第 1 回ソフトマテリアル工学
シミュレーション討論会
2023 年 3 月 9 日(木)-10 日(金)兵庫県立大学 神戸情報科学キャンパス

ソフトマテリアル工学
シミュレーション研究会

第1回ソフトマテリアル⼯学シミュレーション討論会 @ 兵庫県⽴⼤学 神⼾情報科学キャンパス
１⽇⽬（3/9）

時間

名前

所属

12:30

タイトル
(開場)

13:00 荒井規允

慶應義塾⼤学

(開会)

特別講演A

13:05 伊藤省吾

兵庫県⽴⼤学⼤学院

⾮真空・印刷プロセスによるペロブスカイト太陽電池

1

14:00 杉澤宏樹

三菱ケミカル株式会社

分⼦動⼒学法による⾼分⼦のガラス転移点に関する研究2

14:20 佐藤碧海

慶應義塾⼤学⼤学院

架橋点間分⼦量に着⽬した半経験的パラメータに依存しない架橋ゴム構造の分⼦シミュレーション

3

14:40 ⼭⼝晃寛(株)⽇⽴製作所, 慶應義塾⼤学 分⼦動⼒学シミュレーションを⽤いた⽣分解性ポリエステル/TPSブレンドの界⾯密着性に関する検討

15:00
15:10 ⼩林祐⽣

5

15:30 Kosar Khajeh University of Hyogo

A digit hydraulic fluid; from field challenges to a multiscale simulation

6

15:50 古市謙次

積層型繊維強化プラスチックのレオロジー

慶應義塾⼤学荒井規允

東洋紡株式会社

両親媒性パッチ粒⼦の⾃⼰集合と粘性挙動

16:10(ポスター)

17:00

(閉場)

時間

⼭⼝ 哲⽣

(休憩)

4

2⽇⽬（3/10）

座⻑

名前

所属

8:30

タイトル

牧野真⼈

座⻑

(開場)

特別講演B

9:05 瀬⼾亮平

中国科学院⼤学温州研究院

濃厚懸濁液の⾮⼀様流動

710:00 岡本隆⼀

兵庫県⽴⼤学

電解質溶液の粗視化理論

8

10:20 尹廣洲神⼾⼤学Effects of scission of flexible polymers on elastic instability in multiple planar contraction-expansion channels 杉澤宏樹

9

10:40 ⼤友涼⼦

関⻄⼤学

疎密のある粒⼦層中を移動するマイクロ微粒⼦挙動のシミュレーション

⼤学院

鷲津仁志

11:00
10

11:10 牧野真⼈

三菱ケミカル株式会社

カニ⽳のシミュレーション

11

11:30 ⼭⼝哲⽣

東京⼤学⼤学院

樹⽪のパターン形成メカニズム1211:50 荒井規允

慶應義塾⼤学“機械学習”×”分⼦シミュレーション” ~実験不要な製品開発に向けて~

12:10 鷲津仁志

兵庫県⽴⼤学⼤学院

(閉会)

12:15

(閉場)

⼩林祐⽣

非真空・印刷プロセスによるペロブスカイト太陽電池
兵庫県立大学 大学院工学研究科 材料・放射光工学専攻 伊藤 省吾
2009 年に日本人（桐蔭横浜大学・宮坂力教授の研究グループ）により開発された有機鉛
ヨウ素（CH3NH3PbI3）ペロブスカイト太陽電池は，変換効率が 25%を超え，印刷プロセス
で安価に製造できるという事で非常に注目を浴びている．ペロブスカイトは立方晶を基準とした 3 元系材料結晶構造の名前であり，有名なものは CaTiO3 や BaTiO3 のような酸化物
であり，それらは一つの+2 価イオン（Ca2+, Ba2＋）と一つの＋４価イオン（Ti4+）と三つの－2 価イオン（O2－）でチャージバランスを取った結晶である．それに対し，太陽電池の光吸収材料と使用される CH3NH3PbI3 ペロブスカイト結晶は，一つの+1 価イオン（CH3NH3+）と一つの＋2 価鉛イオン（Pb2+）と三つの－1 価ハロゲンイオン（I－）でチャージバランスをとっている．それぞれのイオンを少しずつ他の材料に入れ替えていく事で，非常に多くの
バ リ エ ー シ ョ ン が 可 能 で あ り ， 最 高 効 率 の ペ ロ ブ ス カ イ ト 結 晶 は ， formamidinium(NH2CHNH2+: FA+)を使用した FAPbI3 に methylenediamine (CH2(NH3)+2)と K+(カリウム)を加えたものが使用されている．上記の有機鉛ヨウ素ペロブスカイト太陽電池の問題点の一つとしては，大気中の水分に対して非常に弱く，PbI2 を中心とした黄色の結晶に変化してしまう事に有る．その為に，高性能ペロブスカイト太陽電池の作製にはグローブボックスやドライルームを使用した作製環境が必要である．また作製された太陽電池の環境耐久性も非常に低く，パッケージをすることで耐久性を向上させることが非常に重要な研究開発のポイントになっている．もう一つの問題点としては，太陽電池を構成する為に光吸収層である有機鉛ヨウ素ペロブスカイト結晶層を電子と正孔を引き抜くための電子輸送層と正孔輸送層でサンドイッチする必要があるが，電子輸送層に使われるフラーレンや PCBM，および正孔輸送層に使用される SpiroOME-TAD などが非常に高額であることがあり，さらに背面電極には真空蒸着による金や銀の貴金属電極が使用されている．それぞれが高額な材料であると共に，その有機半導体キャリア移動材料が酸素や水と反応し，背面電極の金や銀がペロブスカイト結晶材料のヨウ素と反応する為に，さらに耐久性が下がる原因となっている．これらの問題を解決する為に，有機半導体キャリア移動材料と背面電極の機能を兼ねそろえたカーボン材料を基盤とした，完全非真空・印刷プロセスによる「多孔質多孔質電極型ペロブスカイト太陽電池 (multi-porous-layered-electrode perovskite solar cell: MPLEPSC )」が開発され，兵庫県立大学では，企業との共同研究により，屋外 20 年保証と言われる高温高湿試験 (85℃-85%RH) で 3000 時間の耐久性を確認し，現在では実用化に向けた研究開発に邁進している．本発表では，ペロブスカイト太陽電池作製にまつわる種々薄膜
作 製 プ ロ セ ス （ ス プ レ ー 熱 分 解 積 層 [splay-pyrolysis deposition] ， 化 学 液 相 堆 積 法[chemical-bath deposition]，スクリーン印刷[screen printing]，スピンコーティング[spincoating]など）を紹介し，高効率太陽電池作製の為の議論をすすめたい．

