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JP7302621B2 - Organic material transport property evaluation device and organic material transport property evaluation method - Google Patents

Organic material transport property evaluation device and organic material transport property evaluation method Download PDF

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JP7302621B2 JP2021063594A JP2021063594A JP7302621B2 JP 7302621 B2 JP7302621 B2 JP 7302621B2 JP 2021063594 A JP2021063594 A JP 2021063594A JP 2021063594 A JP2021063594 A JP 2021063594A JP 7302621 B2 JP7302621 B2 JP 7302621B2
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  • Investigating Or Analyzing Materials Using Thermal Means (AREA)

Description

本発明は、有機材料輸送特性評価装置及び有機材料輸送特性評価方法に関する。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to an organic material transport property evaluation apparatus and an organic material transport property evaluation method.

有機材料について熱伝導度、粘度及び拡散係数等の時間的な物理量の変化を示す輸送特性について、平衡分子動力学(EMD)計算によるGreen-Kubo(GK)公式を用いる方法や非平衡分子動力学(NEMD)計算による直接計算法が用いて評価が行われている。 Equilibrium molecular dynamics (EMD) calculations using the Green-Kubo (GK) formula and non-equilibrium molecular dynamics for transport properties that indicate temporal changes in physical quantities such as thermal conductivity, viscosity, and diffusion coefficient for organic materials (NEMD) calculations have been performed using direct calculation methods.

Green-Kubo(GK)公式を用いた平衡分子動力学(EMD)計算を高速に行う手法が提案されている。例えば、必要な精度を得るための計算量を誤差解析によって決定する方法が提案されている(非特許文献1)。また、Green-Kubo(GK)公式を用いた分子動力学(EMD)計算において熱流の自己相関関数(HFACF)をランダムウォークでモデル化し、調和解析を行って誤差要因となる周波数成分を分離することで、計算誤差の標準偏差を求める方法が提案されている(非特許文献2)。また、赤池情報量基準を用いたモデル精度評価と調和解析による方法が提案されている(非特許文献3)。また、Green-Kubo(GK)公式において、空間分割して計算することで不均一系を解析する方法が提案されている(特許文献1)。また、敵対的生成ネットワークを用いた分子動力学(EMD)計算における負荷低減が提案されている(特許文献2)。 A technique for performing high-speed equilibrium molecular dynamics (EMD) calculations using the Green-Kubo (GK) formula has been proposed. For example, a method has been proposed in which the amount of calculation required to obtain the required accuracy is determined by error analysis (Non-Patent Document 1). In addition, in the molecular dynamics (EMD) calculation using the Green-Kubo (GK) formula, the heat flow autocorrelation function (HFACF) is modeled with a random walk, and harmonic analysis is performed to separate the frequency components that cause errors. proposed a method of obtaining the standard deviation of calculation errors (Non-Patent Document 2). A method based on model accuracy evaluation and harmonic analysis using the Akaike information criterion has also been proposed (Non-Patent Document 3). Also, in the Green-Kubo (GK) formula, a method of analyzing an inhomogeneous system by spatially dividing the calculation is proposed (Patent Document 1). Also, load reduction in molecular dynamics (EMD) calculations using adversarial generation networks has been proposed (Patent Document 2).

特開2019-148446号公報JP 2019-148446 A 特開2020-87456号公報JP 2020-87456 A

R. E. Jones, J. Chem. Phys. 136, 154102 (2012)R. E. Jones, J. Chem. Phys. 136, 154102 (2012) L. Ercole, Scientific Reports, 7, 15835 (2017)L. Ercole, Scientific Reports, 7, 15835 (2017) L. S. Oliveira, Phys. Rev. E 95, 023308 (2017)L. S. Oliveira, Phys. Rev. E 95, 023308 (2017)

ところで、従来技術の全般において、調和解析による誤差の分離において閾値となるパラメータが必要となる。そのため、事前検討やパラメータの設定等のための前処理が必要であり、材料探索の自動化のためにより簡便な装置や方法が望まれている。 By the way, in the conventional techniques in general, a parameter that serves as a threshold value is required in error separation by harmonic analysis. Therefore, pretreatment such as prior examination and parameter setting is required, and a simpler apparatus and method are desired for automating the material search.

非特許文献1に記載の技術では、目的の精度を得るための最小の計算量を求めることができるが、本質的な誤差の低減には繋がらない。また、調和解析や誤差の分離のための解析が必要である。また、非特許文献2に記載の技術では、調和解析による誤差の分離等の解析が必要であり、自動計算探索には不向きである。また、特許文献1に記載の技術では、有機材料の輸送特性の評価を高速化する処理についての記載はない。また、特許文献2に記載の技術では、機械学習を用いているために事前の学習が必要であり、多くの場合には計算速度が低く、様々な材料の自動探索には不向きである。 Although the technique described in Non-Patent Document 1 can obtain the minimum amount of calculation for obtaining the desired accuracy, it does not lead to a substantial reduction in error. Also, analysis for harmonic analysis and separation of errors is necessary. In addition, the technique described in Non-Patent Document 2 requires analysis such as error separation by harmonic analysis, and is not suitable for automatic calculation search. Further, the technique described in Patent Document 1 does not describe a process for speeding up the evaluation of the transport properties of organic materials. In addition, the technique described in Patent Document 2 requires prior learning because it uses machine learning, and in many cases the calculation speed is low, making it unsuitable for automatic search of various materials.

本発明の1つの態様は、有機材料の輸送特性の評価する有機材料輸送特性評価装置であって、前記輸送特性に対する前記有機材料の分子間のフラックスの相関を除いて前記輸送特性を算出することを特徴とする有機材料輸送特性評価装置である。 One aspect of the present invention is an organic material transport property evaluation apparatus for evaluating the transport property of an organic material, wherein the transport property is calculated by removing the correlation of the intermolecular flux of the organic material with respect to the transport property. It is an organic material transport property evaluation device characterized by

ここで、Green-Kubo公式を用いて前記輸送特性を算出する際に、前記有機材料の分子間のフラックスの相関を除いて前記輸送特性を算出することが好適である。 Here, when calculating the transport properties using the Green-Kubo formula, it is preferable to calculate the transport properties by removing the correlation of the intermolecular flux of the organic material.

また、Green-Kubo公式を用いて、分子間の熱流相関を除いてアモルファス構造を有する直鎖高分子鎖材料の熱伝導度を計算することが好適である。 It is also preferable to use the Green-Kubo formula to calculate the thermal conductivity of a linear polymer chain material having an amorphous structure, excluding intermolecular heat flow correlation.

また、Green-Kubo公式を用いて、分子間の応力相関を除いて有機材料の粘性を計算することが好適である。 It is also preferable to use the Green-Kubo formula to calculate the viscosity of organic materials, excluding intermolecular stress correlations.

また、Green-Kubo公式を用いて、分子間の速度相関を除いて有機材料の拡散係数を計算することが好適である。 It is also preferred to use the Green-Kubo formula to calculate the diffusion coefficients of organic materials, excluding intermolecular velocity correlations.

本発明の別の態様は、有機材料の輸送特性の評価する有機材料輸送特性評価方法であって、前記輸送特性に対する前記有機材料の分子間のフラックスの相関を除いて前記輸送特性を算出することを特徴とする有機材料輸送特性評価方法である。 Another aspect of the present invention is an organic material transport property evaluation method for evaluating the transport property of an organic material, wherein the transport property is calculated by removing the correlation of the intermolecular flux of the organic material with respect to the transport property. It is an organic material transport property evaluation method characterized by

本発明によれば、有機材料の輸送特性をより高速に評価することが可能になる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, it becomes possible to evaluate the transport property of an organic material at high speed.

