溶液中における高分子構造形成の大規模シミュレーション

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高分子の構造形成機構を分子レベルで解明するため、我々は溶液中における高分子鎖の分子動力学(MD)シミュレーションを行い、配向秩序構造の形成過程を解析した。高分子鎖のモデルとして、最も単純な内部構造を持つポリメチレン鎖を用い、溶媒分子のモデルとして、6個のメチレン基(CH_2)が連結した短い鎖状分子を用いた。メチレン基は一つの質点として扱い、分子力場としてDREIDINGポテンシャルを使った。シミュレーション手法として、速度Verletアルゴリズムを用いた。また、系の温度を一定に保つため速度スケーリング法を、系の圧力を一定に保つためAndersenの方法を適用した。系の圧力は1気圧に設定した。ここでは、500個のメチレン基から成る1本の高分子鎖及び、6個のメチレン基から成る3747本の溶媒分子を扱った。最初に、高温(550K)でランダムな配位の高分子溶液を作り、次にそれを様々な温度(400,350,300K)に冷却し、配向秩序構造の形成過程の解析を行った。その結果、初期において高分子鎖は広がったランダム・コイル状態を取っているが、時間の経過と共に、局所配向秩序ドメインが形成され、その後、局所配向秩序ドメインが成長し、最終的に折り畳まれた配向秩序構造を形成することが分かった。また、大域的配向秩序の成長過程を解析することにより、大域的配向秩序の成長が段階的に進行することが明らかになった。さらに、様々な初期条件、温度条件においてMDシミュレーションを実行することにより、初期条件によっては中間状態としてトロイド構造が形成されることが分かった。また、溶液中の場合、形成される配向秩序構造のステム長は、真空中の場合より長くなることが明らかになった。