分子動力学法による高分子のガラス転移点に関する研究(三菱ケミカル株式会社 Science & Innovation Center）杉澤宏樹

データ駆動型材料開発技術において「データの質や量」は極めて重要であり、ハイスルー
プットスクリーニング（HTS）技術を活用して高品質で大量のデータを自動生成することに注目が集められている。HTS 技術は 1990 年代以降製薬業界を中心に実験自動化の文脈で進められてきたが[1]、近年では、計算機性能の向上に伴う計算データベースの構築も進められるようになり、現在では、バンド計算[2]や量子化学計算[3]、分子動力学計算[4]による様々なデータベースにアクセス可能である。ただし、高分子ガラス材料は低分子や結晶と異なり構造と物性とが一対一対応していないためにデータベース構築が遅れているようである（我々が認識している限りでは、計算データとして密度[5]やガラス転移点[6]、実験データとして PolyInfo、Bicerano[7]）。したがって、本講演では人的/時間的コストの大きい実験による HTS ではなく、スーパーコンピュータを活用したシミュレーションによるハイ
スループットシミュレーション技術構築の可能性について議論する。
高分子ガラスのシミュレーションを困難にしている原因はガラスの特異性にあり、例えば、降温速度依存性、分子量依存性、初期値依存性、力場依存性などがあげられる。特に降温速度は実測と比較しておよそ 1013 倍速くせざるを得ないためその影響を無視することはできない[8]。降温速度 γ に対する経験式[9]𝑇𝑔 (𝛾) = 𝑇0 − 𝐴/ ln 𝐵𝛾を活用することで実測とシミュレーションを接続する試みもあるが[10]、定数𝐴と𝐵は高分子固有の値を持つので画一的な補正は難しい。ここで、𝑇0は降温速度無限小におけるガラス
転移点である。これらの理由から一般的に高分子の正確なガラス転移点をシミュレーショ
ンで求めることはできないと考えられているが、各論的議論にとどまっており、幅広いガラス転移点を持つ高分子について降温速度依存性を広く調べた研究は報告されていない。したがって、本研究では高分子のデータ駆動材料開発を目指し、単独では意味をなさないが大量に収集することで統計的に意味をもつような高分子ガラスデータについて議論する。また、そのようなデータを収集するための効率的なシミュレーションアルゴリズムについて考察する。
[1] R.P. Hertzberg and A.J. Pope, Curr. Opin. Chem. Biol. 4, 445 (2000). [2] W. Setyawan and S. Curtarolo, Comput.
Mater. Sci. 49, 299 (2010), pp. 299. [3] A. Jain, G. Hautier, C.J. Moore, S.P. Ong, C.C. Fischer, T. Mueller, K.A. Persson,
and G. Ceder, Comput. Mater. Sci. 50, 2295 (2011). [4] M.J. Harvey and G. De Fabritiis, Drug. Discovery Today 17, 1059
(2012). [5] Y. Hayashi, J. Shiomi, J. Morikawa, and R. Yoshida, arXiv:2203.14090 (2022). [6] M.A.F. Afzal, A.R. Browning,
A. Goldberg, M.D. Halls, J.L. Gavartin, T. Morisato, T.F. Hughes, D.J. Giesen, and J.E. Goose, ACS Appl. Polym. Mater.
3, 620 (2021). [7] J. Bicerano, Prediction of Polymer Properties (Marcel Dekker Inc., New York, 1996). [8] J. Buchholz,
W. Paul, F. Varnik, and K. Binder, J. Chem. Phys. 117, 7364 (2002). [9] L. H. Sperling, Introduction to Physical Polymer
Science (John Wiley & Sons, Ins., New York, 1992). [10] A. Soldera and N. Metatla, Phys. Rev. E, 061803 (2006).

