JP2017129539A - Method for simulating polymer material - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To convert the time unit of a coarse grained model into the time unit of a polymer chain in a short time.SOLUTION: A simulation method for analyzing a polymer material having a polymer chain using a computer comprises: a first calculation step S21 of calculating motion using the coarse grained model of the polymer chain to calculate a mean square displacement showing the size of spread of the coarse grained model; a second calculation step S22 of calculating a motion using the total atom model of the polymer chain to calculate a mean square displacement showing the size of diffusion of the total atom model; and a step S23 of converting the time unit of the coarse grained model into the time unit of the polymer chain on the basis of the mean square displacement of the coarse grained model and the mean square displacement of the total atom model.SELECTED DRAWING: Figure 16

Description

本発明は、粗視化モデルの時間単位を、高分子鎖の時間単位に換算することができる高分子材料のシミュレーション方法に関する。   The present invention relates to a method for simulating a polymer material capable of converting a time unit of a coarse-grained model into a time unit of a polymer chain.

近年、ゴム配合の開発のために、高分子材料の反応を、コンピュータを用いて評価するためのシミュレーション方法(数値計算)が種々提案されている。この種のシミュレーション方法では、例えば、高分子鎖を、複数のビーズでモデル化した粗視化モデルが、コンピュータに入力される。そして、粗視化モデルが予め定められた空間に配置され、コンピュータによる分子動力学計算が行われる。   In recent years, various simulation methods (numerical calculations) for evaluating the reaction of polymer materials using a computer have been proposed for the development of rubber compounding. In this type of simulation method, for example, a coarse-grained model obtained by modeling a polymer chain with a plurality of beads is input to a computer. Then, the coarse-grained model is placed in a predetermined space, and molecular dynamics calculation is performed by a computer.

粗視化モデルを用いた分子動力学計算では、現実の高分子鎖とは異なる時間単位が用いられている。このため、下記特許文献1では、粗視化モデルの時間単位を、高分子鎖の時間単位に換算する方法が提案されている。   In molecular dynamics calculation using a coarse-grained model, a time unit different from that of an actual polymer chain is used. For this reason, the following Patent Document 1 proposes a method for converting the time unit of the coarse-grained model into the time unit of the polymer chain.

下記特許文献1の換算方法では、先ず、粗視化モデル及び全原子モデルの末端間ベクトルの長さの時間相関関数がそれぞれ求められる。次に、粗視化モデル及び全原子モデルについて、末端間ベクトルの相関がなくなる時間として定義される時間のパラメータがそれぞれ求められる。そして、粗視化モデルの時間のパラメータと、全原子モデルの時間のパラメータとをフィッティグさせることにより、粗視化モデルの時間単位を、高分子鎖の時間単位に換算している。   In the conversion method disclosed in Patent Document 1 below, first, time correlation functions of the lengths of end-to-end vectors of the coarse-grained model and the all-atom model are respectively obtained. Next, for the coarse-grained model and the all-atom model, time parameters defined as times when the end-to-end vector correlation disappears are obtained. The time unit of the coarse-grained model is converted into the time unit of the polymer chain by fitting the time parameter of the coarse-grained model and the time parameter of the all-atom model.

特開2014−206913号公報JP 2014-206913 A

上記特許文献1の換算方法では、全原子モデルの末端間ベクトルの長さの時間相関関数を求める際に、全原子モデルの配置が十分に緩和するまで平衡計算が行われる。この平衡計算では、時間単位を精度よく換算するために、全原子モデルの鎖長として、高分子鎖の物性を示す現実的な長さを用いると、非常に多くの計算時間を要する。従って、上記特許文献1の換算方法に基づいて、粗視化モデルの時間単位を高分子鎖の時間単位に換算することは、現実的ではない。   In the conversion method described in Patent Document 1, when calculating the time correlation function of the length of the end-to-end vector of the all-atom model, the equilibrium calculation is performed until the arrangement of the all-atom model is sufficiently relaxed. In this equilibrium calculation, a very long calculation time is required if a realistic length indicating the physical properties of the polymer chain is used as the chain length of the all-atom model in order to accurately convert the time unit. Therefore, it is not realistic to convert the time unit of the coarse-grained model into the time unit of the polymer chain based on the conversion method of Patent Document 1.

本発明は、以上のような実状に鑑み案出されたもので、粗視化モデルの時間単位を高分子鎖の時間単位に、短時間で換算することができる高分子材料のシミュレーション方法を提供することを主たる目的としている。   The present invention has been devised in view of the above circumstances, and provides a method for simulating a polymer material capable of converting a coarse-grained model time unit to a polymer chain time unit in a short time. The main purpose is to do.

本発明は、コンピュータを用いて、高分子鎖を有する高分子材料を解析するための方法であって、前記コンピュータが、前記高分子鎖の粗視化モデルを用いて運動計算を行い、前記粗視化モデルの拡散の大きさを示す平均二乗変位を計算する第1計算工程、前記コンピュータが、前記高分子鎖の全原子モデルを用いて運動計算を行い、前記全原子モデルの拡散の大きさを示す平均二乗変位を計算する第2計算工程、及び前記コンピュータが、前記粗視化モデルの平均二乗変位と、前記全原子モデルの平均二乗変位とに基づいて、前記粗視化モデルの時間単位を、前記高分子鎖の時間単位に換算する工程を含むことを特徴とする。   The present invention is a method for analyzing a polymer material having a polymer chain using a computer, wherein the computer performs a motion calculation using a coarse-grained model of the polymer chain, and A first calculation step of calculating a mean square displacement indicating a magnitude of diffusion of the visualization model, wherein the computer performs a motion calculation using the all-atom model of the polymer chain, and the magnitude of the diffusion of the all-atom model A second calculation step of calculating a mean square displacement indicating the time unit of the coarse-grained model based on the mean square displacement of the coarse-grained model and the mean square displacement of the all-atom model Is converted to time units of the polymer chain.

本発明に係る前記高分子材料のシミュレーション方法において、前記第1計算工程は、前記粗視化モデルの初期配置を決定する工程と、初期配置された前記粗視化モデルの緩和状態を計算する工程とを含み、前記第2計算工程は、前記全原子モデルの構造緩和を計算することなく、前記第1計算工程で得られた緩和状態の前記粗視化モデルの配置に基づいて、緩和状態の前記全原子モデルを作成する工程を含んでもよい。   In the simulation method of the polymer material according to the present invention, the first calculation step includes a step of determining an initial arrangement of the coarse-grained model and a step of calculating a relaxation state of the coarse-grained model initially arranged. And the second calculation step calculates the relaxation state based on the arrangement of the coarse-grained model in the relaxation state obtained in the first calculation step without calculating the structural relaxation of the all-atom model. A step of creating the all-atom model may be included.

本発明に係る前記高分子材料のシミュレーション方法において、前記粗視化モデルは、前記高分子鎖のモノマーに対応する複数のビーズを含み、前記緩和状態の全原子モデルを作成する工程は、前記コンピュータが、緩和状態の前記粗視化モデルの前記各ビーズに、前記モノマーを表すモノマーモデルを割り当ててもよい。   In the simulation method of the polymer material according to the present invention, the coarse-grained model includes a plurality of beads corresponding to monomers of the polymer chain, and the step of creating the relaxed state all-atom model includes the computer However, a monomer model representing the monomer may be assigned to each bead of the coarse-grained model in a relaxed state.

