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高分子膜の相分離プロセスシミュレーション

MUFFIN（Flory Higgins自由エネルギーに基づく平均場法エンジン）を用いて、非溶媒誘起相分離（NIPS）プロセスによる高分子膜の構造形成過程をシミュレーションしました。溶媒・非溶媒の拡散や相分離挙動を可視化し、多孔質の膜構造の制御に向けた設計指針を得ることが可能です。
解析・利用例のポイント
  • 平均場法を用いてNIPS（非溶媒誘起相分離法）のプロセスを評価
  • 実験的に観測が難しいナノスケールでの可視化が可能

平均場法を用いてNIPS（非溶媒誘起相分離法）のプロセスを評価

2次元モデルにおけるNIPSプロセスの時間発展を示しています。上半分に非溶媒、下半分にポリマー・溶媒・非溶媒の混合膜を配置し、時間とともに非溶媒が膜に浸透し、溶媒が拡散することで相分離が進行します。

NIPSプロセスを考慮した高分子膜内の相分離の時間発展（2次元モデル）

実験的に観測が難しいナノスケールでの可視化が可能

3次元モデルでの相分離シミュレーション結果です。ポリマーのガラス化を模擬するために、濃度依存の移動度を導入しており、膜表面に穴が形成されるなど、実材料に近い構造が再現されています。

各成分の運動の濃度依存性、ポリマー成分のガラス化を考慮したNIPSプロセスの時間発展（3次元モデル）
参考文献
  1. DPDによる溶媒蒸発シミュレーション
  2. スラリー塗工プロセス[トヨタ自動車株式会社様]
  3. https://octa.jp/jp/components/muffin/
  4. Soft Matter,13, 3013, (2017)
  5. J. Membrane Sci., 599, 117826, (2020)
  6. https://unit.aist.go.jp/cd-fmat/ja/c-dmd/ja/freport/contents/fr220118_3-07.pdf
  7. ACS Macro Lett., 9, 1617-1624, (2020)
  8. J. Membrane Sci., 619, 118779, (2021)
  9. J. Chem. Phys., 154, 104903, (2021)
  10. ACS Appl. Mater. Interfaces, (2023) https://doi.org/10.1021/acsami.3c03126
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