架橋点間分⼦量に着⽬した半経験的パラメータに依存しない架橋ゴ
ム構造の分⼦シミュレーション(慶應義塾⼤学⼤学院）佐藤碧海*、安⽥⼀希(慶應義塾⼤学) ⼩林祐⽣、荒井規允、泰岡顕治
ゴムは⾼い弾性を持つ⾼分⼦であり，これまでに材料科学や医療材料等の分野で幅広く利⽤されている．現在，合成ゴムは架橋構造により弾性，耐熱性，耐摩耗性などの特性を向上・制御しており，その構造や物性を解明することは重要な課題となっている．そのため、近年では全原⼦分⼦動⼒学シミュレーションを⽤いたゴム物性の解明が⾏われている．しかし通常のシミュレーションにおいては分⼦間の結合・解離を考慮せず，相互作⽤についてのみ
計算が⾏われるため合成ゴムの構造を再現することは困難である．
そこで現在，シミュレーション上でゴムの架橋構造を再現するために様々な架橋プログラムが提案されているが，その多くにおいて分⼦種毎に半経験的なパラメータを⽤いる必要がある．このように，ゴムの分⼦種によって適切なパラメータをその都度変更しなければならず，統⼀された基準による架橋⼿法が望まれている．
よって本研究では架橋点間の平均分⼦量を基準とすることで，半経験的なパラメータに依らない架橋⼿法の提案を⾏う(図 1)．架橋点間の平均分⼦量は，架橋剤の⽐率とゴムの重合度から算出できるパラメータであり，定量的に架橋構造を作成することが可能である．本研
究成果は，材料科学における製品開発のための重要なシミュレーションモデルの確⽴に貢献すると期待される．

■ Cross-linking method

図１. Cross linking method の概略図

分⼦動⼒学シミュレーションを⽤いた
⽣分解性ポリエステル/TPS ブレンドの界⾯密着性に関する検討⼭⼝晃寛((株)⽇⽴製作所 研究開発グループ，慶應義塾⼤学⼤学院 理⼯学研究科）
荒井規允(慶應義塾⼤学 理⼯学部）
1. 緒⾔

海洋プラスチック汚染などの環境問題が深刻化するなか，環境に配慮したバイオプラス
チックの利⽤が拡⼤している 1)。特にポリ乳酸（PLA）やポリブチレンサクシネート（PBS）などの⽣分解性ポリエステルは容器包装材や⽇⽤品などのシングルユース品に適⽤が増えている。⼀⽅，これらは⽯油系プラスチックに⽐べて⾼価格であるため，低価格な熱可塑性でんぷん（TPS）を添加する⽅法が検討されている 2)。ポリエステルと TPS のブレンドでは相分離界⾯の密着性が機械特性に⼤きな影響を及ぼすため，本研究では代表的な⽣分解性ポリエステル（PLA，PBS）と TPS ブレンドの密着状態を分⼦動⼒学シミュ
レーションにより検討した。
2. ⽅法

PLA-TPS および PLA-PBS-TPS 相分離界⾯の全原⼦モデルを作成し，単軸引張シミュレーションにより破壊挙動を調べた。シミュレーションは LAMMPS3)により実⾏した。引張⽅向の応⼒とひずみを逐次出⼒し，応⼒-ひずみ曲線の⾯積から破壊エネルギーを計算した。
3. 結果と考察

応⼒-ひずみ曲線を Figure 1 に，εxx = 2.3 時点のスナップショットを Figure 2 に⽰す。
PLA-TPS ではεxx = 2.3 にて PLA と TPS の界⾯が剥離しているが，PLA-PBS-TPS では同
じひずみの時点で剥離がなく，PBS がフィブリルを形成していた。また， 応⼒-ひずみ曲線の⾯積から算出した PLA-PBS-TPS の破壊エネルギーは PLA-TPS の約 1.7 倍となった。
PLA-PBS-TPS が⾼い破壊エネルギーを⽰したのは，PBS が PLA，TPS 両分⼦に対して⾼い親和性を有することが要因であると考えられる。

Figure 1. Stress-strain curves andsnapshots of tensile simulations.

Figure 2. Snapshots of fracture simulations at εxx =2.3;(a) PLA-TPS and (b) PLA-PBS-TPS interfaces.

4. 結論

PBS が PLA，TPS 両分⼦と強固に密着することで，PLA-PBS-TPS は⾼い破壊エネルギーを⽰した。したがって，各成分間の密着性を考慮して構造を制御することが，⽣分解性
ポリエステル/TPS ブレンドの機械特性を向上するうえで重要と考えられる。
1) Kumar, R.S., et al; Curr. Opin. Green Sustain.Chem. (2020), 21, 75-81.
(2021), 1-17.

3) Plimpton, S., et al; J. Comput. Phys. (1995), 117, 1-19.

2) Villadiego, K.M., et al; J. Polym. Environ.