本発明に係る前記高分子材料のシミュレーション方法において、前記コンピュータが、前記全原子モデルのRouseのビーズ数を計算する第3計算工程、前記コンピュータが、前記粗視化モデルのRouseのビーズ数を計算する第4計算工程、及び前記コンピュータが、前記全原子モデルのRouseのビーズ数と、前記粗視化モデルのRouseのビーズ数とに基づいて、前記粗視化モデルのビーズ数と、前記高分子鎖のモノマー数との比を計算する工程をさらに含んでもよい。   In the polymer material simulation method according to the present invention, the computer calculates the number of Rouse beads of the all-atom model, and the computer calculates the number of Rouse beads of the coarse-grained model. And the computer calculates the number of beads in the coarse-grained model based on the number of beads in the coarse-grained model and the number of beads in the coarse-grained model based on the number of beads in the coarse-grained model. The method may further include calculating a ratio of the number of monomers in the chain.

本発明に係る前記高分子材料のシミュレーション方法において、前記第3計算工程は、前記コンピュータに、モノマー数が異なる複数の全原子モデルを設定する工程と、前記コンピュータが、前記モノマー数が異なる全原子モデル毎に、前記Rouseのビーズ数を計算する工程とを含んでもよい。   In the method for simulating a polymer material according to the present invention, the third calculation step includes a step of setting a plurality of all-atom models having different numbers of monomers in the computer, and the computer includes all atoms having a different number of monomers. And calculating the number of Rouse beads for each model.

本発明に係る前記高分子材料のシミュレーション方法において、前記第4計算工程は、前記コンピュータに、ビーズ数が異なる複数の粗視化モデルを設定する工程と、前記コンピュータが、前記ビーズ数が異なる粗視化モデル毎に、前記Rouseのビーズ数を計算する工程とを含んでもよい。   In the simulation method for a polymer material according to the present invention, the fourth calculation step includes a step of setting a plurality of coarse-grained models having different numbers of beads in the computer, and the computer has a coarse number having different numbers of beads. A step of calculating the number of Rouse beads for each visualization model.

本発明に係る前記高分子材料のシミュレーション方法において、前記Rouseのビーズ数NRouseは、下記式(1)で計算されてもよい。

ここで、
L:粗視化モデル又は全原子モデルの全長
g:粗視化モデル又は全原子モデルの慣性半径
In the polymer material simulation method according to the present invention, the number of Rouse beads N Rouse may be calculated by the following equation (1).

here,
L: total length of the coarse-grained model or all-atom model R g : radius of inertia of the coarse-grained model or all-atom model

本発明の高分子材料のシミュレーション方法は、コンピュータが、高分子鎖の粗視化モデルを用いて運動計算を行い、高分子鎖の拡散の大きさを示す平均二乗変位を計算する第1計算工程、高分子鎖の全原子モデルを用いて運動計算を行い、全原子モデルの拡散の大きさを示す平均二乗変位を求める第2計算工程、及び、粗視化モデルの平均二乗変位と、全原子モデルの平均二乗変位とに基づいて、粗視化モデルの時間単位を、高分子鎖の時間単位に換算する工程を含んでいる。   In the simulation method for a polymer material according to the present invention, a computer performs a motion calculation using a coarse-grained model of a polymer chain, and calculates a mean square displacement indicating the magnitude of diffusion of the polymer chain. The second calculation step of calculating the motion using the all-atom model of the polymer chain and calculating the mean square displacement indicating the magnitude of the diffusion of the all-atom model, the mean square displacement of the coarse-grained model, and the total atom A step of converting the time unit of the coarse-grained model into the time unit of the polymer chain based on the mean square displacement of the model is included.

平均二乗変位は、任意の時間幅において、その時間幅での粒子の平均的な拡散の大きさ(即ち、移動距離の二乗平均)を示すものである。このような平均二乗変位を求める運動計算に基づいて、時間単位を換算するためには、全原子モデルの拡散挙動と、粗視化モデルの拡散挙動とが類似する転移域(即ち、分子鎖同士の絡み合いが起こるまで)の時間幅の計算で十分であるため、例えば、全原子モデルの構造が十分に緩和するまで(即ち、全原子モデルの分子鎖同士の絡み合いがほどけるまで)緩和計算を行う必要がない。従って、本発明の高分子材料のシミュレーション方法では、粗視化モデルの時間単位を高分子鎖の時間単位に、短時間で換算することができる。   The mean square displacement indicates the average diffusion size (that is, the mean square of the moving distance) of particles in an arbitrary time width. In order to convert the time unit based on the motion calculation for obtaining the mean square displacement, a transition region where the diffusion behavior of the all-atom model and the diffusion behavior of the coarse-grained model are similar (that is, between molecular chains) Is sufficient to calculate the relaxation time (for example, until the entanglement between the molecular chains of the all-atom model is sufficiently relaxed). There is no need to do it. Therefore, in the polymer material simulation method of the present invention, the time unit of the coarse-grained model can be converted into the time unit of the polymer chain in a short time.

本発明のシミュレーション方法を実行するコンピュータの一例を示す斜視図である。It is a perspective view which shows an example of the computer which performs the simulation method of this invention. ポリブタジエンの構造式である。It is a structural formula of polybutadiene. 全原子モデルの一例を示す概念図である。It is a conceptual diagram which shows an example of an all-atom model. 粗視化モデルの一例を示す概念図である。It is a conceptual diagram which shows an example of a coarse-grained model. 本実施形態の高分子材料のシミュレーション方法の処理手順の一例を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows an example of the process sequence of the simulation method of the polymeric material of this embodiment. 本実施形態のモノマー数換算工程の処理手順の一例を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows an example of the process sequence of the monomer number conversion process of this embodiment. 本実施形態の第3計算工程の処理手順の一例を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows an example of the process sequence of the 3rd calculation process of this embodiment. 全原子モデルが配置された高分子材料モデルの一例を示す概念図である。It is a conceptual diagram which shows an example of the polymeric material model by which all the atom models are arrange | positioned. 全原子モデルのポテンシャルを説明する概念図である。It is a conceptual diagram explaining the potential of the all-atom model. 全原子モデルのRouseのビーズ数とモノマー数との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the number of beads of Rouse of all atom model, and the number of monomers. 本実施形態の第4計算工程の処理手順の一例を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows an example of the process sequence of the 4th calculation process of this embodiment. 粗視化モデルが配置された高分子材料モデルの概念図である。It is a conceptual diagram of the polymer material model in which the coarse-grained model is arranged. 粗視化モデルのポテンシャルを説明する概念図である。It is a conceptual diagram explaining the potential of a coarse-grained model. 粗視化モデルのRouseのビーズ数とビーズ数との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the number of beads of Rouse of a coarse-grained model, and the number of beads. 全原子モデルのRouseのビーズ数と粗視化モデルのRouseのビーズ数とをフィッティングしたグラフである。It is the graph which fitted the number of beads of Rouse of the all-atom model, and the number of beads of Rouse of the coarse-grained model. 本実施形態の時間換算工程の処理手順の一例を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows an example of the process sequence of the time conversion process of this embodiment. 本実施形態の第1計算工程の処理手順の一例を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows an example of the process sequence of the 1st calculation process of this embodiment. 粗視化モデルの平均二乗変位と時間幅との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the mean square displacement of a coarse-grained model, and time width. 本実施形態の第2計算工程の処理手順の一例を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows an example of the process sequence of the 2nd calculation process of this embodiment. 全原子モデルの平均二乗変位と時間幅との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the mean square displacement of all atom models, and time width. 全原子モデルと粗視化モデルとをフィッティングした平均二乗変位と時間幅との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the mean square displacement which fitted the all-atom model and the coarse-grained model, and the time width.

