(57)【要約】      （修正有）【課題】有機被膜と基材との結合状態をコンピューターシミュレーションによって解析するシステムを提供する。【解決手段】解析対象とする有機被膜およびこの被膜が形成される基材の分子構造の設計条件を入力する入力装置と、この入力装置からの指令で動作する分子設計プログラムおよび基材表面の有機被膜結合状態を分子動力学計算により算出するシミュレーションプログラムからなる数値計算・解析装置と、前記基材と被膜の分子構造の数値データを分類しかつ蓄積してデータベースを作成するデータ蓄積・抽出装置と、このデータ蓄積・抽出装置から抽出されたデータを出力する出力装置を備えてなる有機被膜の基材結合性解析システム。【選択図】図１
2004332070.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
解析対象とする有機被膜およびこの被膜が形成される基材の分子構造の設計条件を入力する入力装置と、この入力装置からの指令で動作する分子設計プログラムおよび基材表面の有機被膜結合状態を分子動力学計算により算出するシミュレーションプログラムからなる数値計算・解析装置と、前記基材と被膜の分子構造の数値データを分類しかつ蓄積してデータベースを作成するデータ蓄積・抽出装置と、このデータ蓄積・抽出装置から抽出されたデータを出力する出力装置を備えてなる有機被膜の基材結合性解析システム。
【請求項２】
数値計算・解析装置における分子設計プログラムが、解析対象の有機被膜およびこの被膜が形成される基材を構成する原子または分子のポテンシャルエネルギーを分子力学法に基づいてコンピュータによりそれぞれ計算してエネルギー値が最小値になる最安定構造を求め、その計算の際に有機被膜についてモノマーモデルを単位として行なうと共に、金属表面については、結晶状態の周期境界モデルを構築して行なう分子設計プログラムである請求項１記載の有機被膜の基材結合性解析システム。
【請求項３】
数値計算・解析装置におけるシミュレーションプログラムが、有機被膜と金属の最安定構造における周期境界モデルを組み合わせた複合体の下記全エネルギー値Ｅ１を分子動力学に基づいて時系列で一定値に収束するまでコンピュータで計算して化学結合を有しない複合体エネルギーを算出し、次に全エネルギーＥ１であるときの有機被膜と金属との最安定構造を初期配置として、複合体の下記全エネルギー値Ｅ２を分子動力学に基づいて時系列で一定値に収束するまでコンピュータで計算して化学結合した複合体エネルギーを算出し、次いで得られたＥ２およびＥ１の値から金属表面に対する有機被膜の接着力である差分エネルギーＥ＝Ｅ２−Ｅ１を算出するシミュレーションプログラムである請求項１に記載の有機被膜の基材結合性解析システム。
記
Ｅ１＝（金属表面の周期境界モデルのポテンシャルエネルギー値−有機被膜モノマーモデルのポテンシャルエネルギー値）
Ｅ２＝（金属表面の周期境界モデルのポテンシャルエネルギー値−有機被膜モノマーモデルのポテンシャルエネルギー値）
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、基材の表面に形成する被膜と基材の結合性をコンピュータプログラムで予測的に数値解析する有機被膜の基材結合性解析システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
有機メッキ法や真空蒸着法等を用いて各種金属等の基材の表面にナノオーダーの被膜厚さの薄膜として形成される有機被膜は、被覆した基材の表面の耐食性能、絶縁性能、耐熱性能または装飾性などを高める機能を有することが知られている。
【０００３】
基材の表面を高機能化する因子は、有機被膜の種類、被膜形成濃度、温度及びその形成過程における基材の表面と有機被膜との界面構造の影響が大きいから、これらを調べて「結合性」または「密着性」を総合的かつ数値的に解析および評価することが重要である。
【０００４】
従来、耐食性や絶縁性能・耐熱性能・装飾性等の目的性能を満たすと考えられる有機化合物の被膜の密着性を調べるには、実際に製造した有機化合物を金属の表面に塗布し、接着力を剥離試験などで確認することによって知見を得る場合が一般的であった。
【０００５】
一方、無機化合物や有機化合物の物性や状態を分子レベルで挙動解析するには、計算科学の各種理論に基づいて開発されたコンピューターソフトウェアを用い、目的物質の物性評価や挙動解析を行なうコンピューターシミュレーションが、分子設計支援技術として一般的になってきている。
【０００６】