両親媒性パッチ粒⼦の⾃⼰集合と粘性挙動(慶應義塾⼤学）⼩林祐⽣、荒井規允(Johannes Gutenberg University Mainz) Arash Nikoubashman
コロイド分散液とは，コロイド粒⼦（微粒⼦）が液体（溶媒）中に分散したものを指し，
⾷品・塗料・化粧品・セメント等，多くの製品に使⽤されている．製品としての品質はもちろんのこと，製造・加⼯プロセスおよび製造設備の設計においても流動特性を把握しておくことが必要となる．コロイド分散液の粘度を制御するためには，それら流体の内部構造を予測・制御することが重要である．コロイド粒⼦の⾃⼰集合を制御するための⼀般的な⽅法として，粒⼦の形状や化学的な相互作⽤デザインすることが挙げられる．そのようにデザインされた異⽅性粒⼦の系では，圧⼒や濃度等の熱⼒学的状態に依存して規則的な相と不規則な相の相変化が起こり，その集合形態に伴い物性の急激な変化が観察される．
パッチ粒⼦は 1 つの粒⼦の中に 2 つ以上の異なる表⾯を有する特殊な粒⼦を指す．パッチ粒⼦系では異なる粒⼦表⾯によって，等⽅性粒⼦では観察されない複雑な構造やその条件が発⾒されている．この⼗数年で実験・シミュレーション問わず，パッチ粒⼦系では，表⾯異⽅性に起因する様々な複雑な⾃⼰集合過程や構造が確認されているにも関わらず，その複雑な⾃⼰集合構造と物性の関係性は明らかになっていない．これは実験の側⾯からは，
サイズ・形状を制御しながらパッチ粒⼦を量産することや⾮平衡現象の観察が困難な点，シミュレーションの側⾯からは空間・時間スケールの制約が課題となっていたためである．
そこで本研究では，粒⼦間の流体⼒学的相互作⽤を取り込むことができる多粒⼦衝突動⼒学法(multi-particle collision dynamics, MPCD)と分⼦動⼒学法(molecular dynamics, MD)を組み合わせた MPCD-MD ハイブリッドシミュレーションにより，せん断流れ下におけるパッチ粒⼦分散液の粘度を調べ，⾃⼰集合構造との関係性の解明に取り組んだ．
平衡状態において，パッチ粒⼦の⾃⼰集合構造を観察したところ，体積分率やパッチ粒⼦のデザインに応じて，様々な構造が得られた．例えば親⽔半球と疎⽔半球を伏せ持つ球状
1 パッチ粒⼦の場合，低体積分率においては棒状のクラスターが現れ，体積分率を増加させるにつれて⾍状，それらが複雑に絡み合ったネットワーク構造が形成された．
得られた⾃⼰集合構造にせん断流れを与え，構造の変化及びそれに伴う分散液の粘度との関係性を調べた．前述した，ネットワーク構造にせん断流れを与えた場合，⼩さいせん断速度でネットワーク構造から⾍状クラスターへと変形し，その後せん断速度が⼤きくなる
につれ球状クラスターを経て，最終的にクラスターは完全に破壊された．このとき，クラス
ターの変形に伴い，⼆度 Shear-thinning 現象が観察された．さらに興味深いことに，これらの粘性挙動はパッチ粒⼦同⼠が形成する平均会合数によって整理できることが分かった．

Hydraulic fluids: From field challenges to multiscale simulation
Kosar Khajeh, Graduate School of Information Science, University of Hyogo
Hitoshi Washizu, Graduate School of Information Science, University of Hyogo
Alternative additives are being used to prepare a new generation of lubricants to reduce
frictional and wear-related losses. Viscosity modifiers, high-molecular-weight polymers,change lubricating oil viscosity. Characterizing polymer dynamics in solutions helps makebetter hydraulic fluids and lubricants. Modern computer methods and processing facilities
encourage hybrid models for multiscale simulation of the rheology and tribology phenomena.
Because of the considerable time and length scale differences in modeling the continuous
phase (solvent) and polymer (solute), the hybrid model using the Lattice-Boltzmann method(LBM) and Langevin dynamic model is introduced in this study as an efficient modelingtechnique. The former is a straightforward computational method for simulating NavierStokes equation-governed fluid motion, while the latter is powerful for modeling semi-flexible
chain dynamics. A coarse-grained bead-spring model represents the polymer molecule as afinite chain. In this work, harmonic springs connect identical spherical particles with aparticular radius and mass. The Langevin equation represents Brownian particle motion withconservative forces, a stochastic term, and hydrodynamics drag force (Stokes flow over the
sphere). The flexible model with bond and dihedral terms in the intramolecular potential andnonbonded Lennard-Jones and Coulomb interactions are considered in the conservative term.
Hydrodynamic drag is used as a momentum source throughout the governing equation of thecontinuous phase. The force convective heat transfer between fluid and particles is employed
as a source term in the energy equation for fluid flow.
A cubic simulation box with n chains has been used to perform simulation experiments. For atypical oil like dodecane, density, and viscosity have been considered constant.
Conformational data (average radius of gyration and center of mass movement) and flow field
velocity and temperature helped explain the hydro-thermal behavior of polymers. The hybridalgorithm has been implemented in Fortran.
This study is the first step in understanding polymer-modified digital hydraulic fluid behavior
and can be used in applications where macromolecule additives affect host solvents in naturaland artificial processes.