以下、本発明の実施の一形態が図面に基づき説明される。
本実施形態の高分子材料のシミュレーション方法(以下、単に「シミュレーション方法」ということがある)は、高分子鎖を有する高分子材料を解析するための方法である。高分子材料としては、例えば、ゴム、樹脂又はエラストマー等が含まれる。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
The polymer material simulation method of the present embodiment (hereinafter sometimes simply referred to as “simulation method”) is a method for analyzing a polymer material having a polymer chain. Examples of the polymer material include rubber, resin, and elastomer.

図1は、本発明のシミュレーション方法を実行するコンピュータの一例を示す斜視図である。コンピュータ1は、本体1a、キーボード1b、マウス1c及びディスプレイ装置1dを含んで構成されている。この本体1aには、例えば、演算処理装置(CPU)、ROM、作業用メモリ、磁気ディスクなどの記憶装置、及び、ディスクドライブ装置1a1、1a2が設けられている。また、記憶装置には、本実施形態のシミュレーション方法を実行するためのソフトウェア等が予め記憶されている。   FIG. 1 is a perspective view showing an example of a computer that executes the simulation method of the present invention. The computer 1 includes a main body 1a, a keyboard 1b, a mouse 1c, and a display device 1d. The main body 1a is provided with, for example, an arithmetic processing unit (CPU), a ROM, a working memory, a storage device such as a magnetic disk, and disk drive devices 1a1 and 1a2. The storage device stores in advance software or the like for executing the simulation method of the present embodiment.

高分子材料としては、例えば、ゴム、樹脂又はエラストマー等が含まれる。本実施形態では、高分子材料として、cis-1,4ポリブタジエン(以下、単に「ポリブタジエン」ということがある。)が例示される。図2は、ポリブタジエンの構造式である。このポリブタジエンを構成する高分子鎖2は、メチレン基(−CH−)とメチン基(−CH−)とからなるモノマー5{−[CH−CH=CH−CH]−}が、重合度で連結されて構成されている。また、高分子材料の末端には、メチレン基(−CH)に替えて、メチル基(−CH)が連結される。なお、高分子材料には、ポリブタジエン以外の高分子材料が用いられてもよい。 Examples of the polymer material include rubber, resin, and elastomer. In the present embodiment, cis-1,4 polybutadiene (hereinafter sometimes simply referred to as “polybutadiene”) is exemplified as the polymer material. FIG. 2 is a structural formula of polybutadiene. In the polymer chain 2 constituting the polybutadiene, a monomer 5 {— [CH 2 —CH═CH—CH 2 ] —} composed of a methylene group (—CH 2 —) and a methine group (—CH—) is polymerized. Concatenated at a degree. In addition, a methyl group (—CH 3 ) is linked to the end of the polymer material instead of the methylene group (—CH 2 ). As the polymer material, a polymer material other than polybutadiene may be used.

本実施形態のシミュレーション方法では、高分子材料の高分子鎖2をモデル化した全原子モデル、及び、粗視化モデルが用いられる。図3は、全原子モデルの一例を示す概念図である。図4は、粗視化モデルの一例を示す概念図である。   In the simulation method of the present embodiment, an all-atom model obtained by modeling the polymer chain 2 of the polymer material and a coarse-grained model are used. FIG. 3 is a conceptual diagram showing an example of an all-atom model. FIG. 4 is a conceptual diagram illustrating an example of the coarse-grained model.

図3に示されるように、全原子モデル3は、図2に示した高分子鎖2の実際の構造に基づいて、原子をモデル化した粒子モデル7で表現したものである。図4に示されるように、粗視化モデル4は、図2に示した高分子鎖2のモノマー5に対応する複数のビーズ(粒子)16を含んでいる。各ビーズ16は、直径を持った球として表現される。   As shown in FIG. 3, the all-atom model 3 is expressed by a particle model 7 in which atoms are modeled based on the actual structure of the polymer chain 2 shown in FIG. As shown in FIG. 4, the coarse-grained model 4 includes a plurality of beads (particles) 16 corresponding to the monomer 5 of the polymer chain 2 shown in FIG. Each bead 16 is represented as a sphere having a diameter.

全原子モデル3(図3に示す)を用いた分子動力学計算では、現実の高分子鎖2(図2に示す)に基づいた時間単位が用いられている。他方、粗視化モデル4(図4に示す)を用いた分子動力学計算では、現実の高分子鎖2とは異なる時間単位が用いられている。このため、粗視化モデル4の分子動力学計算の計算結果を、実際の高分子鎖2の運動として取り扱うためには、粗視化モデル4の時間単位を、高分子鎖2の時間単位に換算する必要がある。   In the molecular dynamics calculation using the all-atom model 3 (shown in FIG. 3), a time unit based on the actual polymer chain 2 (shown in FIG. 2) is used. On the other hand, in the molecular dynamics calculation using the coarse-grained model 4 (shown in FIG. 4), a time unit different from that of the actual polymer chain 2 is used. Therefore, in order to handle the calculation result of the molecular dynamics calculation of the coarse-grained model 4 as the actual movement of the polymer chain 2, the time unit of the coarse-grained model 4 is changed to the time unit of the polymer chain 2. It is necessary to convert.

また、粗視化モデル4(図4に示す)の時間単位を、高分子鎖2(図2に示す)の時間単位に換算するには、粗視化モデル4の時間のパラメータと、全原子モデル3(図3に示す)の時間のパラメータとを精度よくフィッティングすることが重要である。このため、粗視化モデル4のビーズ数と、高分子鎖2のモノマー数との比を予め計算し、このビーズ数とモノマー数との比に基づいて全原子モデル3及び粗視化モデル4が設定して、全原子モデル3を用いた計算結果と、粗視化モデル4を用いた計算結果とを精度よく対応させるのが望ましい。   In order to convert the time unit of the coarse-grained model 4 (shown in FIG. 4) into the time unit of the polymer chain 2 (shown in FIG. 2), the time parameter of the coarse-grained model 4 and all atoms It is important to fit the time parameter of model 3 (shown in FIG. 3) with high accuracy. Therefore, the ratio between the number of beads in the coarse-grained model 4 and the number of monomers in the polymer chain 2 is calculated in advance, and the all-atom model 3 and the coarse-grained model 4 are calculated based on the ratio between the number of beads and the number of monomers. Is set so that the calculation result using the all-atom model 3 and the calculation result using the coarse-grained model 4 correspond to each other with high accuracy.

このような観点より、本実施形態のシミュレーション方法では、粗視化モデル4の時間単位を、高分子鎖の時間単位に換算するのに先立ち、粗視化モデル4のビーズ数と、高分子鎖2のモノマー数との比(即ち、粗視化モデル4の1個のビーズ16あたりの高分子鎖2のモノマー数)を計算している。図5は、本実施形態の高分子材料のシミュレーション方法の処理手順の一例を示すフローチャートである。   From this point of view, in the simulation method of the present embodiment, prior to converting the time unit of the coarse-grained model 4 into the time unit of the polymer chain, the number of beads of the coarse-grained model 4 and the polymer chain The ratio of 2 to the number of monomers (that is, the number of monomers of the polymer chain 2 per one bead 16 of the coarse-grained model 4) is calculated. FIG. 5 is a flowchart showing an example of a processing procedure of the polymer material simulation method of the present embodiment.