コンピューターを利用した分子設計支援技術としては「分子力学法」や「分子動力学法」、「第一原理分子動力学法」等の計算科学手法が存在し、各種ソフトウェアが市販されているが、計算の対象とする物質や目的状態（固体・液体・混合物・界面等）により、適当なソフトウェアの選定や構築するモデルの形態、計算条件の設定を充分な検討の上に行なう必要がある。
【０００７】
特に、ニュートン運動方程式を基本原理とする古典力学に基づく「分子力学法」及び「分子動力学法」に関しては、コンピューターシミュレーションにおける汎用ソフトウェアシステムのいくつかは既に市販されている（例えばＡｃｃｅｌｒｙｓ社「Ｍａｔｅｒｉａｌｓ  Ｓｔｕｄｉｏ」、「Ｃｅｒｉｕｓ２」、「ＩｎｓｉｇｈｔＩＩ」、富士通株式会社「ＷｉｎＭＡＳＰＨＹＣ」等）。
【０００８】
因みに、分子動力学法は、注目する系の各原子について、ニュートンの運動方程式を数値的に解くことにより、初期状態から原子運動の軌跡を求めることができる手法である。系内のｉ番目の粒子に対するニュートンの運動方程式は、次式で示される。
【０００９】
Ｆｉ＝ｍｉ（ｄｖｉ／ｄｔ）＝ｍｉ（ｄ２ｒｉ／ｄｔ２）
（式中のＦｉは粒子に働く力であり、ｒｉ、ｖｉ、ｍｉ
は、それぞれ粒子の位置、速度、質量である。）
【００１０】
上記の式から導かれる式は、任意の時刻ｔにおける基本セル内の粒子ｉの位置ベクトルを、Ｒｉ（ｔ）とし、粒子に働く力をＦｉ（ｔ）として、さらにΔｔが充分に小さい値を示す場合、次式の通りである。
Ｒｉ（ｔ＋Δｔ）＝２Ｒｉ（ｔ）−Ｒｉ（ｔ−Δｔ）＋｛（Δｔ）２Ｆｉ（ｔ）｝／ｍ
【００１１】
この式により、時刻ｔ−Δｔとｔにおける位置、およびｔにおけるｉに働く力Ｆｉ（ｔ）を知れば、ｔ＋Δｔにおける位置を知ることができる。これを次々に繰り返せば、ｉの位置の時間経過すなわち軌跡を知ることができる。この方法は、ベルレ（Ｖｅｒｌｅｔ）法と呼ばれる。
【００１２】
また、成膜のシミュレーションとしては、非晶質シリコン薄膜を形成する場合に、原子の一ずつの動きをある時間ごとに追跡し、すなわち原子１個ずつの座標と速度を求めて、成膜速度と成膜物性を予測する手法が開示されている（特許文献１参照。）。
【００１３】
【特許文献１】
特開平０９−２７９３４０号公報（特許請求の範囲）
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記したコンピューターシミュレーションを実行する際に、実際の計算対象となる目的物質がどのような状態（有機物質もしくは無機物質、結晶もしくは非結晶状態、異種物質界面または気相、液相もしくは固相等）で存在しているかといった点についても配慮する必要があり、その目的物質や目的状態の種類に応じた計算条件の設定や計算手法を充分に検討したうえで条件を選択しなければ、その状態をコンピューターシミュレーションに正確に反映させて分子モデルを構築することはできない。
【００１５】
特に、金属を被覆する有機被膜の「結合性」または「密着性」などを調べる場合には、コンピューターシミュレーションによる計算条件の設定や計算手法の設定が煩雑となり、短時間で簡便に数値解析を行なえなかった。
【００１６】
また、コンピュータシミュレーションによって有機被膜の分子構造モデルとその特性の予測データを種々の化合物について精密に得るには、個々の化合物について別々に計算を行なう必要上、多くの時間を要し、また得られたデータが実際の分子から得られる実験データと整合するか否かの判断は容易ではない。そのため、信頼性の高いデータを迅速確実に得られる有機被膜の基材結合性解析システムが希求されていた。
【００１７】
そこで、この発明の課題は、上記した問題点を解決して、分子設計支援技術に基づいて有機被膜と基材との結合状態をコンピューターシミュレーションによって調べる際に、金属などの基材表面上に有機被膜を実際に形成した場合の基材と有機被膜の結合力などのデータを迅速かつ正確に得られる有機被膜の基材結合性解析システムとすることである。
【００１８】
すなわち、この発明の課題をさらに具体的に示せば、金属などの基材表面における有機被膜形成過程の界面における結合性や密着性をコンピューターシミュレーションによって調べる際に、短時間で効率よく計算できるようにし、特に基材と有機被膜の結合力などのデータを迅速かつ正確に算出できるようにして、開発コストを低減できる高信頼性の有機被膜の基材結合性解析システムとすることである。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、この発明においては、解析対象とする有機被膜およびこの被膜が形成される基材の分子構造の設計条件を入力する入力装置と、この入力装置からの指令で動作する分子設計プログラムおよび基材表面の有機被膜結合状態を分子動力学計算により算出するシミュレーションプログラムからなる数値計算・解析装置と、前記基材と被膜の分子構造の数値データを分類しかつ蓄積してデータベースを作成するデータ蓄積・抽出装置と、このデータ蓄積・抽出装置から抽出されたデータを出力する出力装置を備えてなる有機被膜の基材結合性解析システムとしたのである。
