清原　健司　（きよはら けんじ） English here

現在の研究内容：

ソフトマテリアルの分子シミュレーション（分子動力学およびモンテカルロ法）

１．多孔性電極界面の分子構造

高分子や炭素材料などの材料の中には、ナノメートルからマイクロメートルのスケールの細孔が密に分布し、イオンや分子がそこに入り込むことができるようなものがある。このような多孔質性材料の中で、電子導電性を持って電極として使えるものを、我々は多孔質性電極と呼んでいる。

多孔質性電極で最もよく知られているものは、活性炭やグラファイトなどの炭素材料であり、これらは電池やキャパシタの材料として使われている。特に材料が多孔質性であることを有効に利用しているのが、電気化学キャパシタと呼ばれる材料である。多孔質性の炭素材料においては、イオンが内部の細孔まで浸透できることから、イオンと炭素とが接触する面積が、細孔がない材料に比べて非常に大きい。このため、多孔質性の炭素を材料として用いたキャパシタは、体積あたりの静電容量が非常に大きい。しかし、分子レベルでイオンと炭素がどのように相互作用し、どのような構造を作っているかは、いまだにわかっていない。

我々は、分子シミュレーションを使ってこの問題に取り組んでいる。分子シミュレーションは、分子レベルの相互作用とキャパシタンスなどの容易に観測可能な巨視的な物理量との関係を求める計算科学的手法である。我々は、一定電圧のアンサンブルにおけるモンテカルロ法を初めて開発し、これを研究の基盤的技術としている。材料の性質が分子レベルで理解できれば、高い機能を持つ素子を設計する際にどのような材料を用いればいいのかがわかる。

２．高分子アクチュエータの分子設計

近年、高分子でできたアクチュエータの開発が注目されている。これまでのセラミックや金属のアクチュエータと異なり、高分子アクチュエータは柔らかい動きをし、軽く、また数ボルトの小さな電圧で駆動するなどの特長を持つ。高分子アクチュエータには、導電性を持つ高分子ゲルにイオンを浸透させたものや、導電性高分子にイオンを浸透させたものが開発されている。いずれの場合も、電圧印加に応答して高分子内部のイオンの分布が変化することが動く原因となっていることは、明らかになっている。しかし、それがなぜそうなるのかは、分子レベルでは理解されていない。

我々は、分子シミュレーションを使ってこの問題に取り組んでいる。前述の多孔質電極をキャパシタとして用いる場合は電圧印加に伴う帯電量が問題となるが、高分子アクチュエータの場合は発生応力が問題となる。電圧印加に応答してイオン分布がどのように変化するのか、そしてなぜ応力が発生するのかについては、分子レベルでは全くわかっていない。我々は、一定電圧のアンサンブルにおけるモンテカルロ法を使って、電圧印加の際の分子間相互作用と分子構造の変化と、それに伴って発生する応力を計算し、高分子アクチュエータが動作するメカニズムを分子レベルで明らかにしようとしている。

３．液晶基板上のアンカリング

液晶分子が基板上である一定の方向に向く現象は、液晶ディスプレイなどで広く使われている。しかし、そのメカニズムはいまだによくわかっていない。配向基板は多くの場合、表面に塗布した高分子を一方向にこすってなんらかの異方性を持たせて作られている。しかし、液晶分子を配向させる異方性が、主として基板上に配向した高分子と液晶分子の間の引力によるものか、あるいは基板上の高分子がこすったことで表面に一方向のデコボコができたためなのかについても諸説ある。現在の配向基板の作成法にはいくつかの難点があり、新たな作成法の開発が求められている。そのためには、液晶が配向するメカニズムを分子レベルで明らかにする必要がある。

我々は、分子シミュレーションを使ってこの問題に取り組んでいる。分子シミュレーションでは、分子間相互作用や表面のデコボコが自由に設定でき、それに応じた配向力を計算することができる。我々は、分子シミュレーションで得られる物理量から配向力を直接計算する方法を初めて開発し、これをこの研究の基盤技術として用いている。

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主な論文：

Kenji Kiyohara, Takushi Sugino, and Kinji Asaka

Phase ransition in porous electrodes

Journal of Chemical Physics, 134, 154710 (2011).

Kenji Kiyohara, Takushi Sugino, and Kinji Asaka

Electrolytes in porous electrodes: Effects of the pore size and the dielectric constant of the medium

Journal of Chemical Physics, 132, 144705 (2010).

Kenji Kiyohara, Takushi Sugino, Ichiroh Takeuchi, Ken Mukai, and Kinji Asaka,

Expansion and contraction of polymer electrodes under applied voltage,

Journal of Applied Physics, Vol. 105, 063506 (2009). (Erratum: Journal of Applied Physics, Vol. 105, 11902 (2009))

Kenji Kiyohara and Kinji Asaka,

Monte Carlo simulation of porous electrodes in the constant voltage ensemble,

Journal of Physical Chemistry C, Vol. 111, 15903 (2007) (7 pages).

Kenji Kiyohara and Kinji Asaka,

Monte Carlo simulation of electrolytes in the constant voltage ensemble,

Journal of Chemical Physics, Vol. 126, 214704 (2007) (14 pages).

Kenji Kiyohara, Kinji Asaka, Hirosato Monobe, Naohiro Terasawa, and Yo Shimizu, 

Surface anchoring of rodlike molecules on corrugated substrates, 

Journal of Chemical Physics, Vol. 124, 034704 (2006) (11 pages)

Kenji Kiyohara, Yoshifumi Kimura, Yoshihiro Takebayashi, Noboru Hirota, and Koji Ohta
Density dependence of optical Kerr effect of linear molecules, 
Journal of Chemical Physics, Vol.117, pp.9867-9875 (2002). 

Kenji Kiyohara, Koji Ohta, and Yo Shimizu
Optical Kerr effect in nematic liquid crystals: a molecular dynamics simulation study,
Molecular Physics, Vol. 100, No.15, pp2423 -2431 (2002). 

Kenji Kiyohara, Kenji Kamada, and Koji Ohta
Orientational and collision-induced contribution to third-order nonlinear optical response of liquid CS₂
Journal of Chemical Physics, Vol.112, pp.6338-6348 (2000)

Kenji Kiyohara, Keith E. Gubbins, and Athanassios Panagiotopoulos, 
Phase Coexistence Properties of Polarizable Water Models,
Molecular Physics, Vol.94, No.5, 803-808 (1998).

Kenji Kiyohara, Keith E. Gubbins, and Athanassios Panagiotopoulos, 
Phase Coexistence Properties of Polarizable Stockmayer Fluids,
Journal of Chemical Physics, Vol. 106, No. 8, pp. 3338-3347 (1997)

Kenji Kiyohara, Theodora Spyriouni, Keith E. Gubbins, and Athanassios Panagiotopoulos, 
Thermodynamic Scaling Gibbs Ensemble Monte Carlo: 
A new method for determination of phase coexistence properties of fluid,
Molecular Physics, Vol.89, No.4, pp. 965-974 (1996).