Examination of the phase behaviour of liquid crystal molecules in confined systems by Replica-Exchange Monte-Carlo simulations

通过复制交换蒙特卡罗模拟检查受限系统中液晶分子的相行为

基本信息

批准号：
22KJ2724
负责人：
小和口昌愛
金额：
$ 1.6万
依托单位：
Keio 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 2025-03-31
项目状态：
未结题

项目摘要

本研究では分子シミュレーション分野で用いられるモンテカルロ法を最適化かつ高速化し，ナノレベルで空間的制約を加えた異方性分子の相転移現象を解明することを目的としている．シミュレーションの対象とする異方性分子は，アモルファスと結晶の両方の性質を持つ液晶分子と，アモルファスでも結晶でもない第三の物質と言われる準結晶であり，いずれも等方性分子では観測されないような特異な振る舞いを示す．また異方性であることから計算コストが高くシミュレーションが困難となり得るため，計算効率を上げる必要があった．そこで，分子シミュレーション分野でサンプリング効率を改善するために開発されたレプリカ交換法にさらに遺伝的アルゴリズムである進化戦略を加え最適化を試みた．この手法を液晶分子の粗視化モデルに適用し相挙動に対する知見を深めた成果は学術雑誌に投稿され，論文として掲載された．また2022年度は英国オックスフォード大学にて共同研究を行った．そこでは，準結晶の再現可能性を試みた．回転対称性を保持しつつ並進対称性を持たないという幾何学的にユニークな特徴を持つ準結晶がなぜ熱力学的に安定で存在するかは不明であり，未だ発見されていない準結晶構造は多数存在すると予想されている．現代の科学では，特定の条件が与えられることで準結晶を形成することがわかっているが，どのようなパラメータが優位に働くかによって分子がこの複雑な挙動を示すかはブラックボックスのままである．我々はシミュレーションを通じて実際に分子の動きを観察することで，準結晶を形成するための重要因子を明らかにしようと努めた．最先端の材料技術，バイオ，ナノテクノロジー等は従来の結晶構造に基づいて進化してきた．そのため，新しい準結晶を発見し人工的な結晶構造を設計することが可能になれば，画期的な材料の開発に繋がり，技術の進歩に貢献すると期待される．

这项研究旨在优化和加快分子模拟领域中使用的蒙特卡洛方法，并阐明在纳米水平上具有空间约束的各向异性分子的相变现象。模拟靶向的各向异性分子是具有无定形和晶体特性的液晶分子，以及准晶体，据说它们是第三种既不是无定形也不是晶体的材料，并且两种材料都表现出独特的行为，这些行为均未与同位素分子观察到独特的行为。此外，由于它是各向异性，因此计算成本可能很高，模拟可能很困难，因此必须提高计算效率。因此，我们试图优化副本交换方法，该方法是通过添加遗传算法的进化策略来开发的，以提高分子模拟领域的采样效率。将该方法应用于液晶分子的粗粒模型和对相行为的加深知识的结果已提交给学术期刊并作为论文发表。此外，在2022年，我们在英国牛津大学进行了联合研究项目。在那里，我们试图重现准晶体。目前尚不清楚为什么具有几何独特特征的准晶体保留旋转对称性但没有翻译对称性，在热力学上是稳定的，并且预计尚未发现许多准晶体结构。现代科学表明，在特定条件下，形成了准晶体，但是黑匣子仍然是分子表现出这种复杂行为的方式，具体取决于哪个参数的主导。我们试图通过实际观察通过模拟观察分子的运动来阐明形成准晶体的重要因素。最先进的材料技术，生物技术，纳米技术等根据常规晶体结构而发展。因此，如果可以发现新的准晶体并设计人造晶体结构，则有望导致开发材料的发展并有助于技术进步。

项目成果

期刊论文数量（7）

专著数量（0）

科研奖励数量（0）

会议论文数量（0）

专利数量（0）

Optimal Replica-Exchange Molecular Simulations in Combination with Evolution Strategies

与进化策略相结合的最佳复制交换分子模拟

DOI：
10.1021/acs.jcim.2c00608
发表时间：
2022
期刊：
Journal of Chemical Information and Modeling
影响因子：
5.6
作者：
Kowaguchi Akie;Endo Katsuhiro;Brumby Paul E.;Nomura Kentaro;Yasuoka Kenji
通讯作者：
Yasuoka Kenji

進化戦略を用いたレプリカ交換分子シミュレーションの最適化

使用进化策略优化复制交换分子模拟

DOI：
发表时间：
2022
期刊：
影响因子：
0
作者：
Kowaguchi Akie;Endo Katsuhiro;Brumby Paul E.;Nomura Kentaro;Yasuoka Kenji;小和口昌愛，遠藤克浩，Paul Brumby，泰岡顕治
通讯作者：
小和口昌愛，遠藤克浩，Paul Brumby，泰岡顕治

機械学習を用いた効率的なレプリカ交換モンテカルロ法によるLennard-Jones 粒子の相挙動

使用机器学习的高效副本交换蒙特卡罗方法的 Lennard-Jones 粒子的相行为