本発明の実施の形態における有機材料輸送特性評価装置の構成を示す図である。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS It is a figure which shows the structure of the organic material transport characteristic evaluation apparatus in embodiment of this invention. ポリエチレンに対する熱流の相関関数の評価結果を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing evaluation results of a heat flow correlation function for polyethylene. ポリエチレンに対する熱伝導度の評価結果を示す図である。It is a figure which shows the evaluation result of the thermal conductivity with respect to polyethylene. ポリスチレンに対する熱伝導度の評価結果を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing evaluation results of thermal conductivity with respect to polystyrene; 熱伝導度の評価結果を示す図である。It is a figure which shows the evaluation result of thermal conductivity. 典型的な直鎖高分子材料の単量体の分子構造を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing the molecular structure of a monomer of a typical linear polymer material; 単成分系における応力ゆらぎの時間相関の評価結果を示す図である。FIG. 5 is a diagram showing evaluation results of time correlation of stress fluctuations in a single-component system; 2成分系における応力ゆらぎの時間相関の評価結果を示す図である。It is a figure which shows the evaluation result of the time correlation of the stress fluctuation in a binary system. 混合系における混合比に応じた成分毎の拡散係数の評価結果を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing evaluation results of diffusion coefficients for each component according to the mixing ratio in a mixed system;

本発明の実施の形態における有機材料輸送特性評価装置100は、図1に示すように、処理部10、記憶部12、入力部14、出力部16及び通信部18を含んで構成される。処理部10は、CPU等の演算処理を行う手段を含む。処理部10は、記憶部12に記憶されている有機材料輸送特性評価プログラムを実行することによって、本実施の形態における有機材料輸送特性評価方法における機能を実現する。記憶部12は、半導体メモリやメモリカード等の記憶手段を含む。記憶部12は、処理部10とアクセス可能に接続され、有機材料輸送特性評価プログラム、その処理に必要な情報を記憶する。入力部14は、情報を入力する手段を含む。入力部14は、例えば、ユーザからの入力を受けるキーボード、タッチパネル、ボタン等を備える。出力部16は、ユーザから入力情報を受け付けるためのユーザインターフェース画面(UI)等の有機材料輸送特性評価装置100での処理結果を出力する手段を含む。出力部16は、例えば、ユーザに対して画像を呈示するディスプレイを備える。通信部18は、情報通信網102を介して、外部の情報処理装置との情報の通信を行うインターフェースを含んで構成される。通信部18による通信は有線及び無線を問わない。 An organic material transport property evaluation apparatus 100 according to an embodiment of the present invention includes a processing unit 10, a storage unit 12, an input unit 14, an output unit 16 and a communication unit 18, as shown in FIG. The processing unit 10 includes means for performing arithmetic processing such as a CPU. The processing unit 10 executes the organic material transport property evaluation program stored in the storage unit 12 to implement the functions of the organic material transport property evaluation method according to the present embodiment. The storage unit 12 includes storage means such as a semiconductor memory and a memory card. The storage unit 12 is connected to the processing unit 10 so as to be accessible, and stores an organic material transport property evaluation program and information necessary for the processing. The input unit 14 includes means for inputting information. The input unit 14 includes, for example, a keyboard, a touch panel, buttons, and the like for receiving input from the user. The output unit 16 includes means for outputting the processing results of the organic material transport property evaluation apparatus 100, such as a user interface screen (UI) for accepting input information from the user. The output unit 16 includes, for example, a display that presents images to the user. The communication unit 18 includes an interface for communicating information with an external information processing device via the information communication network 102 . Communication by the communication unit 18 may be wired or wireless.

有機材料輸送特性評価装置100は、有機材料輸送特性評価プログラムを実行可能な情報処理装置であれば様々なものを適用できる。例えば、有機材料輸送特性評価装置100としては、据置型又は携帯型パーソナルコンピュータ(PC)、タブレット型コンピュータ等が使用できる。 Various devices can be applied to the organic material transport property evaluation device 100 as long as they are information processing devices capable of executing an organic material transport property evaluation program. For example, as the organic material transport property evaluation device 100, a stationary or portable personal computer (PC), a tablet computer, or the like can be used.

以下、本実施の形態における有機材料輸送特性評価方法について説明する。有機材料輸送特性評価方法は、有機材料輸送特性評価装置100において以下の処理を実行する有機材料輸送特性評価プログラムを実行することによって実現される。 A method for evaluating transport characteristics of an organic material according to the present embodiment will be described below. The organic material transport property evaluation method is realized by executing an organic material transport property evaluation program for executing the following processes in the organic material transport property evaluation apparatus 100. FIG.

流体における輸送特性Kはそれに対応する物理量Q(t)とその時間微分であるフラックス∂Q(t)/∂t(式中ではQ(t)にドットを打って示す)によって以下のように表される。

Figure 0007302621000001
The transport characteristic K in a fluid is represented by the corresponding physical quantity Q(t) and its time derivative flux ∂Q(t)/∂t (Q(t) is indicated by a dot in the formula) as follows: be done.
Figure 0007302621000001

[熱伝導度の評価]
有機材料の輸送特性として熱伝導度を評価対象とする場合、数式(2)で表されるフラックスを数式(1)に適用することで数式(3)のように熱伝導度κが得られる。ここで、kBはボルツマン定数、eはi番目の原子のエネルギー、vはi番目の原子の速度及びSはi番目の原子の応力を示す。

Figure 0007302621000002
Figure 0007302621000003
[Evaluation of thermal conductivity]
When the thermal conductivity is evaluated as the transport property of the organic material, the thermal conductivity κ is obtained as shown in Equation (3) by applying the flux represented by Equation (2) to Equation (1). where kB is the Boltzmann constant, ei is the energy of the i-th atom, v i is the velocity of the i-th atom and Si is the stress of the i-th atom.
Figure 0007302621000002
Figure 0007302621000003

系の熱流J(t)は原子毎の寄与Jiの和として表される。この和を、同一分子に属する原子について和をとったJmolで置き換え、異なる分子に属する原子間の相関を無視することで、数式(3)の熱伝導度κは数式(4)のように熱伝導度κの近似式として表すことができる。ここで、数式(4)に置いてダッシュを付したΣ記号は各分子についての和を取る演算子を意味する。

Figure 0007302621000004
The heat flow J(t) of the system is expressed as the sum of the per-atom contributions Ji. By replacing this sum with Jmol, which is the sum of atoms belonging to the same molecule, and ignoring the correlation between atoms belonging to different molecules, the thermal conductivity κ in equation (3) is thermally It can be expressed as an approximation of the conductivity κ. Here, the dashed Σ symbol in Equation (4) means an operator that takes the sum of each molecule.
Figure 0007302621000004

高分子の熱伝導度κにほとんど寄与しない分子間の熱流相関を無視することによって、そこに含まれるランダムな誤差が取り除かれる。これによって、有機材料輸送特性評価における統計誤差が低減され、複数の初期配置に対して平均を算出する必要がなくなり、評価における計算負荷を大幅に削減することができる。 By ignoring the intermolecular heat flow correlations, which contribute little to the thermal conductivity κ of the polymer, the random errors involved are removed. This reduces the statistical error in the organic material transport property evaluation, eliminates the need to calculate the average for a plurality of initial configurations, and can greatly reduce the computational load in the evaluation.

[実施例1]
Green-Kubo公式を用いて計算した熱伝導度に対する同一分子内及び異なる分子間の熱流の相関関数の寄与について検討した。
[Example 1]
The contribution of the correlation function of heat flow within the same molecule and between different molecules to the thermal conductivity calculated using the Green-Kubo formula was examined.

アモルファス構造の直鎖高分子材料の熱伝導度κについて、Green-Kubo(GK)公式を用いた平衡分子動力学(EMD)計算による有機材料輸送特性評価を行った。 Organic material transport characteristics were evaluated by equilibrium molecular dynamics (EMD) calculations using the Green-Kubo (GK) formula for the thermal conductivity κ of linear polymer materials with an amorphous structure.