図5に示されるように、本実施形態のシミュレーション方法では、コンピュータ1が、粗視化モデル4(図4に示す)のビーズ数と、高分子鎖2(図2に示す)のモノマー数との比を計算する(モノマー数換算工程S1)。   As shown in FIG. 5, in the simulation method of the present embodiment, the computer 1 uses the number of beads of the coarse-grained model 4 (shown in FIG. 4) and the number of monomers of the polymer chain 2 (shown in FIG. 2). (Monomer number conversion step S1).

本実施形態のモノマー数換算工程S1では、全原子モデル3(図3に示す)のRouseのビーズ数と、粗視化モデル4(図4に示す)のRouseのビーズ数とに基づいて、粗視化モデル4のビーズ数と、高分子鎖2のモノマー数との比を計算している。ここで、Rouseのビーズ数NRouseとは、高分子物理で知られているRouseモデルのパラメータの一つであり、下記式(1)で計算される。

ここで、
L:粗視化モデル又は全原子モデルの全長
g:粗視化モデル又は全原子モデルの慣性半径
In the monomer number conversion step S1 of the present embodiment, based on the number of Rouse beads of the all-atom model 3 (shown in FIG. 3) and the number of Rouse beads of the coarse-grained model 4 (shown in FIG. 4), The ratio between the number of beads of the visualization model 4 and the number of monomers of the polymer chain 2 is calculated. Here, the number of Rouse beads N Rouse is one of the parameters of the Rouse model known in polymer physics, and is calculated by the following equation (1).

here,
L: total length of the coarse-grained model or all-atom model R g : radius of inertia of the coarse-grained model or all-atom model

上記式(1)では、例えば、全原子モデル3の末端間ベクトルV1(図3に示す)の長さのアンサンブル平均を用いる上記特許文献1とは異なり、慣性半径Rgを用いて、Rouseのビーズ数が求められる。これにより、本実施形態では、全原子モデル3の末端側の粒子モデル7の不安定な運動性の影響を小さくできるため、Rouseのビーズ数を精度よく求めることができる。 In the above equation (1), for example, unlike the above-mentioned Patent Document 1 using the ensemble average of the length of the end-to-end vector V1 (shown in FIG. 3) of the all-atom model 3, the inertia radius R g is used to The number of beads is required. Thereby, in this embodiment, since the influence of the unstable mobility of the particle model 7 on the terminal side of the all-atom model 3 can be reduced, the number of Rouse beads can be obtained with high accuracy.

上記式(1)において、Rouseのビーズ数の値が大きいほど、全原子モデル3(図3に示す)又は粗視化モデル4(図4に示す)は、コンパクトに折り畳んだ形状となる。他方、Rouseのビーズ数の値が小さいほど、全原子モデル3又は粗視化モデル4の折れ曲がりが小さくなり、直線状に連続してのびる形状となる。従って、Rouseのビーズ数は、全原子モデル3又は粗視化モデル4の形状を示すパラメータとして用いられる。   In the above formula (1), as the value of the number of beads of Rouse is larger, the all-atom model 3 (shown in FIG. 3) or the coarse-grained model 4 (shown in FIG. 4) becomes a compactly folded shape. On the other hand, the smaller the value of the number of beads of Rouse, the smaller the bend of the all-atom model 3 or the coarse-grained model 4 becomes, and the shape continuously extends linearly. Therefore, the number of Rouse beads is used as a parameter indicating the shape of the all-atom model 3 or the coarse-grained model 4.

全原子モデル3(図3に示す)のRouseのビーズ数と、粗視化モデル4(図4に示す)のRouseのビーズ数とをフィッティングさせることにより、互いに同一形状の全原子モデル3と粗視化モデル4とを対応づけて、粗視化モデル4のビーズ数と、高分子鎖2のモノマー数との比を精度よく計算しうることが知られている(例えば、上記特許文献1参照)。このような知見に基づいて、本実施形態のシミュレーション方法では、粗視化モデル4のビーズ数と、高分子鎖2のモノマー数との比(即ち、粗視化モデル4の1個のビーズ16あたりの高分子鎖2のモノマー数)を求めている。図6は、本実施形態のモノマー数換算工程S1の処理手順の一例を示すフローチャートである。   By fitting the number of beads of Rouse of all-atom model 3 (shown in FIG. 3) and the number of Rouse beads of coarse-grained model 4 (shown in FIG. 4), It is known that the ratio between the number of beads of the coarse-grained model 4 and the number of monomers of the polymer chain 2 can be accurately calculated by associating with the visualization model 4 (see, for example, Patent Document 1 above). ). Based on such knowledge, in the simulation method of the present embodiment, the ratio between the number of beads in the coarse-grained model 4 and the number of monomers in the polymer chain 2 (that is, one bead 16 in the coarse-grained model 4). Number of monomers per polymer chain 2). FIG. 6 is a flowchart showing an example of the processing procedure of the monomer number conversion step S1 of the present embodiment.

本実施形態のモノマー数換算工程S1では、先ず、コンピュータ1が、全原子モデル3(図3に示す)のRouseのビーズ数を計算する(第3計算工程S11)。図7は、本実施形態の第3計算工程S11の処理手順の一例を示すフローチャートである。   In the monomer number conversion step S1 of the present embodiment, first, the computer 1 calculates the number of Rouse beads of the all-atom model 3 (shown in FIG. 3) (third calculation step S11). FIG. 7 is a flowchart illustrating an example of a processing procedure of the third calculation step S11 of the present embodiment.

本実施形態の第3計算工程S11では、先ず、コンピュータ1に、モノマー数が異なる複数の全原子モデル3が設定される(工程S111)。図3に示されるように、全原子モデル3は、複数の粒子モデル7と、粒子モデル7、7間を結合するボンド8とを含んで構成されている。   In the third calculation step S11 of the present embodiment, first, a plurality of all-atom models 3 having different numbers of monomers are set in the computer 1 (step S111). As shown in FIG. 3, the all-atom model 3 includes a plurality of particle models 7 and a bond 8 that connects the particle models 7 and 7.

粒子モデル7及びボンド8は、図2に示した高分子鎖2のモノマー5を表す単位構造に基づいて連結されることにより、モノマーモデル11が設定される。このモノマーモデル11が、予め定められたモノマー数(即ち、分子量(重合度))に基づいて連結されることにより、全原子モデル3が設定される。本実施形態では、予め定められた複数のモノマー数に基づいて、モノマーモデル11がそれぞれ連結される。これにより、モノマー数が異なる複数の全原子モデル3が設定される。   The particle model 7 and the bond 8 are connected based on the unit structure representing the monomer 5 of the polymer chain 2 shown in FIG. The monomer model 11 is connected based on a predetermined number of monomers (that is, molecular weight (degree of polymerization)), whereby the all-atom model 3 is set. In the present embodiment, the monomer models 11 are connected to each other based on a predetermined number of monomers. Thereby, a plurality of all-atom models 3 having different numbers of monomers are set.

