核生成機構の体系化とその速度論的モデル構築に立脚した合理的ナノ粒子合成戦略の確立

基于成核机制的系统化及其动力学模型的构建合理的纳米粒子合成策略的建立

基本信息

批准号：
22KJ1754
负责人：
飯田裕也
金额：
$ 1.41万
依托单位：
Kyoto 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 2024-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

本研究では，合理的なナノ粒子設計戦略を確立することを目的とし，分子種や合成条件によって多様に変化する核生成経路を決定づける因子の解明とその経路を定量的に記述するモデルの構築，および経路の影響を組み込んだ粒子径分布推定手法の開発を行う。本年度の実績を以下に示す。[1] LJ分子2成分からなる溶液系の核生成過程のMDシミュレーションにおいて，分子サイズが核生成挙動に強く影響し，分子サイズの増大が核生成を促進・抑制する両方のケースがあり得ることを見出した。さらに，このような分子サイズがもたらす特異的な効果を，昨年度構築した熱力学モデルを用いて分子間相互作用の数の観点から説明可能であることを明らかにした。本検討は，昨年度に構築した核生成経路予測モデルにおけるパラメータの物理的な意味合いを明確にし，モデルの有用性をより強固にするものであり，実在分子系における核生成経路予測につながる重要な知見をもたらしたと言える。以上の成果について論文を執筆中である。[2] LJ分子3成分からなる溶液系の核生成過程のMDシミュレーションを実施し，系が一段階と二段階のどちらの核生成経路をとるかは，溶質同士の相互作用の強さに支配されることを明らかにした。これにより，LJ 2成分系で得た知見が，成分が増えても成立することを確認した。[3] 構築した熱力学モデルに基づいて自由エネルギー障壁の高さを用いて核生成速度の予測値を計算し，MDシミュレーションの実測結果と比較した。その結果，MDシミュレーションの核生成経路を十分に説明可能な構築モデルをもってしても，核生成速度に関しては実測結果と数桁の誤差を生じてしまうことがわかった。その原因が，モデルの入力値として必要な界面張力の数％の誤差が核生成速度の計算において1オーダー近くの誤差にまで増幅されることにあることを明らかにした。

这项研究旨在建立一个理性的纳米颗粒设计策略，并将阐明确定成核途径的因素，这些因素取决于分子物种和合成条件，构建了对这些途径进行定量描述的模型，并开发了一种估计粒度分布的方法，以结合途径的影响。今年的结果如下。 [1]在MD模拟基于溶液的溶液的成核过程中，由LJ分子的两个组成部分组成，我们发现分子大小强烈影响成核行为，并且在某些情况下，分子大小的增加会促进和抑制成核。此外，我们透露，可以使用去年构建的热力学模型来解释这种分子大小的特定效果。这项研究阐明了参数在去年构建的成核路径预测模型中的物理含义，进一步增强了模型的实用性，并且可以说已经提供了重要的见解，从而导致对真实分子系统中成核路径的预测。我目前正在撰写有关上述结果的论文。 [2]我们对由LJ分子的三个组成部分组成的溶液系统的成核过程进行了MD模拟，并揭示了该系统是否采用一个或两个阶段的成核途径受溶质之间相互作用的强度控制。这证实，即使组件数量增加，使用LJ两个组件系统获得的发现也是有效的。 [3]基于构造的热力学模型，使用自由能屏障的高度计算了成核速率的预测值，并将其与MD模拟的实际测量结果进行了比较。结果，发现即使可以完全解释MD模拟的成核途径的建设性模型，也会从实际测量结果中核定率有几个误差级。据透露，这样做的原因是，由于模型的输入值被放大到成核速率的计算中，几乎一个误差所需的几个界面张力的误差。