ポリマー1分子の長さを約120Åとし、原子数Nとして5万原子からなるアモルファス構造を作成して分子動力学(MD)計算を行った。ポリマーの初期構造の作成、及び、分子動力学(MD)計算にはプログラムEMC(“Enhanced Monte Carlo (EMC),” http://montecarlo.sourceforge.net)、及び、LAMMPS(S. Plimpton, “Fast parallel algorithms for short-range molecular dynamics,” Journal of Computational Physics 117, 1 (1995).)を用いた。力場には水素原子を省略するUnited Atom力場であるOPLS-UAを用いた。タイムステップには2.0fsを用いた。構造の平衡化には、Nose-Hooverの熱浴(W. G. Hoover, “Canonical dynamics: Equilibrium phase-space distributions,” Physical Review A 31, 1695 (1985).)、及び、Parrinello-Rahmanの圧力浴(M. Parrinello and A. Rahman, “Polymorphic transitions in single crystals: A new molecular dynamics method,” Journal of Applied Physics 52, 7182 (1981).)による温度、圧力一定のNPTアンサンブルを用いて、300K、1atmで500ps保持して平衡化を行った。熱伝導度κの評価には、Green-Kubo (GK)公式を用いた。このとき、体積とエネルギーを一定にしたNVEアンサンブルを用いて300Kにおいて500psの熱流の計算を行った。HFACFの期待値計算のための積分時間を460ps、GK公式における積分時間を40psとした。 Molecular dynamics (MD) calculations were performed by creating an amorphous structure consisting of 50,000 atoms, where the length of one polymer molecule is about 120 Å and the number of atoms is N. The programs EMC (“Enhanced Monte Carlo (EMC),” http://montecarlo.sourceforge.net) and LAMMPS (S. Plimpton, “ Fast parallel algorithms for short-range molecular dynamics," Journal of Computational Physics 117, 1 (1995).) was used. OPLS-UA, which is a United Atom force field omitting hydrogen atoms, was used as the force field. A time step of 2.0 fs was used. For structural equilibration, Nose-Hoover heat bath (W. G. Hoover, "Canonical dynamics: Equilibrium phase-space distributions," Physical Review A 31, 1695 (1985).) and Parrinello-Rahman pressure bath (M Parrinello and A. Rahman, "Polymorphic transitions in single crystals: A new molecular dynamics method," Journal of Applied Physics 52, 7182 (1981). Hold and equilibrate. The Green-Kubo (GK) formula was used to evaluate the thermal conductivity κ. At this time, a heat flow of 500 ps was calculated at 300 K using an NVE ensemble with constant volume and energy. The integration time for HFACF expected value calculation was 460 ps, and the integration time in the GK formula was 40 ps.

図2は、ポリエチレン(PE)に対して熱流(HF)の相関関数の計算結果を示す。図2(a)は、同一分子内の熱流の自己相関関数(ACF)を示す。図2(b)は、異なる分子間の熱流の相互相関関数(CCF)を示す。なお、図2(a)及び図2(b)において、10fs~10fsの期間における計算結果を拡大して内挿図として示した。 FIG. 2 shows the calculated results of the heat flow (HF) correlation function for polyethylene (PE). FIG. 2(a) shows the autocorrelation function (ACF) of the heat flow within the same molecule. FIG. 2(b) shows the cross-correlation function (CCF) of heat flow between different molecules. In FIGS. 2(a) and 2(b), the calculation results in the period from 10 2 fs to 10 4 fs are enlarged and shown as interpolated diagrams.

これらの和を時間に対して積分することで熱伝導度κが得られる。図2(a)から、評価開始時から10fs以下の期間において、分子内の熱流の自己相関関数(ACF)が比較的大きな値をとり、熱伝導度に大きく寄与することがわかった。一方、図2(b)から、異なる分子間における熱流の相互相関関数(CCF)は、評価開始時から10fs以下の期間において分子内の熱流の自己相関関数(ACF)よりも値が十分に小さく、10fs以上の期間においてランダムな誤差を含むことがわかった。 The thermal conductivity κ is obtained by integrating these sums over time. From FIG. 2(a), it was found that the autocorrelation function (ACF) of the intramolecular heat flow takes a relatively large value in a period of 10 3 fs or less from the start of the evaluation, which greatly contributes to the thermal conductivity. On the other hand, from FIG. 2(b), the cross-correlation function (CCF) of the heat flow between different molecules is sufficiently higher than the auto-correlation function (ACF) of the heat flow within the molecule in the period of 10 3 fs or less from the start of the evaluation. , and contains random errors in periods longer than 10 3 fs.

図2(a)及び図2(b)から、熱流の相関関数を分子内の自己相関関数(ACF)と分子間の相互相関関数(CCF)に分けることで、熱伝導度に主に寄与する成分と誤差成分とを分離できる。本実施例では、熱流の相関関数を分子内の自己相関関数(ACF)のみから熱伝導度を求める。これによって、分子間の相互相関関数(CCF)の誤差の影響を避けることができる。一方、従来法では、複数の初期構造について計算を行い、平均をとる必要がある。 From FIGS. 2(a) and 2(b), dividing the heat flow correlation function into the intramolecular autocorrelation function (ACF) and the intermolecular cross-correlation function (CCF) contributes mainly to the thermal conductivity Components and error components can be separated. In this embodiment, the thermal conductivity is obtained only from the intramolecular autocorrelation function (ACF) as the correlation function of the heat flow. This avoids the effects of intermolecular cross-correlation function (CCF) errors. On the other hand, in the conventional method, it is necessary to perform calculations for multiple initial structures and take the average.

図3は、ポリエチレン(PE)に対してGreen-Kubo(GK)公式を用いて熱伝導度を計算した結果を示す。図3において、横軸はGreen-Kubo(GK)公式の計算に用いる時間積分のカットオフ時間を示す。図3(a)は、ポリエチレン(PE)の20個の初期配置について熱伝導度を計算した結果の平均値を示す。図3(a)において、太実線は熱伝導度に対する同一分子内の自己相関関数(ACF)の寄与を示し、破線は熱伝導度に対する異なる分子間の熱流の相互相関関数(CCF)の寄与を示す。また、図3(a)において、細実線は、同一分子内の自己相関関数(ACF)の寄与と異なる分子間の熱流の相互相関関数(CCF)の寄与との和を示し、これが従来法において計算された熱伝導度を示すことになる。 FIG. 3 shows the results of calculating the thermal conductivity of polyethylene (PE) using the Green-Kubo (GK) formula. In FIG. 3, the horizontal axis indicates the cutoff time of time integration used for calculation of the Green-Kubo (GK) formula. FIG. 3(a) shows the average value of the thermal conductivity calculated for 20 initial configurations of polyethylene (PE). In FIG. 3(a), the thick solid line indicates the contribution of the autocorrelation function (ACF) within the same molecule to the thermal conductivity, and the dashed line indicates the contribution of the cross-correlation function (CCF) of the heat flow between different molecules to the thermal conductivity. show. In addition, in FIG. 3(a), the thin solid line indicates the sum of the contribution of the autocorrelation function (ACF) within the same molecule and the contribution of the cross-correlation function (CCF) of the heat flow between different molecules, which is the same as in the conventional method. Calculated thermal conductivity will be shown.

図3(b)は、ポリエチレン(PE)の20個の初期配置の各々について熱伝導度の同一分子内の自己相関関数(ACF)の寄与を計算した結果を示す。図3(c)は、ポリエチレン(PE)の20個の初期配置の各々について熱伝導度の異なる分子間の熱流の相互相関関数(CCF)の寄与を計算した結果を示す。 FIG. 3(b) shows the calculated results of the intramolecular autocorrelation function (ACF) contribution of thermal conductivity for each of the 20 initial configurations of polyethylene (PE). FIG. 3(c) shows the calculated cross-correlation function (CCF) contribution of heat flow between molecules with different thermal conductivities for each of the 20 initial configurations of polyethylene (PE).

図3(a)において、ポリエチレン(PE)の熱伝導度(細線)の計算結果は2×10fs以上の期間において増加した。これは、熱伝導度に対する異なる分子間の熱流の相互相関関数(CCF)のランダムな誤差に起因する統計誤差に起因する。図3(a)の太実線で示すように、異なる分子間の熱流の相互相関関数(CCF)の寄与を無視して、同一分子内の自己相関関数(ACF)の寄与のみを用いた場合、10fs以上の期間において熱伝導度は一定値に収束した。 In FIG. 3( a ), the calculated thermal conductivity (thin line) of polyethylene (PE) increased over a period of 2×10 4 fs or more. This is due to statistical errors due to random errors in the cross-correlation function (CCF) of heat flow between different molecules to thermal conductivity. As indicated by the thick solid line in FIG. The thermal conductivity converged to a constant value for a period of 10 4 fs or longer.