モノマー数については、高分子材料の種類や、後述の分子動力学計算を実施するコンピュータ1の性能等に基づいて、緩和計算が現実的な計算時間で完了しうる範囲内で設定されるのが望ましい。なお、モノマー数は、計算精度を維持するために、極端に小さい値を除外するのが望ましい。モノマー数の一例としては、10〜60から選択されうる。なお、このモノマー数に限定されるわけではない。   The number of monomers is set within a range in which the relaxation calculation can be completed in a realistic calculation time based on the type of polymer material, the performance of the computer 1 that performs the molecular dynamics calculation described later, and the like. desirable. Note that it is desirable to exclude extremely small values for the number of monomers in order to maintain calculation accuracy. An example of the number of monomers can be selected from 10 to 60. The number of monomers is not limited.

粒子モデル7は、後述の分子動力学計算に基づいたシミュレーションにおいて、運動方程式の質点として取り扱われる。即ち、粒子モデル7には、質量、直径、電荷、又は、初期座標などのパラメータが定義される。本実施形態の粒子モデル7は、高分子鎖2の炭素原子をモデル化した炭素粒子モデル7C、及び、高分子鎖2の水素原子をモデル化した水素粒子モデル7Hを含んでいる。   The particle model 7 is handled as a mass point of a motion equation in a simulation based on molecular dynamics calculation described later. That is, the particle model 7 defines parameters such as mass, diameter, charge, or initial coordinates. The particle model 7 of this embodiment includes a carbon particle model 7C that models the carbon atoms of the polymer chain 2 and a hydrogen particle model 7H that models the hydrogen atoms of the polymer chain 2.

ボンド8は、粒子モデル7、7間を拘束するものである。本実施形態のボンド8は、炭素粒子モデル7C、7Cを連結する主鎖8A、及び、炭素粒子モデル7Cと水素粒子モデル7Hとの間を連結する側鎖8Bとを含んでいる。これらの主鎖8A及び側鎖8Bは、例えば、平衡長とバネ定数とが定義されたバネとして取り扱われる。   The bond 8 restrains the particle models 7 and 7. The bond 8 of this embodiment includes a main chain 8A that connects the carbon particle models 7C and 7C, and a side chain 8B that connects the carbon particle model 7C and the hydrogen particle model 7H. The main chain 8A and the side chain 8B are handled as springs in which an equilibrium length and a spring constant are defined, for example.

全原子モデル3は、各粒子モデル7、7間の結合長さである結合長、ボンド8を介して連続する3つの粒子モデル7がなす角度である結合角、及び、ボンド8を介して連続する4つの粒子モデル7において、隣り合う3つの粒子モデル7が作る二面角などが定義される。これにより、全原子モデル3は、三次元構造を有する。全原子モデル3は、慣例に従い、外力又は内力を受けることによって、結合長、結合角及び二面角が変化する。これにより、全原子モデル3は、その三次元構造を変化させることができる。   The all-atom model 3 includes a bond length that is a bond length between the particle models 7 and 7, a bond angle that is an angle formed by three particle models 7 that are continuous through the bond 8, and a bond that is continuous through the bond 8. In the four particle models 7, the dihedral angles created by the three adjacent particle models 7 are defined. Thereby, the all-atom model 3 has a three-dimensional structure. In the all-atom model 3, the bond length, bond angle, and dihedral angle are changed by receiving an external force or an internal force according to the custom. Thereby, the all-atom model 3 can change the three-dimensional structure.

結合長、結合角及び二面角は、例えば、論文1(J. Comput. Chem. 25, 1157-1174 (2004))に基づいて設定されるポテンシャル(GAFF)によって定義されうる。ポテンシャルは、高分子鎖2の構造に応じて設定されるのが望ましい。このような全原子モデル3は、材料物性シミュレーションソフトウェア(例えば、(株)JSOL社製のJ−OCTA)を用いて作成することができる。各全原子モデル3は、コンピュータ1で取り扱い可能な数値データであり、コンピュータ1に入力される。   The bond length, bond angle, and dihedral angle can be defined by, for example, the potential (GAFF) set based on the paper 1 (J. Comput. Chem. 25, 1157-1174 (2004)). The potential is preferably set according to the structure of the polymer chain 2. Such an all-atom model 3 can be created using material physical property simulation software (for example, J-OCTA manufactured by JSOL Corporation). Each all-atom model 3 is numerical data that can be handled by the computer 1 and is input to the computer 1.

次に、本実施形態の第3計算工程S11では、コンピュータ1が、モノマー数が異なる各全原子モデル3の初期配置を決定する(工程S112)。工程S112では、予め定められた空間に、全原子モデル3が配置された高分子材料モデルが設定される。図8は、全原子モデル3が配置された高分子材料モデル10の一例を示す概念図である。   Next, in the third calculation step S11 of the present embodiment, the computer 1 determines the initial arrangement of each all-atom model 3 having a different number of monomers (step S112). In step S112, a polymer material model in which all atom models 3 are arranged in a predetermined space is set. FIG. 8 is a conceptual diagram showing an example of the polymer material model 10 in which the all-atom model 3 is arranged.

本実施形態の工程S112では、モノマー数が異なる各全原子モデル3が、独立して設けられた空間9にそれぞれ配置される。これにより、工程S112では、各全原子モデル3の初期配置が決定された高分子材料モデル10がそれぞれ定義される。各高分子材料モデル10には、同一のモノマー数の全原子モデル3が複数本配置されている。全原子モデル3は、モンテカルロ法に基づいて、空間9内に配置されるのが望ましい。   In step S112 of this embodiment, all the atom models 3 having different numbers of monomers are arranged in the spaces 9 provided independently. Thereby, in step S112, the polymer material model 10 in which the initial arrangement of each all-atom model 3 is determined is defined. In each polymer material model 10, a plurality of all-atom models 3 having the same number of monomers are arranged. The all-atom model 3 is preferably arranged in the space 9 based on the Monte Carlo method.

空間9は、解析対象の高分子材料の微小構造部分に相当する。本実施形態の空間9は、互いに向き合う三対の平面9S、9Sを有する立方体として定義されている。各平面9Sには、周期境界条件が定義されている。これにより、空間9では、例えば、一方の平面9Saから出て行った全原子モデル3の一部が、反対側の平面9Sbから入ってくるように計算することができる。従って、一方の平面9Saと、反対側の平面9Sbとが連続している(繋がっている)ものとして取り扱うことができる。   The space 9 corresponds to a microstructure portion of the polymer material to be analyzed. The space 9 of the present embodiment is defined as a cube having three pairs of planes 9S and 9S facing each other. A periodic boundary condition is defined for each plane 9S. Thereby, in the space 9, for example, it is possible to calculate so that a part of the all atom model 3 that has come out from one plane 9Sa enters from the opposite plane 9Sb. Therefore, it can be handled as one plane 9Sa and the opposite plane 9Sb being continuous (connected).