【００２０】
上記した工程からなるこの発明の有機被膜の基材結合性解析システムは、入力装置からの設計条件の指令で分子設計プログラムが作動して、有機被膜化合物の既存分子構造または理論的分子構造モデル、または金属などの基材表面の既存分子構造もしくは理論的分子構造モデルが構築される。
【００２１】
そして、基材表面の有機被膜結合状態をシミュレーションプログラムによって結合状態を分子動力学計算により３次元で動的にシミュレートすると共に、そのときの分子の座標や結合力などに関する数値的解析データを算出する。
【００２２】
ここで得られた基材と被膜の分子の座標と結合状態などに関する数値的解析データは、データ蓄積・抽出装置で分類されて蓄積され、すなわちデータベース化される。このデータベースから抽出されたデータは、前記入力装置からの要求に応じて出力装置から出力される。
【００２３】
このようにしてデータベース化された基材と被膜の分子構造と結合状態に関する数値的解析データは、必要なデータが利用される場合に迅速に抽出されて、出力装置から読み出すことができるものであり、徐々にデータ量を増やしていくことにより、目的の機能を有する新規または既存の有機被膜化合物の正確な開発用データが簡易かつ迅速に得られる。
【００２４】
データベースは、実際の実験から得られるデータとの整合性がとれたものも集約化することにより、より信頼の高い情報の集められたデータベースとなる。
【００２５】
また、上記の有機被膜の基材結合性解析システムにおいては、数値解析部における分子設計プログラムが、解析対象の有機被膜およびこの被膜が形成される基材を構成する原子または分子のポテンシャルエネルギーを分子力学法に基づいてコンピュータによりそれぞれ計算してエネルギー値が最小値になる最安定構造を求め、その計算の際に有機被膜についてモノマーモデルを単位として行なうと共に、金属表面については、結晶状態の周期境界モデルを構築して行なう分子設計プログラムであることが好ましい。
【００２６】
また、上記した有機被膜の基材結合性解析システムに係る発明においては、数値解析部におけるシミュレーションプログラムが、有機被膜と金属の最安定構造における周期境界モデルを組み合わせた複合体の下記全エネルギー値Ｅ１を分子動力学に基づいて時系列で一定値に収束するまでコンピュータで計算して化学結合を有しない複合体エネルギーを算出し、次に全エネルギーＥ１であるときの有機被膜と金属との最安定構造を初期配置として、複合体の下記全エネルギー値Ｅ２を分子動力学に基づいて時系列で一定値に収束するまでコンピュータで計算して化学結合した複合体エネルギーを算出し、次いで得られたＥ２およびＥ１の値から金属表面に対する有機被膜の接着力である差分エネルギーＥ＝Ｅ２−Ｅ１を算出するシミュレーションプログラムであることが好ましい。
【００２７】
記
Ｅ１＝（金属表面の周期境界モデルのポテンシャルエネルギー値−有機被膜モノマーモデルのポテンシャルエネルギー値）
Ｅ２＝（金属表面の周期境界モデルのポテンシャルエネルギー値−有機被膜モノマーモデルのポテンシャルエネルギー値）
【００２８】
上記した工程からなるこの発明の有機被膜の基材結合性解析システムでは、化学結合を有しない複合体エネルギーＥ１であるときを初期配置として、再度、分子動力学に基づいて時系列で一定値に収束するまでコンピュータで計算して化学結合した複合体エネルギー値Ｅ２を算出し、これらのエネルギーの差分を求めるという比較的計算回数の少ない手段により、比較的短時間に結合エネルギーを求めることができる。
【００２９】
すなわち、この計算では有機被膜が金属表面で化学結合を有さない状態で安定した配置をとるモデルと、有機被膜が金属表面で安定した配置における化学結合を有する状態モデルとのエネルギー差が結合エネルギーであるという発想に基づき、系全体のエネルギーとその挙動から結合エネルギーを簡単かつ確実に求めることができる。
【００３０】
金属表面に関してその結晶状態でのモデルの構築は、単位セルのＹ方向である原子層厚さを３層以上とすることが好ましく、そのようにすると金属表面の特性を正確に現れるシミュレーションを行える。
【００３１】
また、ＸＺ方向の大きさを有機被膜モノマーモデルより２〜２．５倍の大きさとした周期境界モデルを構築して行なうことが好ましく、そのようにすると後述する分子動力学計算を行なうときに基本セルと呼ばれる周期境界モデルが有機被膜の１分子モデル（モノマーモデル）の最長幅よりも充分に大きくなり、基本セル内で有機被膜同士の相互の影響をなくして、金属との結合状態を精密に解析することができ、計算速度も速まる。
