COSMOmeso リリース -概要と応用事例のご紹介

新製品情報
Flory--Huggins
ソフトウェア
g nsパラメータ作成
メ
トウェア
8月にCOSMOlogic 社新製品COSMOmeso がリリースされました。COSMOmeso は、メソスケールシ
ミュレーションに用いられるFlory-Hugginsのχパラメータや散逸粒子動力学（DPD）計算の相互作用パ
ラメータを作成するためのソフトウェアです。本稿ではCOSMOmesoの概要と応用事例をご紹介します。
新 製 品 COSMOmeso は、信 頼 性 の 高 い χ パ ラ
COSMOmesoの概要
高分子同士や高分子―低分子の相溶性や溶融状
態のマクロ構造を検討するため、Flory-Huggins
理論やDPDシミュレーションが用いられます。こ
メータを容易に作成できるように考案されまし
た。COSMOmeso では、量子化学計算で得られる
各ビーズの表面電荷情報から、混合状態における
れらの方法では、複数の原子で構成されるユニッ
ビーズの化学ポテンシャル（μ bead）を算出し、
ト（ビーズ）のつなぎ合わせで高分子や低分子を
μ bead か ら χ パ ラ メ ー タ を 導 出 し ま す。ま た、
表し、相互作用評価においてはビーズ間の相互作
Grootらが提案した方法[1,2]により、χパラメータ
用パラメータ（Flory-Hugginsのχパラメータ）
が用いられます。パラメータは、ビーズの種類や
その組み合わせに応じて必要ですが、既知のパラ
メータは少なく、以前よりパラメータ不足が問題
とされてきました。また、パラメータ作成には多
くの計算や試行が必要で、容易ではありません。
からDPDの∆aパラメータを算出することもできま
す。
入力データとして、高分子のモノマーや溶媒の
構造情報（座標情報）を与えることで、図2の手順
でパラメータを簡単に作成することができます。
応用事例：
応用事例
用事例：Nafionと
Nafionと水の相互作用パラ
相互
相互作用
用パラ
メータの
ータの作成
Nafion1200（図3）と水の相互作用パラメータの
算出にCOSMOmesoを用いた事例を紹介します。
Nafion1200は、燃料電池の電解質膜として用い
ら れ る 高 分 子 材 料 で す。ビ ー ズ モ デ ル で は、
Nafionを図3のように3つのビーズで、水5分子を1
つのビーズで表します。系中では、静電的相互作
用やvan dar Waals相互作用が生じるため、パラ
メータ作成が難しいと考えられています。相互作
図 1
ビーズ定義の画面イメージ。直方体に
囲まれた部分構造が各ビーズを示す。
ファイルから構造情報をインポートし、ビーズを定義
ビーズ内およびビーズ間の配座異性体の構造を
自動発生し、MOPAC7で構造最適化を実施
用パラメータは、図2の手順に従って約5時間で得
られ、すでに報告されているパラメータと比較す
ると、定量的な一致が見られました。また、得ら
れたパラメータを用いたDPDシミュレーション
も、報告された溶融状態のマクロ構造とよく一致
しました（詳細は本誌p.12を参照）。
MOPAC7 で 得られたエネルギーに 基づき重要な
配座を抽出
量子化学計算を用いて構造最適化を行い、ビーズ
の表面電荷情報を取得
各ビーズの表面電荷情報を用いて、COSMOtherm
でビーズの化学ポテンシャル（μbead）を算出
μbeadからFlory-Hugginsのχや∆aパラメータを算出
図 2
4
相互作用パラメータ作成の手順
| 菱化システム ニュースレター | 第16巻
第4号
図 3
Nafionの構造式。ビーズモデルでは
赤、青、緑の3つの部分に分割。
[1] C. M. Wijmans, B. Smit, R. D. Groot, J.
Chem. Phys., 2001,
114, 7644.
20
[2] R. D. Groot, P. B. Warren, J. Chem. Phys.,
1997, 107, 4423.
技術情報
マルチスケールシミュレータ
シミュ
タ
Chemistry Unified Language Interface (CULGI)は、マルチスケールシミュレーションの実現を目的
として設計された計算科学統合ライブラリです。CULGIは、高分子・界面活性剤・生体膜・コロイド・
超分子など、ソフトマターの研究に最適なツールです。本稿では、燃料電池の電解質膜として使用される
高分子材料のNafionと水の混合系のDPDシミュレーションの事例を報告します。
DPDモデル
と相互作用パラメータ
DPDモデルと
相互作用パラメータ
Nafion
の再現
afion膜中の
中の水のチャネル構造
チャネル構造の
DPDは、バネ・ビーズモデルに基づく動力学シ
本 DPD シ ミ ュ レ ー シ ョ ン で は、数 密 度 が 3、
ミュレーションです。このモデルでは、粗視化と
Nafionと水の体積分率が80:20になるように、40
いう概念が導入され、例えば高分子のモノマー数
× 40 × 40 の 3 次 元 周 期 境 界 条 件 セ ル の 中 に、
個分を1つのビーズとして表します。本事例では、
Nafion 鎖 を 5,120 本、水 分 子 の ビ ー ズ モ デ ル を
図1のように、Nafion１本鎖を30個のビーズで、
38,400個分用意しています。図2は、時間刻み幅∆t
水分子5個分を1つのビーズで粗視化しています。
を0.05としたときの、初期構造（左）と10,000ス
DPDシミュレーションにおいて粗視化された
テ ッ プ 後 の 構 造（右）の 水 分 子 の 密 度 分 布 を
ビーズは、隣り合うビーズ間がバネで結ばれてい
volume表示で示したもので、実験で観測される
ることに加え、すべてのビーズ間にソフトな反発
Nafion膜中の水のチャネル構造が確認できます。
力が働いているとします。実際の計算では、この
反発力の大きさを表す相互作用パラメータが必要
と な り ま す。こ こ で は、COSMOlogic 社 製 品 の
COSMOmeso で算出された相互作用パラメータを
用いています（詳細は本誌p.4を参照）。
図 2
(左)初期構造, (右)10,000ステップ後の構造
このように、DPDによる粗視化レベルの高さと
CULGIの高速なDPDエンジンを用いることによ
り、ミクロ相分離というメソスケールの現象を非
常に短時間（PCで1時間程度）のシミュレーショ
図 1
本事例で使用したNafionと水のDPDモデル
科学技術システム事業部
計算科学部
〒104-0033
東京都中央区新川１－２８－３８
東京ダイヤビル３号館３階
TEL :
FAX :
E-mail :
URL :
122
03-3553-9206
03-3553-9207
[email protected]
http://www.rsi.co.jp/
| 菱化システム ニュースレター | 第16巻
ンで再現することができます。
◆
弊社 Webサイト には、取り扱い製品、最 新のニュース、お客様向け
サポート情報、電子媒体でのニュースレター、他のサイトへのリンクな
どを掲載しております。
◆
弊社取り扱い製品のカタログ、資料のご請求、お問い合わせについては
左記までご連絡ください。
◆
本ニュースレターは、弊社取り扱い製品をご購入いただきましたサイト
の担当者にお送りしています。その他に発送のご希望がございましたら
弊社までご連絡ください。
記載されている会社名及び商品名は、各社の商標または登録商標です。
RSIニュースレター
発行人 後藤 純一
発行所 株式会社菱化システム
Vol. 16, No. 4, 2009
2009 年 10月 1日 発行 Copyright © 2009 Ryoka Systems Inc.
第4号