図4は、ポリスチレン(PS)に対してGreen-Kubo(GK)公式を用いて熱伝導度を計算した結果を示す。図4において、横軸はGreen-Kubo(GK)公式の計算に用いる時間積分のカットオフ時間を示す。図4(a)は、ポリスチレン(PS)の20個の初期配置について熱伝導度を計算した結果の平均値を示す。図4(a)において、太実線は熱伝導度に対する同一分子内の自己相関関数(ACF)の寄与を示し、破線は熱伝導度に対する異なる分子間の熱流の相互相関関数(CCF)の寄与を示す。また、図4(a)において、細実線は、同一分子内の自己相関関数(ACF)の寄与と異なる分子間の熱流の相互相関関数(CCF)の寄与との和を示し、これが従来法において計算された熱伝導度を示すことになる。 FIG. 4 shows the results of calculating the thermal conductivity of polystyrene (PS) using the Green-Kubo (GK) formula. In FIG. 4, the horizontal axis indicates the cutoff time of the time integration used for calculating the Green-Kubo (GK) formula. FIG. 4(a) shows the average value of the thermal conductivity calculated for 20 initial arrangements of polystyrene (PS). In FIG. 4(a), the thick solid line indicates the contribution of the autocorrelation function (ACF) within the same molecule to the thermal conductivity, and the dashed line indicates the contribution of the cross-correlation function (CCF) of the heat flow between different molecules to the thermal conductivity. show. In addition, in FIG. 4(a), the thin solid line indicates the sum of the contribution of the autocorrelation function (ACF) within the same molecule and the contribution of the cross-correlation function (CCF) of the heat flow between different molecules. Calculated thermal conductivity will be shown.

図4(b)は、ポリスチレン(PS)の20個の初期配置の各々について熱伝導度の同一分子内の自己相関関数(ACF)の寄与を計算した結果を示す。図4(c)は、ポリスチレン(PS)の20個の初期配置の各々について熱伝導度の異なる分子間の熱流の相互相関関数(CCF)の寄与を計算した結果を示す。 FIG. 4(b) shows the results of calculating the contribution of the intramolecular autocorrelation function (ACF) of the thermal conductivity for each of the 20 initial configurations of polystyrene (PS). FIG. 4(c) shows the calculated cross-correlation function (CCF) contribution of heat flow between molecules with different thermal conductivities for each of the 20 initial configurations of polystyrene (PS).

図4(a)に示すように、ポリスチレン(PS)の熱伝導度の計算結果では、10fs以上の期間において、太実線で示した熱伝導度に対する同一分子内の自己相関関数(ACF)の寄与、及び、細実線で示した同一分子内の自己相関関数(ACF)の寄与と異なる分子間の熱流の相互相関関数(CCF)の寄与との和のいずれも一定値に収束した。すなわち、ポリスチレン(PS)の熱伝導度の計算では、異なる分子間の熱流の相互相関関数(CCF)の寄与は十分小さく、無視できる程度であった。 As shown in FIG. 4(a), in the calculation results of the thermal conductivity of polystyrene ( PS ), the autocorrelation function (ACF) within the same molecule with respect to the thermal conductivity indicated by the thick solid line is and the sum of the contribution of the autocorrelation function (ACF) within the same molecule and the contribution of the cross-correlation function (CCF) of heat flow between different molecules, indicated by the thin solid line, converged to a constant value. That is, in the calculation of the thermal conductivity of polystyrene (PS), the contribution of the cross-correlation function (CCF) of heat flow between different molecules was sufficiently small to be negligible.

以上のように、異なる分子間の熱流の相互相関関数(CCF)を無視することによって、そこに含まれるランダムな誤差が取り除かれ、複数の初期配置に対して平均を算出することなく、熱伝導度を高い精度で評価することができることが分かった。また、計算負荷を大幅に削減することができることが分かった。 Thus, by ignoring the cross-correlation function (CCF) of the heat flow between different molecules, the random errors contained therein are removed, and the heat conduction It was found that the degree can be evaluated with high accuracy. It was also found that the computational load can be significantly reduced.

図5は、熱伝導度について典型的な直鎖高分子材料の単量体を繋ぎ合わせたときの分子の長さ依存性を示す。図5(a)は、比較例として従来法によって計算された熱伝導度の分子の長さ依存性を示す。図5(b)は、実施例において異なる分子間の熱流の相互相関関数(CCF)の寄与を無視して計算された熱伝導度の分子の長さ依存性を示す。図5において、横軸は計算に用いた分子の長さ(Å)を示す。また、図5において、丸印は20個の分子の初期配置に対して計算した熱伝導度の平均値を示す。また、図5において、誤差バーは計算結果の標準偏差を示す。 FIG. 5 shows the molecular length dependence of thermal conductivity when connecting monomers of a typical linear polymer material. FIG. 5(a) shows the molecular length dependency of thermal conductivity calculated by the conventional method as a comparative example. FIG. 5(b) shows the molecular length dependence of thermal conductivity calculated ignoring the contribution of the cross-correlation function (CCF) of the heat flow between different molecules in the example. In FIG. 5, the horizontal axis indicates the molecular length (Å) used in the calculation. Also, in FIG. 5, circles indicate average values of thermal conductivities calculated with respect to initial configurations of 20 molecules. Also, in FIG. 5, the error bars indicate the standard deviation of the calculation results.

なお、図6は、計算に用いた典型的な直鎖高分子材料の単量体の分子構造を示す。図6において、星印は単量体の結合位置を表す。 In addition, FIG. 6 shows the molecular structure of a monomer of a typical linear polymer material used for the calculation. In FIG. 6, asterisks represent the binding positions of the monomers.

図5(a)に示すように、従来法では20個の初期配置に対する個々の計算値の標準偏差(誤差棒)が大きくなった。したがって、複数の初期配置に対して計算を行い、平均値を算出することで熱伝導度の傾向が得られた(丸印)。ただし、平均値が滑らかな曲線には乗らなかったことから、図5(a)に示した結果には誤差が残っていると推察される。 As shown in FIG. 5(a), in the conventional method, the standard deviation (error bar) of the individual calculated values for the 20 initial arrangements increased. Therefore, the trend of thermal conductivity was obtained by calculating the average value after performing calculations for a plurality of initial configurations (circles). However, since the average value did not lie on the smooth curve, it is presumed that an error remains in the results shown in FIG. 5(a).

一方、図5(b)に示すように、実施例の有機材料輸送特性評価方法を適用した20個の初期配置に対する個々の計算値ではほとんどばらつきがなかった。したがって、1つの初期配置に対する個々の計算値でも十分な精度で熱伝導度を評価することができた。実施例では、異なる分子間の熱流の相互相関関数(CCF)の寄与を無視したため、熱伝導度はわずかに過小評価されたものの、各直鎖高分子材料の熱伝導度の序列は従来法の結果とよく一致した。したがって、実施例の有機材料輸送特性評価方法においても計算自動探索には十分な精度であった。また、実施例では、標準偏差は従来法の1/10程度に低減され、すなわち統計誤差が1/100程度に低減された。 On the other hand, as shown in FIG. 5(b), there was little variation in individual calculated values for 20 initial arrangements to which the organic material transport property evaluation method of the example was applied. Therefore, it was possible to evaluate the thermal conductivity with sufficient accuracy even with individual calculated values for one initial configuration. In the example, the contribution of the cross-correlation function (CCF) of the heat flow between different molecules was ignored, so the thermal conductivity was slightly underestimated, but the order of the thermal conductivity of each linear polymer material was the same as that of the conventional method. The results were in good agreement. Therefore, the method for evaluating transport characteristics of organic materials in the example also had sufficient accuracy for automatic computational search. Moreover, in the example, the standard deviation was reduced to about 1/10 of the conventional method, that is, the statistical error was reduced to about 1/100.