【００３２】
分子力学法に基づくポテンシャルエネルギー（Ｅ）は、以下の式で示すことが実際に則して正確であり好ましい。
【００３３】
Ｅ＝ＥＲ＋Ｅθ＋Ｅφ＋Ｅω＋ＥＶＤＷ＋Ｅｅｌ
（式中、ＥＲは距離Ｒを隔て結合している二つの原子間の結合伸縮エネルギー、Ｅθは結合角θに対する結合変角エネルギー、Ｅφはねじれ回転に伴うねじれ角をパラメータとするねじれエネルギー、Ｅωは２面角ωに対する反転エネルギー、ＥＶＤＷはファンデルワールスエネルギー、Ｅｅｌは静電相互作用エネルギーを表す。）
【００３４】
次に、有機被膜と周期境界モデルを組み合わせた最安定構造モデルの全エネルギー値を分子動力学に基づいて一定値に収束するように繰り返し計算することにより、時系列で最安定構造モデルを所定の形態に変化させることができ、その挙動をコンピュータでシミュレーションすることができる。
【００３５】
これにより、金属表面と有機被膜化合物との化学結合が形成される原子を選択する様子や、金属表面と有機被膜化合物との結合距離や位置（座標）の情報が明らかになり、それらの解析結果として、結合部位、金属表面からの距離および結合原子を予測するという化学結合挙動解析と、化学結合モデルの全エネルギーＥ１の算出ができる。
【００３６】
このような金属表面と有機被膜化合物との結合距離や位置の情報を得る場合に、有機被膜がトリアジンチオール化合物であり、また、金属がマグネシウムまたはマグネシウム合金である場合にも正確な情報の得られることが判明している。
【００３７】
この発明における基材のうち、金属とは、その表面が空気中で酸化されている状態のものをも含めていうものであり、たとえば酸化マグネシウムその他の金属酸化物に対する有機被膜を形成する場合でもそれらの結合状態を解析することができる。
【００３８】
次に、金属などの基材の表面と有機被膜化合物との結合距離すなわち位置設定により、化学非結合モデルを構築してその全エネルギーＥ２の算出を行なう。
【００３９】
そして、得られたＥ２およびＥ１の値から金属表面に対する有機被膜の化学結合力である差分エネルギーＥ＝Ｅ２−Ｅ１を算出するのである。
【００４０】
【発明の実施の形態】
この発明の有機被膜の基材結合性解析システムは、その装置を図１に、また数値計算・解析工程を図２に詳しく示すように、先ず、入力装置であるキーボード、マウス、磁気ディスクなどのような記録媒体からデータまたはプログラムの読み取り装置などから、解析の対象とする金属などの基材の設計条件と、有機被膜の設計条件をそれぞれ入力し、分子構造モデルを構築する。
【００４１】
基材は、金属、セラミックまたは合成樹脂などから採用できるが、その代表例である金属は、金属の種類を問わずその全般に関して採用でき、以下の実施形態では、基材として金属を採用した場合について説明する。
【００４２】
金属と有機被膜の各材料種の組み合わせは、例えば耐食性、絶縁性、耐熱性、装飾性などに対応するように経験的な見地から選択できるが、さらにコンピュータシミュレーションで出力画像や計算値化またはグラフ化等して評価する。
【００４３】
例えば図２に示すように、有機被膜化合物のモノマーモデルに対して分子力学法に基づくポテンシャルエネルギーを計算し、そのエネルギーの最小値である最安定構造を求める。
【００４４】
分子力学法は、原子の持つ特性や分子を形成する時における原子同士の結合に関し、実験より得られた経験的条件（原子量・原子半径・結合次数・原子間結合距離等）を設定し、この設定をパラメータとして、目的とする有機被膜化合物モノマーモデルを形成し、このモノマーモデルから形成した分子構造に関するエネルギー（分子内及び分子間相互作用）を、ニュートンの運動方程式に従って、最も低い状態に収束するまで繰り返し計算により求める方法である。
【００４５】
そして、得られた分子構造のエネルギーが最も低い状態の分子構造モデルを、目的とする有機被膜化合物モノマーの実存状態として模擬的に表現する。
【００４６】
次に有機被膜を形成する対象の基材表面モデルを構築するが、その際に空気中で存在する実際の金属表面の態様（特にその表面が金属酸化物となっている状態）などに則して構築することが好ましい。
【００４７】
図３に示すように、分子設計支援技術を利用した金属表面モデルの構築方法では、対象となる金属について、結晶状態で原子層厚さ（Ｙ方向）を３層以上とした周期境界モデルを構築することが好ましい。
【００４８】
その際、金属表面上に施工する有機被膜化合物の１分子モデルの最長幅よりも数倍大きいサイズ（ＸＺ方向、図３では３倍）での金属表面モデル（単位セルＣ）を構築する。