各空間9に配置される全原子モデル3の本数については、モノマー数や、空間9の大きさに基づいて適宜設定される。なお、全原子モデル3の本数が少ないと、後述の分子動力学計算において、一方の平面9Saから出て行きかつ反対側の平面9Sbから入ってきた全原子モデル3の一端と、平面9Sb側に配置されている全原子モデル3の他端とが絡まりやすくなり、計算落ちするおそれがある。さらに、全原子モデル3の慣性半径を精度良く計算するためには、平衡時において全原子モデル同士の絡まりを可能な限り防ぐ必要がある。このため、全原子モデル3の本数としては、平衡時の周期境界長が平衡時の慣性半径の3倍以上に長くなりうる本数が選択されるのが望ましい。逆に、全原子モデル3の本数が多くても、運動方程式の質点として取り扱われる粒子モデル7の粒子数が増大し、多くの計算時間を要するおそれがある。このような観点より、空間9に配置される全原子モデル3の本数は、好ましくは20本以上であり、また、好ましくは200本以下である。   The number of all atom models 3 arranged in each space 9 is appropriately set based on the number of monomers and the size of the space 9. If the number of all-atom models 3 is small, in the molecular dynamics calculation described later, one end of all-atom model 3 that goes out from one plane 9Sa and enters from the opposite plane 9Sb, The other end of the arranged all-atom model 3 is likely to be entangled, and there is a risk that calculation will be lost. Furthermore, in order to calculate the inertial radius of the all-atom model 3 with high accuracy, it is necessary to prevent entanglement between all-atom models as much as possible at equilibrium. For this reason, as the number of all-atom models 3, it is desirable to select the number that allows the periodic boundary length at equilibrium to be longer than three times the inertial radius at equilibrium. On the contrary, even if the number of all atom models 3 is large, the number of particles of the particle model 7 handled as the mass point of the equation of motion increases, which may require a lot of calculation time. From such a viewpoint, the number of all atomic models 3 arranged in the space 9 is preferably 20 or more, and preferably 200 or less.

空間9の一辺の長さLaは、適宜設定することができる。本実施形態の長さLaは、系内の粒子モデル7の初期密度が、例えば0.001g/cm3となるように設定されるのが望ましい。また、空間9の大きさは、例えば1atmで安定な体積に設定されるのが望ましい。このような空間9では、後述の分子動力学計算において、全原子モデル3の回転運動をスムーズに計算することができる。 The length La of one side of the space 9 can be set as appropriate. The length La of this embodiment is preferably set so that the initial density of the particle model 7 in the system is, for example, 0.001 g / cm 3 . The size of the space 9 is desirably set to a stable volume at 1 atm, for example. In such a space 9, the rotational motion of the all-atom model 3 can be calculated smoothly in the molecular dynamics calculation described later.

図9は、全原子モデル3のポテンシャルを説明する概念図である。工程S112では、全原子モデル3の初期配置が決定された各高分子材料モデル10において、隣接する全原子モデル3、3の粒子モデル7、7間に、相互作用ポテンシャルP1が定義される。本実施形態の相互作用ポテンシャルP1は、LJポテンシャルULJ(rij)であり、下記式(2)で定義される。 FIG. 9 is a conceptual diagram for explaining the potential of the all-atom model 3. In step S112, in each polymer material model 10 in which the initial arrangement of the all-atom model 3 is determined, an interaction potential P1 is defined between the particle models 7 and 7 of the adjacent all-atom models 3 and 3. The interaction potential P1 of this embodiment is an LJ potential U LJ (r ij ) and is defined by the following formula (2).


ここで、各定数及び変数は、Lennard-Jones ポテンシャルのパラメータであり、次のとおりである。
ij:粒子モデル間の距離
c:カットオフ距離
ε:粒子モデル間に定義されるLJポテンシャルの強度
σ:粒子モデルの直径に相当
なお、距離rij及びカットオフ距離rcは、各粒子モデル7、7の中心間の距離として定義される。

Here, each constant and variable are parameters of Lennard-Jones potential, and are as follows.
r ij: distance between the particles model r c: cutoff distance epsilon: the intensity of the LJ potential which is defined between the particles Model sigma: corresponding to the diameter of the particle model The distance r ij and cutoff distance r c, each particle It is defined as the distance between the centers of models 7 and 7.

相互作用ポテンシャルP1は、粒子モデル間の距離rijがσよりも小さくなるほど、粒子モデル7、7間に作用する斥力が大きくなる。また、相互作用ポテンシャルP1は、粒子モデル間の距離rijがσになるときに最小となり、粒子モデル7、7間に斥力や引力は働かない。さらに、相互作用ポテンシャルP1は、粒子モデル間の距離rijがσよりも大になるほど、粒子モデル7、7間に作用する引力が働く。このように、相互作用ポテンシャルP1は、粒子モデル間の距離rijに応じて、斥力及び引力を定義することができる。 In the interaction potential P1, the repulsive force acting between the particle models 7 and 7 increases as the distance r ij between the particle models becomes smaller than σ. Further, the interaction potential P1 becomes minimum when the distance r ij between the particle models becomes σ, and no repulsive force or attractive force acts between the particle models 7 and 7. Furthermore, as the interaction potential P1 is larger than the distance r ij between the particle models, the attractive force acting between the particle models 7 and 7 works. As described above, the interaction potential P1 can define repulsive force and attractive force according to the distance r ij between the particle models.

相互作用ポテンシャルP1は、炭素粒子モデル7C、7C間に設定される第1ポテンシャルP1a、水素粒子モデル7H、7H間に設定される第2ポテンシャルP1b、及び、炭素粒子モデル7Cと水素粒子モデル7Hとの間に設定される第3ポテンシャルP1cを含んでいる。なお、上記式(2)中の各定数は、上記論文1に基づいて、適宜設定することができる。これらの全原子モデル3の初期配置が決定された高分子材料モデル10は、コンピュータ1に入力される。   The interaction potential P1 includes a first potential P1a set between the carbon particle models 7C and 7C, a second potential P1b set between the hydrogen particle models 7H and 7H, and the carbon particle model 7C and the hydrogen particle model 7H. The third potential P1c set between the first and second potentials is included. Each constant in the above formula (2) can be set as appropriate based on the above paper 1. The polymer material model 10 in which the initial arrangement of these all-atom models 3 is determined is input to the computer 1.

次に、本実施形態の第3計算工程S11では、コンピュータ1が、初期配置された全原子モデル3の緩和状態を計算する(工程S113)。工程S113では、全原子モデル3の初期配置が決定された各高分子材料モデル10(図8に示す)について、分子動力学計算が実施される。分子動力学計算は、例えば、空間9について所定の時間、配置した全ての全原子モデル3が古典力学に従うものとして、ニュートンの運動方程式が適用される。そして、各時刻での全ての粒子モデル7の動きが追跡され、コンピュータ1に記憶される。また、分子動力学計算の条件は、例えば、系内の粒子モデル7の個数、体積及び温度は一定で行われる。このような分子動力学計算は、例えば、分子動力学計算プログラムLAMMPSを用いて行うことができる。   Next, in the third calculation step S11 of the present embodiment, the computer 1 calculates the relaxation state of the initially arranged all-atom model 3 (step S113). In step S113, molecular dynamics calculation is performed for each polymer material model 10 (shown in FIG. 8) for which the initial arrangement of the all-atom model 3 is determined. In the molecular dynamics calculation, for example, Newton's equation of motion is applied on the assumption that all the atomic models 3 arranged in the space 9 for a predetermined time follow classical mechanics. Then, the movements of all the particle models 7 at each time are tracked and stored in the computer 1. The molecular dynamics calculation is performed under the condition that, for example, the number, volume, and temperature of the particle model 7 in the system are constant. Such molecular dynamics calculation can be performed using, for example, the molecular dynamics calculation program LAMMPS.