[時間-応力ゆらぎ相関関数]
粘性ηは、Green-Kubo公式を用いて評価することができる。ある時点における系の応力の非対角成分pab(ab={xy,xz,yx})は数式(5)で表すことができる。ここで、Vは系の体積、Nは系の全原子数、mはi番目の原子の質量、vはi番目の原子の速度、rijはi番目の原子とj番目の原子の間の距離、fijはi番目の原子とj番目の原子の間の相互作用である。

Figure 0007302621000005
[Time-stress fluctuation correlation function]
Viscosity η can be evaluated using the Green-Kubo formula. The off-diagonal component p ab (ab={xy, xz, yx}) of the system stress at a certain point in time can be expressed by Equation (5). where V is the volume of the system, N is the total number of atoms in the system, m i is the mass of the i-th atom, v i is the velocity of the i-th atom, r ij is the The distance between, f ij is the interaction between the i-th atom and the j-th atom.
Figure 0007302621000005

この応力に対する時間相関関数を用いて数式(6)を定義する。ここで、kBはボルツマン定数、Tは温度である。また、<・・・>は初期時間t0を変えてサンプリングしたアンサンブル平均操作を意味する。

Figure 0007302621000006
Equation (6) is defined using the time correlation function for this stress. where kB is the Boltzmann constant and T is the temperature. Also, <...> means an ensemble averaging operation sampled at different initial times t0.
Figure 0007302621000006

φ(t)に対する時間積分は数式(7)と表すことができ、数式(8)にて粘性ηを求めることができる。

Figure 0007302621000007
Figure 0007302621000008
The time integral with respect to φ(t) can be represented by Equation (7), and the viscosity η can be obtained by Equation (8).
Figure 0007302621000007
Figure 0007302621000008

数値計算上は数式(8)での時間t→∞を扱うことはできないが、時間tを長く取ることによってΦ(t)が有限値に収束することから、一定時間に対する計算で打ち切って粘性ηを評価することができる。 Numerical calculations cannot handle time t→∞ in formula (8), but by taking a long time t, Φ(t) converges to a finite value. can be evaluated.

しかしながら、収束が遅く、数値計算上の結果のばらつきも大きくなるため、複数のサンプリングによる統計的平均処理やモデル式へのフィッティングを行うことで精度を高める方法が従来から採用されている。 However, since the convergence is slow and the numerical calculation results vary widely, a method of improving accuracy by performing statistical averaging by multiple sampling or fitting to a model formula has been conventionally adopted.

本実施の形態における有機材料輸送特性評価装置100では、せん断弾性定数Gが数式(7)を用いて数式(9)と対応付けられることを利用する。

Figure 0007302621000009
Organic material transport property evaluation apparatus 100 in the present embodiment utilizes the fact that shear elastic constant G∞ is associated with formula (9) using formula (7).
Figure 0007302621000009

数式(9)で表される量の統計誤差や計算負荷が大幅に小さいことを利用して、数式(10)のアレニウス式を用いて粘性ηを算出する。ここで、Tは系の沸点、α,α’はパラメータ、ηは沸点における粘性である。

Figure 0007302621000010
The viscosity η is calculated using the Arrhenius equation of Equation (10), taking advantage of the fact that the statistical error of the quantity represented by Equation (9) and the calculation load are significantly small. where T b is the boiling point of the system, α, α' are the parameters, and η 0 is the viscosity at the boiling point.
Figure 0007302621000010

数式(5)は、原子毎の応力を示す数式(11)を用いて数式(12)と書き直すことができる。ここで、Nmolは系に含まれる分子数、pバー(p上にバーを付した値)は分子毎の応力である。分子毎の応力pバーは、ある分子kを構成する原子の応力の和を意味する。

Figure 0007302621000011
Figure 0007302621000012
Equation (5) can be rewritten as Equation (12) using Equation (11), which indicates the stress per atom. Here, Nmol is the number of molecules contained in the system, and p bar (a value with a bar above p) is the stress per molecule. The per-molecule stress p bar means the sum of the stresses of the atoms composing a certain molecule k.
Figure 0007302621000011
Figure 0007302621000012

数式(9)のせん断弾性定数G∞を求める際、数式(6)の相関関係部分は数式(13)として表すことができる。なお、数式(13)の近似式は、単一分子種の純溶媒のときに等号が成立する。

Figure 0007302621000013
When determining the shear elastic constant G∞ of Equation (9), the correlation part of Equation (6) can be expressed as Equation (13). In the approximation formula (13), the equal sign holds for a pure solvent of a single molecular species.
Figure 0007302621000013

このように、全系の応力に関する時間相関を分子毎の応力の時間相関に変換することによって、初期時刻tの違いだけでなく、分子数での統計的な平均をとることが可能となる。したがって、従来の方法に対して数値計算上のばらつきを抑制することができる。 In this way, by converting the time correlation of the stress of the entire system into the time correlation of the stress of each molecule, it is possible to take a statistical average of not only the difference in the initial time t0 but also the number of molecules. . Therefore, variations in numerical calculation can be suppressed as compared with the conventional method.

[粘度及び拡散係数の評価]
数式(13)に基づいて、多成分系における粘度及び拡散係数を評価する方法について検討する。以下では、説明を簡単にするために成分A及び成分Bからなる液体の2成分系について検討する。
[Evaluation of Viscosity and Diffusion Coefficient]
Based on Equation (13), a method for evaluating viscosity and diffusion coefficient in multi-component systems is examined. In the following, a liquid two-component system consisting of component A and component B will be considered for simplicity of explanation.

成分A及び成分Bのモル比がr:r(ここでr+r=1)であるとすると、数式(13)は数式(14)及び数式(15)で表される。なお、以下、初期時刻を示すtは省略する。また、数式(16)の様に表記を省略した。

Figure 0007302621000014
Figure 0007302621000015
Figure 0007302621000016
Assuming that the molar ratio of component A and component B is r A :r B (where r A +r B =1), equation (13) is expressed by equations (14) and (15). Note that t0 indicating the initial time is omitted below. In addition, the notation is omitted as in Expression (16).
Figure 0007302621000014
Figure 0007302621000015
Figure 0007302621000016

せん断弾性定数Gは数式(17)及び数式(18)で表される。数式(18)に示すように、せん断弾性定数Gは、成分xのモル分率とせん断弾性定数G∞,xの線形和で表すことができる。

Figure 0007302621000017
Figure 0007302621000018
The shear elastic constant G∞ is expressed by Equations (17) and (18). As shown in Equation (18), the shear elastic constant G∞ can be represented by the linear sum of the molar fraction of the component x and the shear elastic constant G∞ ,x .
Figure 0007302621000017
Figure 0007302621000018

ここで、粘性予測のための最も簡潔なアレニウス式(数式(19))を用いると、粘性ηは数式(20)及び数式(21)で表される。

Figure 0007302621000019
Figure 0007302621000020
Figure 0007302621000021
Here, using the simplest Arrhenius equation (equation (19)) for viscosity prediction, the viscosity η is represented by equations (20) and (21).
Figure 0007302621000019
Figure 0007302621000020
Figure 0007302621000021

これは、全系の粘性ηが、系を構成する成分毎の比率と粘性を用いて評価できることを示している。さらに、経験的な混合溶媒粘性の予測式(例えば、Viswanath, D. S. et al., “Viscosity of Liquids: Theory, Estimation, Experiment, and Data” (Springer, 2007).の式(5.28))と一致する。 This indicates that the viscosity η of the entire system can be evaluated using the ratio and viscosity of each component constituting the system. Furthermore, it agrees with the empirical formula for predicting mixed solvent viscosity (e.g., formula (5.28) in Viswanath, D. S. et al., “Viscosity of Liquids: Theory, Estimation, Experiment, and Data” (Springer, 2007). .

