プ リ カ exchange method に さ ら に but 伝 ア ル ゴ リ ズ ム で あ る evolution 戦 slightly を plus え optimization を try み た. こ の gimmick を の thick liquid crystal molecules, visualization モ デ ル し phase 挙 に apply dynamic に す seaborne る knowledge を deep め た results は academic 雑 volunteers contribute に さ れ, paper と し て first white jasmines load さ れ た. Youdaoplaceholder0 2022 academic year ッ UK ッ ッ スフォ ド ド にて Joint Research を field った. Youdaoplaceholder0 そ で で で, likelihood of quasicrystallization を try みた. Back to planning polices according to sexual を keep し つ つ said sexual を seaborne hold leading た な い と い う geometry に ユ ニ ー ク な, 徴 を hold つ quasi crystal が な ぜ に of thermodynamic stability exist で す る か は unknown で あ り, not だ 発 see さ れ て い な い quasi crystal structure は most existing す る と to think さ れ て い る. Modern の で は, specific conditions が の え ら れ る こ と で quasi crystal を form す る こ と が わ か っ て い る が, ど の よ う な パ ラ メ ー タ が primacy に 働 く か に よ っ て molecular が こ の complex 雑 な 挙 dynamic を shown す か は ブ ラ ッ ク ボ ッ ク ス の ま ま で あ る. I 々 は シ ミ ュ レ ー シ ョ ン を tong じ て be interstate の に molecules move き を 観 examine す る こ と で, quasi crystal を form す る た め の important factor を Ming ら か に し よ う と Mr め た. The most apex の material technology, バ イ オ, ナ ノ テ ク ノ ロ ジ ー etc は 従 の crystallization structure by に base づ い て evolution し て き た. そ の た め, new し い quasi crystal を 発 see the な し artificial crystal structure design す を る こ と が may に な れ ば, painting period な material の open 発 に 繋 が り, technology の into step に contribution す る と expect さ れ る.

项目成果

Optimal Replica-Exchange Molecular Simulations in Combination with Evolution Strategies

与进化策略相结合的最佳复制交换分子模拟

• DOI: 10.1021/acs.jcim.2c00608
• 发表时间: 2022
• 期刊: Journal of Chemical Information and Modeling
• 影响因子: 5.6
• 作者: Kowaguchi Akie;Endo Katsuhiro;Brumby Paul E.;Nomura Kentaro;Yasuoka Kenji
• 通讯作者: Yasuoka Kenji

進化戦略を用いたレプリカ交換分子シミュレーションの最適化

使用进化策略优化复制交换分子模拟

• 发表时间: 2022
• 作者: Kowaguchi Akie;Endo Katsuhiro;Brumby Paul E.;Nomura Kentaro;Yasuoka Kenji;小和口昌愛，遠藤克浩，Paul Brumby，泰岡顕治
• 通讯作者: 小和口昌愛，遠藤克浩，Paul Brumby，泰岡顕治

機械学習を用いた効率的なレプリカ交換モンテカルロ法によるLennard-Jones 粒子の相挙動

使用机器学习的高效副本交换蒙特卡罗方法的 Lennard-Jones 粒子的相行为

• DOI: 10.11436/mssj.24.70
• 发表时间: 2022
• 期刊: Ensemble
• 作者: Ishikawa;N.;& Umeda;S.;小和口 昌愛
• 通讯作者: 小和口 昌愛

Department of Chemistry/University of Oxford/United Kingdom(英国)

化学系/牛津大学/英国（UK）