繊維強化樹脂テープ積層体のレオロジーと成形シミュレーション
東洋紡（株）板倉大輔，石原遼一，○古市謙次
東レエンジニアリングＤソリューションズ（株） 百濟彰（国研） 海上・港湾・航空技術研究所 松尾剛
CTT（Chopped fiber Tape layered Thermoplastic CFRP）は，図 1 に示すように熱可塑性樹脂であるポリプロピレンと不連続炭素繊維を複合したテープの積層体である． CTTの成形にはスタンピングなどの圧縮流動が利用されている．一般的に，CFRP の成形性
は，繊維含有率が高いと繊維の干渉により著しく損なわれる．しかし，CTT は繊維含有率
が 50vol.%と非常に高いにも関わらず, 優れた成形性を有する．

図1

CTT の概要

CTT は成形時に，構造(積層面内／面外)と流動様式（せん断／伸長）に応じて，異方的な流動挙動を示す．さらに，CTT などの積層体は成形時において，金型壁面近傍で低粘度の潤滑層を形成するとされている．潤滑層の存在により, 積層体の流動は壁面で滑りが発生したような状態となる．この潤滑層の形成は，CTT の持つ優れた成形性の要因の一つと考えられている．
CTT を用いた製品設計の効率化には，圧縮成形シミュレーションの利用が必須となる．
その際には，CTT の異方的な流動挙動と金型壁面における潤滑層の再現が要求される．そこで我々は本研究において，CTT の異方性を考慮した粘度モデルを構築した．この粘度モ
デルは，圧縮成形シミュレーションにおいて潤滑層の再現に成功したので概要を報告する．
参考文献
1) 板倉大輔 他，成形加工’22, F101 (2022)
2）板倉大輔 他，第 70 回レオロジー討論会, 1C02 (2022)3）特開 WO2022/255380（PCT/JP2022/022190）

濃厚懸濁液の非一様流動
瀬戸亮平

Wenzhou Institute, University of Chinese Academy of Sciences
懸濁液のレオロジーは非常に古くからある問題である。懸濁液を理想化すると無数の剛体球がニュートン流体に分散しているという極めて単純な系になる。流体力学的な観点から考えると、粒子の表面は流体の境界条件に過ぎない。粒子は変形しないが、自由に浮遊しているので、流体にとっては動く境界条件である。粘弾性流体のように変形してエネルギーを貯める自由度がないので、懸濁液を粘性流体とみなすのが自然である。

しかし、懸濁液の粒子体積分率を上げていくと、粘性流体と思えない複雑な挙動が現れる。粘度は剪断速度に依存するだけでなく、通常は正の値が弾性成分を示唆する第１法線応力差は、基本的に負の値を取るが、体積分率や剪断速度に依存して、正の値を取ることもある。こういった振る舞いを従来の枠組みで説明しようとすることは簡単でなく、多くのレオロジーの研究者を悩ませてきた。

最近の研究は、この粘性流体という常識を破る形で進展し、懸濁液のレオロジーについてのある程度のコンセンサスが得られる状況になってきた。上述のような理想化した流体力学の問題に閉じ籠もらず、接触粒子のメカニクスを考慮することが鍵であった。流体力学観点から構築された
Stokesian Dynamicsに、粉粒体の研究で導入されたDiscrete Element Methodを組み合わせたシミュレーションによって懸濁液の複雑な振る舞いが再現されるようになった[1]。

レオロジーは制御された一様な流動と応力の関係から、物質の特徴を見出す研究であるが、それが分かっても直ちに与えられた境界条件についての流動を予言することができない。懸濁液の流体方程式を導入するための構成則モデルについては、まだ試行錯誤が行われている状況である[2, 3]。

そこで我々は非一様な流動条件で懸濁液がどのように流動するかを理解するために、上述のレオロジーのシミュレーションを拡張した。懸濁液が圧力駆動で流路内を流れる様子を再現し、そのような状況で、懸濁液の粘性流体らしくない部分がどのように現れるのかについて分かってきた。一様な懸濁液が、流路内を流れると共に非一様になる様子を見ることができる。外側から内側への粒子が移動し、中央にplugが形成される。このplugはレオロジーでは粘度の発散を意味するジャミング点よりも体積分率が高くなる。また圧力場と法線応力の関係や、非平衡定常状態に到達できない場合に、不安定性が発生するメカニズムについて議論する。

[1] R. Mari, R. Seto, J. F. Morris, and M. M. Denn. Shear thickening, frictionless andfrictional rheologies in non-Brownian suspensions. J. Rheol., 58(6):1693‒1724, 2014.
[2] C. Ness, R. Seto, and R. Mari. The physics of dense suspensions. Annu. Rev.
Condens. Matter Phys., 13(1):97‒117, March 2022.

[3] M. M. Denn and J. F. Morris. Rheology of non-brownian suspensions. Annu. Rev.
Chem. Biomol. Eng., 5(1):203‒228, 2014.