次に、本実施形態の第3計算工程S11では、コンピュータ1が、全原子モデル3の初期配置を十分に緩和できたか否かを判断する(工程S114)。なお、初期配置の緩和の判断基準については、全原子モデル3の人為的な初期配置が十分に排除されたとみなせる基準であれば、適宜設定されうる。工程S114では、全原子モデル3の初期配置を十分に緩和できたと判断された場合(工程S114で、「Y」)、次の工程S115が実施される。他方、全原子モデル3の初期配置を十分に緩和できていないと判断された場合(工程S114で、「N」)は、単位時間を(例えば、工程S113で実施済みのシミュレーション時間程度まとめて)進めて(工程S116)、工程S113(分子動力学計算)及び工程S114が再度実施される。これにより、全原子モデル3の初期配置を、確実に緩和することができる。   Next, in the third calculation step S11 of the present embodiment, the computer 1 determines whether or not the initial arrangement of all the atom models 3 has been sufficiently relaxed (step S114). Note that the criterion for determining the relaxation of the initial arrangement can be appropriately set as long as it can be regarded that the artificial initial arrangement of the all-atom model 3 is sufficiently eliminated. In step S114, when it is determined that the initial arrangement of all atom models 3 has been sufficiently relaxed (“Y” in step S114), the next step S115 is performed. On the other hand, when it is determined that the initial arrangement of all atom models 3 has not been sufficiently relaxed (“N” in step S114), the unit time is set (for example, the simulation time already performed in step S113). Proceeding (step S116), step S113 (molecular dynamics calculation) and step S114 are performed again. Thereby, the initial arrangement of the all-atom model 3 can be surely relaxed.

次に、本実施形態の第3計算工程S11では、コンピュータ1が、全ての全原子モデル(即ち、モノマー数が異なる全ての全原子モデル)3の緩和状態が計算されたか否かを判断する(工程S115)。工程S115では、全ての全原子モデル3の緩和計算が計算されたと判断された場合(工程S115で、「Y」)、次の工程S117が実施される。他方、全ての全原子モデル3の緩和計算が終了していないと判断された場合(工程S115で、「N」)、緩和状態が計算されていない全原子モデル3(即ち、図8に示した高分子材料モデル10)が選択され(工程S118)、工程S113〜工程S116が実施される。これにより、全ての全原子モデル3の平衡状態(緩和状態)が計算される。   Next, in the third calculation step S11 of the present embodiment, the computer 1 determines whether or not the relaxation states of all the all-atom models (that is, all the all-atom models having different numbers of monomers) 3 have been calculated ( Step S115). In step S115, when it is determined that the relaxation calculation of all the all-atom models 3 has been calculated (“Y” in step S115), the next step S117 is performed. On the other hand, when it is determined that the relaxation calculation of all the all-atom models 3 has not been completed ("N" in step S115), the all-atom model 3 whose relaxation state has not been calculated (that is, as shown in FIG. 8). The polymer material model 10) is selected (step S118), and steps S113 to S116 are performed. Thereby, the equilibrium state (relaxed state) of all the all-atom models 3 is calculated.

次に、本実施形態の第3計算工程S11では、コンピュータ1が、全原子モデル3の全長Lを計算する(工程S117)。工程S117では、上記特許文献1の方法に基づいて、全原子モデル3を主鎖方向に強制的に引き伸ばす変形計算が実施される。これにより、全原子モデル3の全長Lを求めることができる。全原子モデル3の全長Lは、コンピュータ1に入力される。   Next, in the third calculation step S11 of the present embodiment, the computer 1 calculates the total length L of the all-atom model 3 (step S117). In step S117, based on the method of the above-mentioned Patent Document 1, deformation calculation for forcibly stretching the all-atom model 3 in the main chain direction is performed. Thereby, the total length L of the all-atom model 3 can be obtained. The total length L of the all-atom model 3 is input to the computer 1.

次に、本実施形態の第3計算工程S11では、コンピュータ1が、全原子モデル3の慣性半径Rgを計算する(工程S119)。全原子モデル3の慣性半径は、例えば、論文2( Kurt Kremer & Gary S. Grest 著 「Dynamics of entangled linear polymer melts: A molecular-dynamics simulation」、J. Chem Phys. vol.92, No.8, 15 April 1990 )に記載されている式2.5に基づいて、工程S113の分子動力学計算で求められた全原子モデル3の粒子モデル7の座標値から計算される。全原子モデル3の慣性半径は、コンピュータ1に入力される。 Next, in the third calculation step S11 of the present embodiment, the computer 1 calculates the inertia radius R g of the all-atom model 3 (step S119). The radius of inertia of all-atom model 3 is described in, for example, Paper 2 (Kurt Kremer & Gary S. Grest, “Dynamics of entangled linear polymer melts: A molecular-dynamics simulation”, J. Chem Phys. Vol. 92, No. 8, 15 April 1990) is calculated from the coordinate value of the particle model 7 of the all-atom model 3 obtained by the molecular dynamics calculation of the step S113 based on the formula 2.5 described in 15 April 1990). The radius of inertia of the all-atom model 3 is input to the computer 1.

次に、本実施形態の第3計算工程S11では、コンピュータ1が、全原子モデル3のRouseのビーズ数を計算する(工程S120)。上述したように、Rouseのビーズ数は、全原子モデル3の全長Lと、全原子モデル3の慣性半径Rgとに基づいて、上記式(1)で計算される。全原子モデル3のRouseのビーズ数は、コンピュータ1に入力される。 Next, in the third calculation step S11 of the present embodiment, the computer 1 calculates the number of Rouse beads of the all-atom model 3 (step S120). As described above, the number of Rouse beads is calculated by the above formula (1) based on the total length L of the all-atom model 3 and the inertia radius R g of the all-atom model 3. The number of Rouse beads of the all-atom model 3 is input to the computer 1.

次に、本実施形態の第3計算工程S11では、コンピュータ1が、モノマー数が異なる全ての全原子モデル3について、Rouseのビーズ数が計算されたか否かを判断する(工程S121)。工程S121において、全ての全原子モデル3のRouseのビーズ数が計算されたと判断された場合(工程S121において、「Y」)、次の第4計算工程S12が実施される。他方、全ての全原子モデル3のRouseのビーズ数が計算されていないと判断された場合(工程S121において、「N」)、Rouseのビーズ数が計算されていない他の全原子モデル3が選択され(工程S122)、工程S117、及び、工程S119〜工程S121が実施される。これにより、第3計算工程S11では、モノマー数が異なる全原子モデル3毎に、Rouseのビーズ数が計算される。図10は、全原子モデル3のRouseのビーズ数とモノマー数との関係を示すグラフである。図10の例では、モノマー数が20、30及び40の全原子モデル3のRouseのビーズ数が示されている。全原子モデル3のRouseのビーズ数は、コンピュータ1に入力される。   Next, in the third calculation step S11 of the present embodiment, the computer 1 determines whether or not the number of beads of Rouse has been calculated for all all atomic models 3 having different numbers of monomers (step S121). In Step S121, when it is determined that the number of Rouse beads of all the all-atom models 3 has been calculated (“Y” in Step S121), the next fourth calculation step S12 is performed. On the other hand, if it is determined that the number of Rouse beads of all all-atom models 3 has not been calculated (“N” in step S121), another all-atom model 3 for which the number of Rouse beads has not been calculated is selected. (Step S122), Step S117 and Step S119 to Step S121 are performed. Thereby, in 3rd calculation process S11, the number of beads of Rouse is calculated for every all-atom model 3 from which the number of monomers differs. FIG. 10 is a graph showing the relationship between the number of Rouse beads and the number of monomers in the all-atom model 3. In the example of FIG. 10, the number of Rouse beads of the all-atom model 3 having the number of monomers of 20, 30, and 40 is shown. The number of Rouse beads of the all-atom model 3 is input to the computer 1.