【００４９】
このように金属表面モデルとなる単位セルを計算単位として構築するが、後の工程で分子動力学計算を実行するために、金属−有機被膜界面に関する周期境界条件モデルを構築する。その際には、基本となる分子の集合体モデル（基本セル）での有機被膜化合物分子同士の相互作用の影響を無くすることができるような充分に大きいサイズの金属表面モデルを構築する。
【００５０】
ここでいう周期境界条件とは、基本となる分子の集合体モデル（基本セル）を形成し、仮想的にその基本セルを３次元方向（ＸＹＺ方向）に繰り返し無限に配置することによって、実際に存在する状態や被膜形成時の挙動に近似させるための条件である。
【００５１】
実際には、金属表面モデル上へ有機被膜化合物が固定されていく挙動は、金属原子と有機被膜化合物との化学結合の形成によるものである。
【００５２】
その際、金属表面での有機被膜化合物との化学結合状態については、金属表面と有機被膜化合物との化学結合が形成される原子が選択され、さらに金属表面と有機被膜化合物との原子間の結合距離が所定距離で安定した状態である。これらの挙動は、原子の座標と速度の関係で数式で表されるから、分子設計支援技術を用いたコンピューターシミュレーションで予測できるのである。
【００５３】
すなわち、形成した周期境界条件を満足する分子の集合体モデル（基本セル）について分子力学法を用いた計算（コンピューターシミュレーション）によって基本となる分子の集合体（基本セル）のエネルギー的に低い状態、つまり分子構造（分子内の構造配置や基本セル内の分子の配置）に関して実際に存在しうる状態を計算によって求める。
【００５４】
分子構造のエネルギーが最も低い状態の分子構造モデルを用いると、被覆対象の金属表面上における有機被膜化合物との界面条件が実際に存在するものに近い状態になることが判明しており、その後で分子動力学法を用いて計算する際に、パラメータも共通化して計算時間も短縮できる。
【００５５】
次に、周期境界条件を付加した基本となる分子の集合体（基本セル）モデルに関し、分子動力学法により圧力・温度・構成エネルギー等の計算条件を設定し、時系列変化による構築モデルの挙動を計算する。
【００５６】
この際、計算対象となる金属表面上における有機被膜化合物の化学結合挙動解析の計算条件により、分子動力学法の条件設定は、１回の繰り返し計算単位を０．１〜１ｆｓ（フェムトセカンド）とし、繰り返し計算回数を数万〜数百万回（例えば２万〜６百万回）、実時間に換算して数百〜数千（例えば２百〜６千）ｐｓ（ピコセカンド）相当の計算を行なうことで、分子動力学法計算機シミュレーションによる、金属表面上における有機被膜化合物の化学結合挙動についての時間に対する粒子（原子・分子）の位置と速度等の情報（時系列変化情報）を得ることができる。
【００５７】
このようにして得られた時間に対する粒子（原子・分子）の座標と速度の情報によって、分子構造の持つエネルギー、原子・分子運動に関する運動エネルギー、分子間相互作用に関するエネルギー等が定量的に算出され、それら定量的な数値が、金属表面上における有機被膜化合物の化学結合挙動の平衡状態を評価する判断基準となる。
【００５８】
特に、分子設計支援技術によるコンピューターシミュレーション手法によって金属表面上における有機被膜化合物の界面挙動に関する系全体の全エネルギーが、ある一定値に収束することを確認されたときに、金属表面上における有機被膜化合物の界面挙動は平衡状態すなわち結合状態になったと判断できる。
【００５９】
具体的には金属表面上における有機被膜化合物に関する界面構造平衡状態モデルから、金属表面と有機被膜化合物の化学結合座標を算出し、金属表面上における有機被膜化合物に関する化学結合部位を決定する。
【００６０】
その金属表面と有機被膜化合物に関する化学結合部位について、金属表面と有機被膜化合物との原子間の結合距離が、結合している状態において電子顕微鏡などで測定され、または物理化学的に算出される距離（例えば１〜５Å）を超えるか、または越えない条件を設定することにより、化学結合モデル及び化学結合を有さないモデルを構築する。
【００６１】
それら化学結合モデル及び化学結合を有さないモデルに関し、分子動力学計算を実行する。その際、分子動力学法の計算条件設定として、圧力・温度・構成エネルギー等の計算条件を設定し、時系列変化による構築モデルの挙動を計算し、平衡状態になるまでの分子動力学計算を実行する。
【００６２】
得られた金属表面−有機被膜化合物界面に関する化学結合モデル及び化学結合を有さないモデルそれぞれについて、平衡状態時の系の全エネルギーＥ１、Ｅ２を計算し、それらの差分エネルギーＥ＝Ｅ２−Ｅ１から接着力を算出する。