電解質溶液の粗視化理論
兵庫県⽴⼤学 岡本隆⼀
イオン固有性とは，荷数の等しいイオンが溶液物性に対して異なる影響を与えることを⾔う．溶液バルク・界⾯の熱⼒学から電気伝導・粘性といった動⼒学にわたり様々な場⾯で⾒られ，それらは互いに相関することが⻑い間指摘されているが，そのメカニズムは現在でも活発な研究対象となっている．講演者らはこれらを出来るだけ統⼀的に理解することを⽬標としてシンプルな粗視化理論を発展させてきた．粗視化理論は全原⼦シミュレー
ションなどに⽐べて実験と精緻に⼀致するものではないが，現象の(もし存在するならば)物理的メカニズムのエッセンスを⾒通しよく議論できる．また，(特に希薄な)電解質溶液
は緩和時間や相関距離が⼤きいため全原⼦シミュレーションが⽐較的難しいため，良い粗視化モデルを作ることは実⽤的にも重要である．講演ではこれらの具体的成果である以下の２点を紹介する．
(1) イオン固有と対照的にイオン⾮固有な現象として有名なものに，塩活量係数や浸透係数の Debye-Hückel 則がある; これらの係数は塩希薄の漸近則として，塩濃度の平⽅根に⽐例し，その prefactor はイオン価数が同じならば同⼀となる．反⾯，塩濃度が⼤きいところ(おおよそ 0.05M 以上)では漸近則から離れイオン固有となる．アルカリ⾦属-ハロゲン塩の実験結果から⾒られるイオンサイズ依存性が，⽔とイオンの排除堆積効果および電縮効果の競合の結果として理解できることがわかった [1]．
(2) タンパク質の塩析・塩溶効果の強度でイオンを順位付けしたいわゆる Hofmeister 系列
もイオン固有性の⼀つである．タンパク質は親⽔基や疎⽔基を含む複雑な対象であり，それに対する塩効果を理解するためにはまずはより単純な個々の構成要素に対する塩効果を解明することが肝要である. そこで(1)のモデルを発展させて，疎⽔性溶質(ガス分⼦)の溶解度に対する塩添加効果について(i)1 溶質の溶解度(溶媒和⾃由エネル
ギー)と(ii)2 溶質間相互作⽤(浸透第２ビリアル係数)を調べた[2]．(i)については実験と半定量的⼀致をみた．(ii)についてはこれまでに実験は無いため⽐較はできないが，(i)と(ii)の間の⾮⾃明な相関の近似的表式を得た．アルカリ⾦属ハロゲン塩とメタンガスの溶液の全原⼦分⼦動⼒学も⾏い，この近似的表式が確かに満たされていることを確認した．
時間が許せば，(2)と関連して枯渇相互作⽤や共貧溶媒効果の新しい⾒⽅や，電解質溶液の動⼒学に関する取り組み[3]についても紹介したい．
[1] R. Okamoto, K. Koga, and A. Onuki, J. Chem. Phys. 153, 074503 (2020).
[2] R. Okamoto and K. Koga, J. Phys. Chem. B 125, 12820 (2021).
[3] R. Okamoto, J. Stat. Mech., 093203 (2022).

Effects of scission of flexible polymers on elastic instability in multiple
planar contraction-expansion channels(Kobe University）Guangzhou Yin, Ruri Hidema, Hiroshi Suzuki

Polymer scission refers to the breaking of polymer chains into smaller fragments, which canlead to a decrease in its molecular weight. In our work, flow regimes of diluted polyethyleneoxide solutions pass through 10 interconnected abrupt contraction-expansion channel were
investigated. The experimental results show that polymers were gradually degraded along thechannel. In order to predict the degree of polymers scission and molecular weight in thechannel, we have conducted two dimensional numerical simulations at the same experimental
model by using OpenFOAM. By comparing flow regimes of experiments and simulations, we
can determine the molecular weight of polymer solution in the channel. The simulation results
show that at flow rates of 40, 50, and 60μm/min within the channel, Polymer degradation
occurs more rapidly in the first few units of the channel, with the first scission being the mostsignificant, accounting for almost 30% of the total polymer scission, and then, the degradation
rate of the polymer gradually decreases and tends to ease. Clearly, flow rate has a significant
effect on polymer degradation, with faster flow rates resulting in faster and more complete
degradation of the polymer in the channel. This study will be useful for some applications
where polymers are injected multiple times.