粘性ηと拡散係数Dとの関係は、数式(22)のStokes-Einsteinの関係として表すことができる。ここで、Rは拡散粒子径、λは理論的には6(Stick条件)又は4(Slip条件)である。λの値は、拡散粒子と溶媒との関係で決定され、実験的には定数にならない場合もある。

Figure 0007302621000022
The relationship between the viscosity η and the diffusion coefficient D can be expressed as the Stokes-Einstein relationship of Equation (22). Here, R is the diffusion particle diameter, and λ is theoretically 6 (Stick condition) or 4 (Slip condition). The value of λ is determined by the relationship between the diffusing particles and the solvent, and may not be a constant experimentally.
Figure 0007302621000022

数式(22)で示されるように、拡散係数Dと粘性ηとは反比例関係にある。拡散係数Dは、さらに数式(23)で表される。ここで、cは比例定数である。また、数式(21)を用いた。

Figure 0007302621000023
As shown by Equation (22), the diffusion coefficient D and the viscosity η are in an inversely proportional relationship. The diffusion coefficient D is further represented by Equation (23). where c is the constant of proportionality. Also, Equation (21) was used.
Figure 0007302621000023

数式(23)は、全系の拡散係数Dが系を構成する成分xの粘性ηxと成分比率を用いて表されることを意味する。そこで、M成分系に一般化すると、x成分の拡散係数Dxは数式(24)で表され、全系の拡散係数Dは数式(25)で表される。

Figure 0007302621000024
Figure 0007302621000025
Equation (23) means that the diffusion coefficient D of the entire system is expressed using the viscosity ηx of the component x constituting the system and the component ratio. Therefore, when generalized to the M component system, the diffusion coefficient Dx of the x component is expressed by Equation (24), and the diffusion coefficient D of the entire system is expressed by Equation (25).
Figure 0007302621000024
Figure 0007302621000025

[実施例2]
本実施例では、単成分液体にて、分子応力相関の和表式(数式(13))が全応力相関(数式(6))と変わらないか確認した。
[Example 2]
In this example, it was confirmed whether the sum expression of the molecular stress correlation (equation (13)) was the same as the total stress correlation (equation (6)) in a single-component liquid.

分子動力学(MD)計算は、LAMMPSプログラム(version 5 Jun 2019)(Plimpton, S., “Fast Parallel Algorithms for Short-Range Molecular Dynamics”, J. Comput. Phys. 117, 1-19 (1995), http://lammps.sandia.gov.)を用いて実施した。分子力場パラメータは、GAFF(Wang, J. et al., “Development and testing of a general amber force field”, J. Comput. Chem. 25, 1157-1174 (2004). doi:10.1002/jcc.20035.)を適用し、電荷はRESP法(Bayly, C. I. et al., “A well-behaved electrostatic potential based method using charge restraints for deriving atomic charges: the RESP model”, J. Phys. Chem. 97, 10269-10280)でAntechamberプログラム(Case, D. A. et al., “AMBER 2018”, University of California, San Francisco, 2018.)を用いてアサインした。なおRESP電荷の算出には、Gaussian09プログラム(Frisch, M. J. et al., “Gaussian 09, Revision E.01”, Gaussian Inc. Wallingford CT.)によるHF/6-31G//B3LYP/6-31++G**レベルの結果を利用した。 Molecular dynamics (MD) calculations were performed using the LAMMPS program (version 5 Jun 2019) (Plimpton, S., "Fast Parallel Algorithms for Short-Range Molecular Dynamics", J. Comput. Phys. 117, 1-19 (1995), http://lammps.sandia.gov.). Molecular force field parameters are obtained from GAFF (Wang, J. et al., “Development and testing of a general amber force field”, J. Comput. Chem. 25, 1157-1174 (2004). doi:10.1002/jcc.20035 ), and the charge is determined by the RESP method (Bayly, C. I. et al., “A well-behaved electrostatic potential based method using charge restraints for deriving atomic charges: the RESP model”, J. Phys. Chem. 97, 10269- 10280) using the Antechamber program (Case, D. A. et al., “AMBER 2018”, University of California, San Francisco, 2018.). HF/6-31G//B3LYP/6-31++G** according to the Gaussian09 program (Frisch, M.J. et al., "Gaussian 09, Revision E.01", Gaussian Inc. Wallingford CT.) was used to calculate the RESP charge. I used the result of the level.

初期構造には、Packmolプログラム(Martinez, L. et al., “PACKMOL: A package for building initial configurations for molecular dynamics simulations”, J. Comput. Chem. 30, 2157-2164 (2009). doi:10.1002/jcc.21224.)を用いて、構成分子群をランダム配置で充填した立方セルを用いた。セルの大きさは、約1g/cmとなるように設定した。セル中の分子数は、モル比に合わせて600個含まれるようにした。 For the initial structure, the Packmol program (Martinez, L. et al., "PACKMOL: A package for building initial configurations for molecular dynamics simulations", J. Comput. Chem. 30, 2157-2164 (2009). doi:10.1002/ jcc.21224.), cubic cells filled with constituent molecules in random arrangement were used. The cell size was set to about 1 g/cm 3 . The number of molecules in the cell was adjusted to 600 in accordance with the molar ratio.

分子動力学(MD)計算では、まずエネルギー最小化後、時間刻み0.25fsにて初期構造緩和(NVEとNVTアンサンブル)を実施し、その後時間刻み1.0fs、1atm下でのNPTアンサンブルにて体積も緩和して平衡構造を作成した。得られた平衡構造から、本計算を時間刻み1.0fsのNVTアンサンブルにて1ns(1,000,000step)行い、解析に用いた。温度は室温とした。長距離相互作用の計算にはPPPM法(精度パラメータは10?4)を用い、相互作用のカットオフ値は10Åとした。 In the molecular dynamics (MD) calculation, first, after energy minimization, initial structural relaxation (NVE and NVT ensemble) is performed at a time step of 0.25 fs, and then with a time step of 1.0 fs and an NPT ensemble under 1 atm. The volume was also relaxed to create an equilibrium structure. Based on the obtained equilibrium structure, this calculation was performed for 1 ns (1,000,000 steps) with an NVT ensemble with a time step of 1.0 fs, and used for analysis. The temperature was room temperature. The PPPM method (accuracy parameter of 10 −4 ) was used for calculation of long-range interactions, and the interaction cut-off value was 10 Å.

原子・分子ごとの応力算出には、LAMMPSプログラムのcompute stress/atomコマンドと、compute reduce/chunkコマンドを利用した。前者は原子ごとの応力を計算する機能、後者は設定したまとまり(ここでは分子単位)で合算して出力する機能である。 A compute stress/atom command and a compute reduce/chunk command of the LAMMPS program were used to calculate the stress for each atom/molecule. The former is a function for calculating the stress for each atom, and the latter is a function for summing and outputting a set group (in this case, on a per-molecule basis).

図7は、ポリカーボネイト(PC)に対する応力に対する時間相関をプロットした結果を示す。図7(a)は短時間領域における計算結果を示し、図7(b)は長時間領域における計算結果を示す。図7(a)及び図7(b)において、濃実線は全応力相関を示し、薄実線は分子毎の応力相関(図では計算結果から-0.05した値)を示す。また、図7(c)は、図7(b)における全応力相関と分子毎の応力相関の差を示す。 FIG. 7 shows the results of plotting stress versus time for polycarbonate (PC). FIG. 7(a) shows the calculation results in the short-time domain, and FIG. 7(b) shows the calculation results in the long-time domain. In FIGS. 7(a) and 7(b), the thick solid line indicates the total stress correlation, and the thin solid line indicates the stress correlation for each molecule (value obtained by subtracting -0.05 from the calculation result in the figure). FIG. 7(c) shows the difference between the total stress correlation and the stress correlation for each molecule in FIG. 7(b).