【００６３】
以上の工程から基材と被膜の数値的解析データとして算出される情報をまとめてみると、▲１▼基材と皮膜の分子構造情報（単体分子構造、結晶構造、原子座標データ、分子量、分子構造可視化データなど）、▲２▼基本物性データ（分子力学による構造最安定化計算実行後の分子構造エネルギー値）、▲３▼周期境界条件モデル形成による分子動力学計算結果（温度・圧力変化による物性データ）、▲４▼分子動力学法による金属などの基材表面における被膜形成挙動解析結果、▲５▼分子動力学法による金属などの基材表面における被膜の接着力などである。
【００６４】
図１に示したように、これらのデータは、研究・調査対象の有機被膜化合物ごとにフォルダなどに収容し、すなわち種別に分類された状態でコンピュータのメモリやハードディスクその他の記憶装置に集約して記憶され、かつデータベースとして蓄積され、前記の入力装置から所定の特性値などをデータとして要求することにより、または予め設定されたプログラムに従って自動的に出力装置から可視データとして出力される。
【００６５】
入力装置から所定の特性値などをデータとして要求する場合の項目としては、基材の金属の種類、温度条件、接着強度、分子構造、置換基の種類などが挙げられる。
【００６６】
なお、作成されたデータベースは、随時に得られた情報が追加できる状態であるから、これに実験データ（実測値）が追加されることにより、計算値と実測値の比較が可能となり、計算値データのうち実測値に近く信頼性の高いデータのみを選択することもできる。
【００６７】
【実施例】
分子設計支援技術による金属表面における有機被膜形成に関する挙動解析および接着力の数値解析およびそのデータベース化を実施するにあたり、コンピューターシミュレーションの対象とする物質として、金属をマグネシウム（Ｍｇ）とし、有機被膜化合物についてはトリアジンチオール化合物を採用し、ＳＧＩ社製のコンピューター「Ｏｃｔａｎｅ」「Ｏｒｉｇｉｎｅ２０００」で市販ソフトウェア「Ｃｅｒｉｕｓ２」（アクセルリス（Ａｃｃｅｌｒｙｓ）社製）を用い、基材と被膜の設計条件を入力装置（キーボード）から入力した。物性値に関してはインターネット経由で公開されているＷＷＷ上の値（例えばＣＡＳ）に記載されている物性値を入力した。
【００６８】
因みに、トリアジンチオール化合物は、有機被膜として金属表面に数〜数十ｎｍ（ナノメートル）の厚さで、金属表面の耐食性、耐候性、撥水性等の性能を付与する物質である。
【００６９】
次いで、分子力学法及び分子動力学法シミュレーションを行なう場合に、前記ソフトウェアに既定の各種条件設定パラメータを用い、下記の化１の一般式で示されるような有機被膜化合物（トリアジンチオール化合物）の基本モデル（具体例を化２の５つの式で示した。）を、分子設計支援技術を用いたコンピューターシミュレーション上で構築した。
【００７０】
【化１】
2004332070.tif 000003
【００７１】
【化２】
2004332070.tif 000004
【００７２】
この有機被膜化合物（トリアジンチオール化合物）について、分子力学法を用いたシミュレーション計算により、基本となる分子構造のエネルギー的に低い状態、つまり分子構造（分子内の構造配置）に関して実際に存在しうる状態に関する計算を実行した。
【００７３】
その際に、原子の持つ特性や分子を形成する時における原子同士の結合に関し、実験から得られた経験的条件（原子量・原子半径・結合次数・原子間結合距離等）を設定するためのパラメータとして、市販ソフトウェア「Ｃｅｒｉｕｓ２」（Ａｃｃｅｌｒｙｓ社製）で付属するものを用いた。
【００７４】
マグネシウム（Ｍｇ）の金属表面については、図４〜６に示すように、マグネシウム表面が空気中で自然酸化状態にある酸化マグネシウム（ＭｇＯ）について、前記の分子設計支援技術を用いたコンピューターシミュレーション上で、原子（金属）層（Ｙ方向厚さ）を３層以上とした周期境界モデルを構築した。
【００７５】
ここでは酸化マグネシウム（ＭｇＯ）の金属表面モデルの大きさは、前述の有機被膜化合物（トリアジンチオール化合物）の分子力学法を用いたシミュレーション計算により、基本分子構造の低エネルギー状態、つまり分子構造（分子内の構造配置）が実際に存在しうる状態であるように計算された基本モデルについて、その分子構造の最大長（例えば化２ではｄ０で示した。）の２．５倍以上となる幅（ＸＺ方向）（図６中に幅ｄで示した。ｄ≧２．５ｄ０）となるように金属表面を形成した。
【００７６】