疎密のある粒⼦層中を移動するマイクロ微粒⼦挙動のシミュレーション(関⻄⼤）⼤友涼⼦
液体で満たされた粒⼦層中におけるマイクロ微粒⼦の移動特性は，分離・ろ過プロセス(1)や⽣体内での⾼分⼦の移動(2)など，さまざまな場⾯において必要不可⽋である．マイクロス
ケールの微粒⼦を含む流動現象では，レイノルズ数およびストークス数が極めて⼩さい場
合も多く，このような条件下では流体を介した粒⼦間の流体⼒学的相互作⽤が重要となる．
本研究では，流体⼒学的相互作⽤を考慮した流動場解析が可能である Stokesian dynamics 法(3)を⽤い，粒⼦層中の間隙を並進運動するマイクロ微粒⼦の挙動をシミュレートした．特に層内部で微粒⼦が流体⼒学的相互作⽤により拡がる現象（流体⼒学的拡散）(4)に着⽬し，拡がり挙動を定量化した．
粒⼦層として，⼀様な体積率を有する粒⼦層，および，体積率が局所的に異なる（疎密のある）粒⼦層の 2 種類のモデルを設定した．疎密のある粒⼦層では，粒⼦層中央の⼀部のみ，周囲よりも体積率が低くなっており，微粒⼦が横⽅向（並進⽅向に対して垂直な⽅向）に移動することで疎密の境界⾯を跨ぐ構造とした．粒⼦層体積率は 0.02~0.12 の範囲内でさ
まざまな条件を設定した．
シミュレーション結果から，微粒⼦は粒⼦層を避けながら複雑に運動し，それにより拡がりながら移動する様⼦が観察された．各微粒⼦の位置を進⾏⽅向およびそれに垂直な横⽅向の成分で表し，位置の分散の時間変化を算出することで拡がり挙動を定量的に表した．その結果，⼀様な粒⼦層中では微粒⼦は進⾏⽅向・横⽅向のどちらにも拡がった．これに対し，疎密のある粒⼦層中では横⽅向（疎密を跨ぐ⽅向）に微粒⼦が拡がる場合と集中する場合があるとわかり，特徴的な流体⼒学的拡散挙動が明らかとなった．粒⼦層を通り抜けるのに要する時間を考慮して，流体⼒学的拡散の⼤きさを Dh という指標を⽤いて評価した．Dh は，
単位時間あたりの微粒⼦位置の分散増加量を意味する．特に横⽅向には，微粒⼦群は粒⼦層の疎密に応じて正と負の両⽅の拡がりを⽰した．本結果により，疎密構造と指数 Dh の関係
が，微粒⼦の分離・選別など様々な⼯学的プロセスに応⽤できることが⽰唆された．
参考⽂献(1) Skaug, M. J., et al., ACS Nano, 9(2), 2148–56, (2015).
(2) Ando, T., and J. Skolnick, PNAS, 107(43), 18457–62 (2010).
(3) Brady, J. F., et al., J. Fluid Mech., 195(1), 257–80 (1988).
(4) Guazzelli, E., and J. Hinch, Ann. Rev. Fluid Mech., 43(1), 97–116 (2011).

カニ穴のシミュレーション(三菱ケミカル株式会社）牧野真人
炊飯時において、釜の中で水が下から上がっていく際に通路を作ることがある。この通路を「カニ穴」と呼ばれる。炊きあがった米飯では、カニ穴ができたものが、食味が良いという研究結果がある[1]。
ここでは、重力下(重力加速度𝑔)における２成分流体を考える(図 1)。体積分率𝜙を用いて、２成分を表す。一方の成分の密度𝜌′および粘度𝜂′は、他方の成分の密度𝜌および粘度𝜂
に比べて大きいとする(𝜌′ ≫ 𝜌, 𝜂′ ≫ 𝜂)。システム下方より、速度𝑉を与えることで、パラメータを調整することで、流体が通過する穴が生じる。シミュレーションは、有限体積法
を用いた OpenFOAM[2]に含まれる Volume Of Fluid(VOF)法を用いた interFoam を用いて計算した。
図２は𝜌′/𝜌 = 103, 𝜂′/𝜂 = 105 , 𝑉 2 /(𝐿𝑔) = 1 および𝜎/(𝜌𝑔𝐿2 ) = 103の計算例である。ここで、𝐿, 𝜎は、初期の重い流体の厚さ、および２相の間の表面張力である。
このシミュレーションはカニ穴のモデルとは異なるとの指摘もあると思うが、流体が通り抜ける際に、どのような穴を生じるかの問題として考えたい。

図 2 穴ができたシミュレーション

図 1 シミュレーションのシステム[1] 安松克治、飯田敦 「炊飯について -その 1. 水洗から加熱・むらし操作まで-」 調理科学 18,186 (1995)[2] https://openfoam.org/

樹皮のパターン形成メカニズム(東大院農）山口哲生、上信陽太郎（サンチアゴ・デ・チレ大）F. Melo, J. F. Fuentealba（東大地震研）F. Tapia
樹木の表面に形成される樹皮には，縦割れ（スギ），横割れ（ソメイヨシノ），カール（ダケカンバ）のように，樹木ごとにさまざまなパターン（模様）がみられる．縦割れパ
ターンについては，維管束形成層活動による樹幹の肥大成長に対して，死滅した組織である外樹皮が接線方向の引張応力を受け，軸方向に裂けることで形成される，と理解されてきた．しかしながら，樹皮パターンのバイオメカニクス的観点に基づく研究例は極めて少なく,縦割れ以外のパターン形成メカニズムに対する理解はほとんど得られていない．
本研究では，樹皮パターン形成メカニズムを力学的視点から統一的に理解することを目的として，樹皮の引張/曲げ変形，破壊，および，樹幹からの剥離を記述する物理モデルを開発した．変形，破壊，剥離の駆動力となる，樹幹の半径（周）方向の成長と樹皮の自発曲率の変化との競合を考慮することで，Fig.1 の相図に示されるように，縦割れ，はがれ，カールなど，実際の樹木にみられる多様な樹皮パターンを再現することに成功した．また，それぞれのパターンを生じる力学的条件を明らかにすることができた[1]．

図１：樹幹半径および樹皮自発曲率をパラメータに用いたときの樹皮パターン相図．
参考文献[1] Y. Uenobu, F. Melo, J. F. Fuentealba, F. Tapia, T. Yamaguchi, in preparation.