図7(a)及び図7(b)に示すように、短時間領域及び長時間領域のいずれにおいても全応力相関と分子応力相関和の振動挙動は全体的によく一致した。しかしながら、図7(c)に示したように、全応力相関と分子応力相関和にはわずかに差が見られた。時間t=0のときの全応力相関と分子毎の応力相関の差異は-0.0009[mPas/fs]であった。相関時間が進むにつれ、徐々に誤差が大きくなり、時間t=30付近で最大となり、その後小さくなったが0近傍で一定の幅をもって振動が続いた。当該誤差は、実施例において用いた近似によるもの、すなわち分子間の相互相関を無視していることによるものと推察される。しかしながら、本実施例における有機材料輸送特性評価方法では、ごく短い相関時間(10fs以下)の情報が重要であり、当該時間では誤差も相対的に小さいことから、拡散係数の評価に使用できると考えられる。 As shown in FIGS. 7( a ) and 7 ( b ), the oscillation behaviors of the total stress correlation and the sum of molecular stress correlations generally agreed well in both the short-term region and the long-term region. However, as shown in FIG. 7(c), there was a slight difference between the total stress correlation and the molecular stress correlation sum. The difference between the total stress correlation and the stress correlation for each molecule at time t=0 was -0.0009 [mPas/fs]. As the correlation time progressed, the error gradually increased, reaching a maximum around time t=30 and then decreasing, but the oscillation continued with a constant width around t=0. The error is presumed to be due to the approximation used in the examples, that is, due to ignoring the cross-correlation between molecules. However, in the organic material transport property evaluation method in this example, information in a very short correlation time (10 fs or less) is important, and the error in this time is relatively small, so it is thought that it can be used to evaluate the diffusion coefficient. be done.

[実施例3]
本実施例では、2成分溶液系における応力について評価した。図8は、ポリカーボネイト(PC)と1,2-ジメトキシエタン(DME)を50%:50%で混合した系に対する応力ゆらぎの時間相関を示す。図8(a)は短時間領域における計算結果を示し、図8(b)は長時間領域における計算結果を示す。図8(a)及び図8(b)において、濃実線は全応力相関を示し、薄実線は分子毎の応力相関(図では計算結果から-0.05した値)を示す。さらに、図8(a)では、薄破線はポリカーボネイト(PC)のみの成分和、薄鎖線は1,2-ジメトキシエタン(DME)のみの成分和を示す。また、図8(c)は、図8(b)における全応力相関と分子毎の応力相関の差を示す。
[Example 3]
In this example, the stress in a two-component solution system was evaluated. FIG. 8 shows the time correlation of stress fluctuations for a 50%:50% mixed system of polycarbonate (PC) and 1,2-dimethoxyethane (DME). FIG. 8(a) shows the calculation results in the short-time domain, and FIG. 8(b) shows the calculation results in the long-time domain. In FIGS. 8(a) and 8(b), the thick solid line indicates the total stress correlation, and the thin solid line indicates the stress correlation for each molecule (value obtained by subtracting -0.05 from the calculation result in the figure). Furthermore, in FIG. 8(a), the thin dashed line indicates the sum of the components of polycarbonate (PC) only, and the thin dashed line indicates the sum of the components of 1,2-dimethoxyethane (DME) only. Also, FIG. 8(c) shows the difference between the total stress correlation and the stress correlation for each molecule in FIG. 8(b).

図7に示した単成分系での議論と同様に、2成分系でも分子応力相関の総和は、短時間領域及び長時間領域ともに全応力相関によく一致した。図8(c)に示した両者の差では、時間t=0のときの全応力相関と分子毎の応力相関の差異は-0.0012[mPas/fs]であった。両者の差は、大きさ及び振動幅において少しの差異は見られたものの、おおむね単成分系と同様の挙動を示した。 Similar to the discussion of the single-component system shown in FIG. 7, the summation of the molecular stress correlations in the two-component system also agreed well with the total stress correlation in both the short-term region and the long-term region. In the difference between the two shown in FIG. 8(c), the difference between the total stress correlation and the stress correlation for each molecule at time t=0 was −0.0012 [mPas/fs]. The difference between the two showed a behavior similar to that of the single-component system, although there was a slight difference in magnitude and amplitude.

構成成分毎の計算結果では、ポリカーボネイト(PC)と1,2-ジメトキシエタン(DME)の成分に差異があることが分かった(なお、時刻t=0での一致は偶然である)。ポリカーボネイト(PC)の成分の挙動は、モル比が50%であるために単成分での応力ゆらぎにて振幅がちょうど半分になったことに対応する。すなわち、溶媒分子の種類は違ったとしても、個々の分子の寄与を足し合わせれば全系の応力相関を示すだけではなく、溶媒種類毎に足し合わせて成分寄与として評価できる。 In the calculation results for each component, it was found that there is a difference between the components of polycarbonate (PC) and 1,2-dimethoxyethane (DME) (the coincidence at time t=0 is a coincidence). The behavior of the polycarbonate (PC) component corresponds to just half the amplitude of the stress fluctuation in a single component due to the 50% molar ratio. That is, even if the types of solvent molecules are different, not only can the stress correlation of the entire system be shown by summing the contributions of individual molecules, but also the component contribution can be evaluated by summing up for each solvent type.

[実施例4]
本実施例では、多成分系での拡散係数Dの評価を検証した。多成分系にて成分毎の拡散係数Dは、NMR測定法による実験が可能であり、報告例が多く存在する。本実施の形態において検証対象とした系は、ポリカーボネイト(PC)と1,2-ジメトキシエタン(DME)の2成分系及びポリカーボネイト(PC)とジエチルカーボネート(DEC)の2成分系とした。
[Example 4]
In this example, the evaluation of the diffusion coefficient D in a multi-component system was verified. The diffusion coefficient D of each component in a multi-component system can be tested by the NMR measurement method, and there are many reported examples. The systems to be verified in this embodiment are a two-component system of polycarbonate (PC) and 1,2-dimethoxyethane (DME) and a two-component system of polycarbonate (PC) and diethyl carbonate (DEC).

成分毎の拡散係数Dを計算する際、従来法では分子間の応力相関も考慮した全応力相関を用い、実施例では分子間の応力相関は無視して分子毎の応力相関を用いた。従来法では、MD解析として一般的なEinstein法(平均二乗変位の傾き)を用いた。なお、計算条件は、解析に用いたサンプリングステップ数を実施例より大幅に長く(20倍)した以外、実施例と同等とした。 When calculating the diffusion coefficient D for each component, the conventional method used the total stress correlation considering the intermolecular stress correlation, and the embodiment used the stress correlation for each molecule while ignoring the intermolecular stress correlation. In the conventional method, a general Einstein method (slope of mean square displacement) was used as MD analysis. The calculation conditions were the same as in the example except that the number of sampling steps used in the analysis was significantly longer (20 times) than in the example.

図9(a)は、ポリカーボネイト(PC)と1,2-ジメトキシエタン(DME)の2成分系に対する成分毎の拡散係数Dを示す。図9(b)は、ポリカーボネイト(PC)とジエチルカーボネート(DEC)の2成分系に対する成分毎の拡散係数を示す。図9(a)及び図9(b)では、ポリカーボネイト(PC)に対する1,2-ジメトキシエタン(DME)又はジエチルカーボネート(DEC)の構成比率に対する成分毎の拡散係数Dを示す。黒四角印と太実線は実験値(早水紀久子, “3.リチウム電池用電解液の構造と輸送現象のNMR による研究”, Electrochemistry 81, 995-1000 (2013). doi:10.5796/electrochemistry.81.995.よるNMR測定値)、白三角印と鎖線は従来法による計算結果、白丸印と破線は本実施例による計算結果を示す。 FIG. 9(a) shows the diffusion coefficient D of each component for a binary system of polycarbonate (PC) and 1,2-dimethoxyethane (DME). FIG. 9(b) shows the diffusion coefficient for each component for a binary system of polycarbonate (PC) and diethyl carbonate (DEC). 9(a) and 9(b) show the diffusion coefficient D for each component with respect to the composition ratio of 1,2-dimethoxyethane (DME) or diethyl carbonate (DEC) to polycarbonate (PC). Black squares and thick solid lines are experimental values (Kikuko Hayami, “3. NMR Study of Structure and Transport Phenomenon of Electrolytes for Lithium Batteries”, Electrochemistry 81, 995-1000 (2013). doi:10.5796/electrochemistry.81.995 NMR measurement values according to the present invention), white triangles and dashed lines indicate calculation results by the conventional method, and white circles and dashed lines indicate calculation results by this embodiment.

