[解析事例] Martini3モデルによるナフィオン膜の計算
- 粗視化MD
- 界面・相分離・粒子分散性
- マテリアルサイエンス
汎用的な粗視化力場を用いたモデリング
MD計算は材料特性を予測する有用な手法であり、材料開発のために広く利用されています。ただし高分子鎖の緩和や相分離といった遅いタイムスケールの現象を扱う場合、全原子モデルでは計算コストが高くなります。そこで粗視化モデリングを利用することで計算を効率的に実施できます。
本事例では燃料電池などに用いられる高分子電解質膜（ナフィオン膜）の計算のために汎用的な粗視化力場であるMartini3力場[1,2]を用いました。
ナフィオンは図1に示すモデル（n=9, m=20, M=26924g/mol）を作成しました。シミュレーションセルにはナフィオン20分子と水5000粒子を配置しました。これを全原子モデルに換算すると92440原子に相当しますが、粗視化モデルでの粒子数は10600と少ないため計算コストが低減されます。また Martini3力場を用いれば適切なセグメント分割によって力場パラメータをデータベースから取得してモデリング工程も効率化することができます。初期状態ではナフィオン分子をランダムに配置し、短時間のNVT計算による緩和後、350Kで1μsのNPT計算を実施しました。動画1にNPT計算中のアニメーションを示します。水相とナフィオンが分離してイオン交換に適した膜構造を形成する様子が確認できます。
この計算ではWindows上のGROMACSを使用し、4CPUを用いて約15時間で計算が完了しました。
図2にはスルホン基の位置を可視化した図を示します。スルホン基（黄色の粒子）は水との界面領域に多く存在することがわかります。図3にさらに大きなモデル（ナフィオン160分子、水24000粒子、総粒子数68800）での計算結果を示しました。この規模のモデルでは複雑な水のチャネルが形成されているのが確認できます。
図1. Martini3によるナフィオンのモデリング。緑の〇が1つの粗視化粒子に対応。
動画1. ナフィオンと水の相分離構造のMD計算結果について構造変化の大きい前半600nsを可視化。
（2倍に拡張して表示）
図2. ナフィオン主鎖の体積分率0.5の等値面と分子鎖の描画。
スルホン酸基に相当する粒子を黄色の球で表示。
図3.（左）ナフィオンのMartini3モデル（68800粒子系）。セルの一辺は18nm。
（右）水の体積分率0.5の等値面。
- *参考文献
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- [1] P. C. T. Souza et al., Nature Methods, 18, 382 (2021)
- [2] E. Hemmasi, et al., J. Phys. Chem. B, 127, 10624 (2023)
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