次に酸化マグネシウム（ＭｇＯ）の空気中における表面状態モデル（酸化マグネシウム（ＭｇＯ）格子定数４．２１Å）についての分子力学法を用いたシミュレーション計算により、基本となる分子構造の低エネルギー状態、つまり分子構造（分子内の構造配置）に関して実際に存在しうる状態であるように計算を行なった。この場合も、実験から得られる経験的条件（原子量・原子半径・結合次数・原子間結合距離等）を設定し、そのときのパラメータとしては、市販ソフトウェア「Ｃｅｒｉｕｓ２」（Ａｃｃｅｌｒｙｓ社製）の既定のものを用いた。
【００７７】
また、周期境界条件モデルを形成する際、ＸＹ方向における金属表面モデルの相互作用の影響を排除すると共に、有機被膜化合物の挙動に影響の無いほどの充分に広い空間を確保するように金属表面上の真空層（ＬＶａＣ）を形成した。
【００７８】
図７に示すように、金属表面上の真空層（ＬＶａＣ）の厚さは、分子設計支援技術を用いた分子動力学計算により経験的に算出されるが、通常、金属表面厚さの数倍（例えば２〜６倍）以上の厚さの真空層を形成することが好ましく、その条件を適用した。
【００７９】
次に、図８に示すように、金属表面上に有機被膜化合物１分子を配置した。その配置方法としては、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）における有機被膜化合物（トリアジンチオール化合物）との化学結合が形成されると考えられる空間座標に配置し、これを初期配置とした。
【００８０】
すなわち、酸化マグネシウムのマグネシウム（Ｍｇ）原子上に有機被膜化合物（トリアジンチオール化合物）を配置すると、そのチオール基（−Ｓ基）は、酸化マグネシウムの上方約１．５Å（オングストローム）以上の距離まで接近し、トリアジンチオール化合物は金属表面（ＸＺ面）に垂直（Ｙ方向）に配置された。
【００８１】
このようにして初期配置モデルを形成した後、前記プログラム上で分子動力学計算を実行した。分子動力学計算を実行する上での計算条件としては、酸化マグネシウム表面におけるトリアジンチオール化合物の挙動解析に関し、以下のような条件を付与した。
【００８２】
まず、金属表面上での有機被膜化合物の平衡状態を得るために十分な繰り返し計算回数６００００ｓｔｅｐｓを設定した。そして、平衡状態モデルであると判断する数値基準として、系の全エネルギーが一定値に収束することで判断した（図９と同じ）。
【００８３】
ここでいう全エネルギーとは、分子動力学計算によって得られる系全体（金属表面−有機被膜化合物）のエネルギーのことである。
【００８４】
図９に示すように、この実施例においては、およそ６００００回（ｓｔｅｐｓ）以上であれば、ほぼ平衡状態に達するので、好ましい計算回数であることが判明した。このような分子動力学計算における適当な繰り返し計算回数は、予備計算を実行した後、系における総原子数に関連させて決定すればよい。
【００８５】
これら算出された系全体（金属表面−有機被膜化合物）における周期境界条件を付加した分子の集合体（基本セル）モデルに関し、時間に対する粒子（原子・分子）の位置と速度等の情報において、分子構造全エネルギー値（＝金属表面の周期境界モデルのポテンシャルエネルギー値−有機被膜モノマーモデルのポテンシャルエネルギー値）について、時間に伴う変化が無くほぼ一定値に収束した値を確認した。
【００８６】
このとき、系の全体（金属表面−有機被膜化合物）における周期境界条件を付加した分子の集合体（基本セル）モデルに関して、構築された周期境界条件の基本セルの原子・分子位置に平衡化が行なわれ、被膜と金属は結合状態にあると判断された。
【００８７】
以上のようにして得られた分子動力学計算による金属表面上の有機被膜化合物の軌跡データ（トラジェクトリーファイル）を分析し、空気中のマグネシウム金属表面におけるトリアジンチオール化合物の挙動に関し、酸化マグネシウム表面における平衡状態に達する際のジオメトリデータ（座標データ）を得ることができた。
【００８８】
また、図１０は、得られた空気中のマグネシウム金属表面におけるトリアジンチオール化合物の平衡状態のジオメトリデータ（座標データ）により、酸化マグネシウム上のトリアジンチオール化合物の化学結合の形成位置データを示すコンピュータシミュレーション画像（Ｃｅｒｉｕｓ２のビジュアライザー）であり、化学結合を形成する位置を結合部位として金属表面からの距離および結合原子を算出して示した。
【００８９】
次に、図１１、図１２に示すように、酸化マグネシウム表面上においてトリアジンチオール化合物が化学結合を形成すると考えられる位置（結合部位・金属表面からの距離・結合原子）で、化学結合を有するモデル（図１１）と化学結合を有さないモデル（図１２）を構築し、コンピュータシミュレーション画像（Ｃｅｒｉｕｓ２のビジュアライザー）で示した。
【００９０】