“機械学習”×”分⼦シミュレーション”~実験不要な製品開発に向けて~(慶應義塾⼤学）荒井規允
⾼分⼦や液晶，コロイド，⽣体分⼦などで構成された材料はソフトマテリアルと呼ばれ，柔らかく外⼒に対し特異な応答を⽰す．我々はこの特異な応答を利⽤することで，さまざまな機能をもった材料を創りだしている．ソフトマテリアルは⽐較的安価で⼤量⽣産が可能であるため，⾝のまわりの多くの製品に⽤いられ，現在の豊かな⽣活に⽋かせないものである．代表的なソフトマテリアルとして⾼分⼦を例に上げると，重合度や分岐，共重合の有無，
混合⽐などによって得られる物性は劇的に異なる．しかし，化学構造と物性とのあいだをつなぐ処⽅箋は多くの場合明らかになっておらず，製品開発はこれまで試⾏錯誤的に⾏われてきた．
ソフトマテリアルの物性予測を分⼦スケールから⾏うことは容易ではない．なぜならば，材料の物性が構成分⼦の化学構造だけでなく，それらが集まって形成される集合構造にも強く影響されるからである（図 1）．したがって，幅広い時空間スケールの現象を把握しなければ，材料としての特性を理解することができない．本講演では，ソフトマター材料に対し，機械学習と分⼦シミュレーションを組み合わせ，その物性や機能性の予測に挑戦したい
くつかの研究例を紹介する．

図 1 ソフトマター材料のマルチスケール性

ポスター発表
1. 植物の根の引き抜き・倒伏挙動：実験と理論との比較〇山口哲生，木下茉優（東大院農学生命）
2. 散逸粒子動力学法を用いた Bio-inspired 材料表面における超撥水/親水の遷移機構解明〇孟凡，酒井星河，辻之上弘晃，小林祐生，荒井規允（慶大理工）
3. 定エネルギー散逸粒子動力学法を用いたナノ粒子の自己集合と熱伝導率に関する研究〇鈴木虎次郎，田中昭悟，荒井規允，小林祐生（慶大理工）
4. 多体散逸粒子動力学法を用いた界面活性剤水溶液中における油滴の自己駆
動シミュレーション○佐々木謙，上野和輝，小島知也，伴野太祐，荒井規允（慶大理工）
5. 散逸粒子動力学法と機械学習を用いた両親媒性分子の自己集合形態予測○石渡悠幹，横山貴洸，伴野太祐，荒井規允
6. Analysis of orientational correlations in organic additive layerusing molecular dynamics simulation○小林健洋，岡本隆一，鷲津仁志（兵庫県大）7. 散逸粒子動力学によるせん断下におけるセッケン系グリースの繊維構解○長谷川智也 1，小林健洋 1，杉村奈都子 2, 1，鷲津仁志 1（1. 兵庫県大, 2. 鹿児島高専）
8. Reaction dynamics of ZnDTP luburicants additive using neuralnetwork potential○堀尾巴人 1，名児耶彰洋 2，小野寺拓 2，鷲津仁志 1 （1. 兵庫県大，2. ENEOS）
9. MD 法を使用した硬質材料含有の有無による結晶性高分子の摩擦挙動○伊藤和輝 1，端山昌樹 1，樋口祐次 2，鷲津仁志 1 （1. 兵庫県大，2.

九大）
10.

Physicochemical study of potential of mean force for carbon

additive bonding with number of chemical bonds on DLC
surfaces.
○鳥本航史朗 1，秋山博俊 1,2，岡本隆一 1，村島基之 3，鷲津仁志 1（1. 兵庫県大，2. 日本グリース，3. 東北大）
11.

Simulation of Corse-Grained model for micron-scale metal by

SPH method○新田啓人 1，Le Vang Sang2,1，杉村奈都子 3,1，鷲津仁志（1. 兵庫
県大, 2. Univ. Information Technology - VNUHCM, 3. 鹿児島高専）
12.

Prediction of traction fluid performance using numericalanalysis○深谷剛，清水陽平，富山栄治，鷲津仁志 （兵庫県大）13.

Detailed analysis of chemical reactions on the friction betweenhydrogen-free DLC film and ZrO2
○田中雄大 1，秋山博俊 1,2，岡本隆一 1，鷲津 仁志 1 （1. 兵庫県大，2. 日本グリース）
14.

Analysis of the effect of friction heat on different surface

properties using Smoothed Particle Hydrodynamics method○江良瑞樹 1，杉村奈都子 2,1，鷲津仁志 1 （1. 兵庫県大，2. 鹿児島高専）