純溶媒では、拡散係数Dはポリカーボネイト(PC)<1,2-ジメトキシエタン(DME)、ポリカーボネイト(PC)<ジエチルカーボネート(DEC)であることが知られている。ただし、図9に示したように、混合溶媒になると単体では低かったポリカーボネイト(PC)の拡散係数Dは高くなり、逆に単体では高かった1,2-ジメトキシエタン(DME)やジエチルカーボネート(DEC)の拡散係数Dは低くなり、濃度とも相関することが報告されている。なお、溶媒の種類によって傾向は異なり、ポリカーボネイト(PC)-1,2-ジメトキシエタン(DME)系の場合は各成分の拡散係数Dに差が見られるが、ポリカーボネイト(PC)-ジエチルカーボネート(DEC)系の場合は各成分の拡散係数が近い値を示す。 In pure solvents, the diffusion coefficients D are known to be polycarbonate (PC)<1,2-dimethoxyethane (DME) and polycarbonate (PC)<diethyl carbonate (DEC). However, as shown in FIG. 9, when the mixed solvent is used, the diffusion coefficient D of polycarbonate (PC), which was low when used alone, increased, and conversely, 1,2-dimethoxyethane (DME) and diethyl carbonate (DEC), which were high when used alone, increased. ) has been reported to be lower and correlated with concentration. In addition, the tendency differs depending on the type of solvent, and in the case of polycarbonate (PC)-1,2-dimethoxyethane (DME), there is a difference in the diffusion coefficient D of each component, but polycarbonate (PC)-diethyl carbonate (DEC ) system, the diffusion coefficients of each component show close values.

図9(a)及び図9(b)に示したように、従来法によって計算された各成分の拡散係数Dは、溶媒の濃度に応じた変化傾向はポリカーボネイト(PC)-1,2-ジメトキシエタン(DME)系、ポリカーボネイト(PC)-ジエチルカーボネート(DEC)系ともに再現された。しかしながら、従来法によって計算された各成分の拡散係数Dは、実験値に対して定量的に大幅に過小評価された。 As shown in FIGS. 9(a) and 9(b), the diffusion coefficient D of each component calculated by the conventional method shows a trend of change according to the solvent concentration of polycarbonate (PC)-1,2-dimethoxy Both the ethane (DME) system and the polycarbonate (PC)-diethyl carbonate (DEC) system were reproduced. However, the diffusion coefficient D of each component calculated by the conventional method was quantitatively significantly underestimated relative to the experimental value.

一方、本実施例では、ポリカーボネイト(PC)を0%として1,2-ジメトキシエタン(DME)又はジエチルカーボネート(DEC)の純溶媒とした場合、それぞれの成分の拡散係数Dは実験値と一致した。これに対して、ポリカーボネイト(PC)の拡散係数Dについては評価の精度が若干低下した。したがって、ポリカーボネイト(PC)-1,2-ジメトキシエタン(DME)系では、濃度変化に対して1,2-ジメトキシエタン(DME)の成分に対する拡散係数Dはよい一致をみせたが、ポリカーボネイト(PC)の成分に対する拡散係数Dは概ね過小評価となった。ポリカーボネイト(PC)-ジエチルカーボネート(DEC)系では、前述のように2成分の溶媒の拡散係数Dが一致する傾向があり、ポリカーボネイト(PC)の成分及びジエチルカーボネート(DEC)の成分ともに実験値に対して僅かに低い傾向を示した。しかしながら、従来法に比べて実験値に対する定量性は大幅に改善した。さらに、実施例では従来法に比べて計算コストは1/20程度であるにもかかわらず、計算値のばらつきは1/5~1/10の確度で算出できた。 On the other hand, in this example, when polycarbonate (PC) is 0% and 1,2-dimethoxyethane (DME) or diethyl carbonate (DEC) is used as a pure solvent, the diffusion coefficient D of each component agrees with the experimental value. . On the other hand, the evaluation accuracy of the diffusion coefficient D of polycarbonate (PC) slightly decreased. Therefore, in the polycarbonate (PC)-1,2-dimethoxyethane (DME) system, the diffusion coefficient D for the component of 1,2-dimethoxyethane (DME) showed good agreement with the concentration change, but the polycarbonate (PC) ) was generally underestimated. As mentioned above, in the polycarbonate (PC)-diethyl carbonate (DEC) system, the diffusion coefficients D of the two solvents tend to match, and both the polycarbonate (PC) component and the diethyl carbonate (DEC) component agree with the experimental values. showed a slightly lower trend. However, compared with the conventional method, quantification with respect to experimental values was greatly improved. Furthermore, in the example, although the calculation cost was about 1/20 that of the conventional method, the variation in the calculated values could be calculated with an accuracy of 1/5 to 1/10.

10 処理部、12 記憶部、14 入力部、16 出力部、18 通信部、100 有機材料輸送特性評価装置。
10 processing unit, 12 storage unit, 14 input unit, 16 output unit, 18 communication unit, 100 organic material transport property evaluation device.

Claims (5)

有機材料の輸送特性評価する有機材料輸送特性評価装置であって、
コンピュータを、
前記有機材料における流体の輸送特性Kが
Figure 0007302621000026
で表され、
輸送特性Kに対応する物理量Q(t)の時間微分であるフラックス[Q(t)ドット]において前記有機材料の分子間のフラックスの相関を除いて輸送特性を算出する手段として機能させることを特徴とする有機材料輸送特性評価装置。
An organic material transport property evaluation device for evaluating the transport property of an organic material,
the computer,
The transport property K of the fluid in the organic material is
Figure 0007302621000026
is represented by
The flux [Q(t) dot], which is the time derivative of the physical quantity Q(t) corresponding to the transport characteristic K, is used as a means for calculating the transport characteristic K by removing the correlation of the flux between the molecules of the organic material. An organic material transport property evaluation device characterized by:
請求項に記載の有機材料輸送特性評価装置であって、
前記有機材料の分子間の熱流相関を除いてアモルファス構造を有する直鎖高分子鎖材料の熱伝導度を計算することを特徴とする有機材料輸送特性評価装置。
The organic material transport property evaluation device according to claim 1 ,
An organic material transport characteristic evaluation apparatus for calculating the thermal conductivity of a linear polymer chain material having an amorphous structure by removing the heat flow correlation between molecules of the organic material.
請求項に記載の有機材料輸送特性評価装置であって、
前記有機材料の分子間の応力相関を除いて有機材料の粘性を計算することを特徴とする有機材料輸送特性評価装置。
The organic material transport property evaluation device according to claim 1 ,
An organic material transport characteristic evaluation apparatus, wherein the viscosity of the organic material is calculated by removing the stress correlation between the molecules of the organic material.
請求項に記載の有機材料輸送特性評価装置であって、
前記有機材料の分子間の速度相関を除いて有機材料の拡散係数を計算することを特徴とする有機材料輸送特性評価装置。
The organic material transport property evaluation device according to claim 1 ,
An organic material transport characteristic evaluation apparatus, wherein the diffusion coefficient of the organic material is calculated by removing the velocity correlation between the molecules of the organic material.
有機材料の輸送特性評価する有機材料輸送特性評価方法であって、
コンピュータに、
前記有機材料における流体の輸送特性Kが
Figure 0007302621000027
で表され、
輸送特性Kに対応する物理量Q(t)の時間微分であるフラックス[Q(t)ドット]において前記有機材料の分子間のフラックスの相関を除いて輸送特性を算出させることを特徴とする有機材料輸送特性評価方法。
An organic material transport property evaluation method for evaluating the transport properties of an organic material, comprising:
to the computer,
The transport property K of the fluid in the organic material is
Figure 0007302621000027
is represented by
The transport characteristic K is calculated by removing the correlation of the intermolecular flux of the organic material in the flux [Q(t) dot] that is the time derivative of the physical quantity Q(t) corresponding to the transport characteristic K. Organic material transport property evaluation method.
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