各図のモデルを構築する際に、分子動力学計算を実行する上での計算条件として、酸化マグネシウム表面におけるトリアジンチオール化合物の結合力評価方法に関し、以下のような条件とした。
【００９１】
すなわち、金属表面上での有機被膜化合物の平衡状態を得るために十分な繰り返し計算回数を設定すること、平衡状態モデルであると判断する数値基準として、系の全エネルギーが一定値に収束することで判断すること、および全エネルギーとして、分子動力学計算によって得られる系全体（金属表面−有機被膜化合物）のエネルギーとすることが解析する際に好ましい設定条件である。
【００９２】
分子動力学計算における繰り返し計算回数については、予備計算を実行したのち、系における総原子数に影響するが、実施例においては、およそ６００００回数（ｓｔｅｐｓ）以上とし、これによりほぼ平衡状態に達した。
【００９３】
また、得られた系の全エネルギーに関し、以下のような関係式により、金属表面における有機被膜化合物の界面結合力を算出した。
Ｅａｄｓ＝Ｅｂｏｎｄ−Ｅｎｏｎｂｏｎｄ
（ただし、式中は、Ｅａｄｓ：結合エネルギー（ｋｃａｌ／ｍｏｌ）
Ｅｂｏｎｄ：化学結合モデルの全エネルギー  （ｋｃａｌ／ｍｏｌ）
Ｅｎｏｎｂｏｎｄ：化学結合無しモデルの  全エネルギー  （ｋｃａｌ／ｍｏｌ）である。）
【００９４】
以上により、酸化マグネシウム表面におけるトリアジンチオール化合物に関する界面結合力エネルギー値からみた接着力は、以下の表に示すように算出された。
【００９５】
【表１】
2004332070.tif 000005
【００９６】
以上のようにして算出された接着力、およびそれ以外の基材と被膜の数値的解析データについては、得られる都度にプログラム内のデータベース用フォルダ上に記憶させるようにプログラムし、得られた温度条件、置換基などのデータは全て被膜または基材の分子構造ごとに分類した。
【００９７】
このようにして金属表面における有機被膜化合物に関する界面接着性に関し、分子設計支援技術によるコンピューターシミュレーションによる結合力の数値解析を行ない、これをデータベース化することができた。
【００９８】
このようにしてデータベース化された基材と被膜の分子構造と結合状態に関する数値的解析データは、入力装置の指令により必要なデータが迅速に抽出されて出力装置から読み出すことができるものであった。
【００９９】
【発明の効果】
この発明は、以上説明したように、分子設計支援技術に基づいて有機被膜と基材との結合状態をコンピューターシミュレーションによって調べる際に、解析対象とする有機被膜と基材の設計条件を入力する入力装置と、分子設計プログラムおよびシミュレーションプログラムからなる数値計算・解析装置と、データ蓄積・抽出装置と、出力装置を備えた解析システムであるので、金属などの基材表面上に有機被膜を実際に形成した場合の基材と有機被膜の接着強度などのデータを、迅速かつ正確に得る有機被膜の基材結合性解析システムになるという利点がある。
【０１００】
すなわち、この発明によれば、金属などの基材表面における有機被膜形成過程の界面における接着性や密着性をコンピューターシミュレーションによって調べる際に、短時間で効率よく計算できるようになり、特に基材と有機被膜の接着強度などのデータを迅速かつ正確に算出できるようになって、開発コストを低減できる高信頼性の有機被膜の基材結合性解析システムになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】発明の実施形態を示す有機被膜の基材結合性解析システム機能のブロック図
【図２】発明の実施形態を示す解析システムの流れ図
【図３】金属の周期境界モデルを説明する模式図
【図４】酸化マグネシウムの周期境界モデルを立体的に説明する模式図
【図５】酸化マグネシウムの周期境界モデルのＹ方向の厚みを説明する模式図
【図６】酸化マグネシウムの周期境界モデルのＸＺ面方向の原子配列を説明する模式図
【図７】酸化マグネシウムの周期境界モデルを重ねて立体的に説明する模式図
【図８】トリアジンチオール化合物の酸化マグネシウム上の配置を説明する模式図
【図９】系の全エネルギーと計算回数との関係を示す図表
【図１０】酸化マグネシウム上のトリアジンチオール化合物の化学結合状態を示す模式図
【図１１】酸化マグネシウム上のトリアジンチオール化合物の化学結合状態を示す模式図
【図１２】酸化マグネシウム上のトリアジンチオール化合物の非結合状態を示す模式図
【図１】
2004332070.tif 000006
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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