次に、本実施形態のモノマー数換算工程S1では、コンピュータ1が、粗視化モデル4のRouseのビーズ数を計算する(第4計算工程S12)。図11は、本実施形態の第4計算工程S12の処理手順の一例を示すフローチャートである。   Next, in the monomer number conversion step S1 of the present embodiment, the computer 1 calculates the number of Rouse beads of the coarse-grained model 4 (fourth calculation step S12). FIG. 11 is a flowchart illustrating an example of a processing procedure of the fourth calculation step S12 of the present embodiment.

本実施形態の第4計算工程S12は、先ず、コンピュータ1に、ビーズ数(鎖長)が異なる複数の粗視化モデル4が設定される(工程S131)。図4に示されるように、粗視化モデル4は、複数のビーズ16と、ビーズ16、16間を結合する結合鎖17とを含んで構成されている。   In the fourth calculation step S12 of this embodiment, first, a plurality of coarse-grained models 4 with different bead numbers (chain lengths) are set in the computer 1 (step S131). As shown in FIG. 4, the coarse-grained model 4 includes a plurality of beads 16 and a binding chain 17 that connects the beads 16 and 16.

本実施形態では、予め定められたビーズ数に基づいて、ビーズ16が連結されることにより、粗視化モデル4が設定される。本実施形態では、複数の異なるビーズ数が設定されている。これらのビーズ数に基づいて、ビーズ16がそれぞれ連結されることにより、ビーズ数が異なる複数の粗視化モデル4が設定される。ビーズ数については、高分子材料の種類や、後述の分子動力学計算を実施するコンピュータ1の性能等に基づいて、適宜設定することができる。ビーズ数は、例えば、5〜1000から選択されるのが望ましい。なお、このようなビーズ数に限定されるわけではない。   In the present embodiment, the coarse-grained model 4 is set by connecting the beads 16 based on a predetermined number of beads. In the present embodiment, a plurality of different bead numbers are set. A plurality of coarse-grained models 4 with different bead numbers are set by connecting the beads 16 based on these bead numbers. The number of beads can be appropriately set based on the type of polymer material, the performance of the computer 1 that performs molecular dynamics calculation described later, and the like. The number of beads is preferably selected from 5 to 1000, for example. Note that the number of beads is not limited to this.

ビーズ16は、分子動力学計算において、運動方程式の質点として取り扱われる。即ち、ビーズ16には、質量、直径、電荷又は初期座標などのパラメータが定義される。これらの各パラメータは、数値情報としてコンピュータ1に記憶される。   The beads 16 are handled as mass points of the equation of motion in the molecular dynamics calculation. That is, parameters such as mass, diameter, charge, or initial coordinates are defined for the beads 16. Each of these parameters is stored in the computer 1 as numerical information.

結合鎖17は、ビーズ16、16間に平衡長を定義した結合ポテンシャルとして構成される。ここで、「平衡長」とは、ビーズ16、16間の結合距離である。この結合距離が変化した場合は、結合鎖17によって、元の平衡長が保持される。これにより、粗視化モデル4は、直鎖状の三次元構造を維持することができる。なお、平衡長は、隣り合うビーズ16、16の中心16a、16a間の距離として定義される。また、結合鎖17の結合ポテンシャルには、例えば、上記論文2に基づいて設定されるのが望ましい。このような粗視化モデル4は、高分子材料を分子動力学計算で取り扱うための数値データであり、コンピュータ1に入力される。   The binding chain 17 is configured as a binding potential that defines an equilibrium length between the beads 16 and 16. Here, the “equilibrium length” is a binding distance between the beads 16 and 16. When the bond distance changes, the original equilibrium length is maintained by the bond chain 17. Thereby, the coarse-grained model 4 can maintain a linear three-dimensional structure. The equilibrium length is defined as the distance between the centers 16a and 16a of the adjacent beads 16 and 16. The bond potential of the bond chain 17 is preferably set based on, for example, the above paper 2. Such a coarse-grained model 4 is numerical data for handling a polymer material by molecular dynamics calculation, and is input to the computer 1.

次に、本実施形態の第4計算工程S12では、コンピュータ1が、ビーズ数が異なる各粗視化モデル4の初期配置を決定する(工程S132)。工程S132では、予め定められた空間に、粗視化モデル4が配置された高分子材料モデルが設定される。図12は、粗視化モデル4が配置された高分子材料モデル18の一例を示す概念図である。   Next, in 4th calculation process S12 of this embodiment, the computer 1 determines the initial arrangement | positioning of each coarse-grained model 4 from which the number of beads differs (process S132). In step S132, a polymer material model in which the coarse-grained model 4 is arranged in a predetermined space is set. FIG. 12 is a conceptual diagram showing an example of the polymer material model 18 in which the coarse-grained model 4 is arranged.

本実施形態の工程S132では、ビーズ数が異なる粗視化モデル4が、独立して設けられた空間9にそれぞれ配置される。これにより、工程S132では、各粗視化モデル4の初期配置が決定された高分子材料モデル18がそれぞれ定義される。各高分子材料モデル18には、同一のビーズ数の全原子モデル3が複数本配置されている。粗視化モデル4は、モンテカルロ法に基づいて、空間9内に配置されるのが望ましい。   In step S132 of the present embodiment, the coarse-grained models 4 having different numbers of beads are arranged in the spaces 9 provided independently. Thereby, in step S132, the polymer material model 18 in which the initial arrangement of each coarse-grained model 4 is determined is defined. Each polymer material model 18 includes a plurality of all-atom models 3 having the same number of beads. The coarse-grained model 4 is preferably arranged in the space 9 based on the Monte Carlo method.

空間9は、解析対象の高分子材料の微小構造部分に相当し、図8に示した空間9と同様に設定される。各空間9に配置される粗視化モデル4の本数については、ビーズ数や、空間9の大きさに基づいて適宜設定される。なお、粗視化モデル4の本数が少ないと、全原子モデル3(図8に示す)と同様に、粗視化モデル4の一端と他端とが絡まりやすくなり、計算落ちするおそれがある。さらに、粗視化モデル4の慣性半径を精度良く計算するためには、平衡時において粗視化モデル4同士の絡まりを可能な限り防ぐ必要がある。このため、粗視化モデル4の本数としては、平衡時の周期境界長が平衡時の慣性半径の3倍以上に長くなりうる本数が選択されるのが望ましい。逆に、粗視化モデル4の本数が多くても、運動方程式の質点として取り扱われるビーズ16の粒子数が増大し、多くの計算時間を要するおそれがある。このような観点より、空間9に配置される粗視化モデル4の本数は、好ましくは50本以上であり、また、好ましくは2000本以下である。   The space 9 corresponds to a microstructure portion of the polymer material to be analyzed, and is set similarly to the space 9 shown in FIG. The number of coarse-grained models 4 arranged in each space 9 is appropriately set based on the number of beads and the size of the space 9. Note that if the number of coarse-grained models 4 is small, like the all-atom model 3 (shown in FIG. 8), one end and the other end of the coarse-grained model 4 are likely to be tangled and there is a risk of calculation loss. Furthermore, in order to calculate the inertia radius of the coarse-grained model 4 with high accuracy, it is necessary to prevent the coarse-grained models 4 from being entangled as much as possible at the time of equilibrium. For this reason, as the number of coarse-grained models 4, it is desirable to select a number that allows the period boundary length at equilibrium to be longer than three times the inertial radius at equilibrium. On the contrary, even if the number of coarse-grained models 4 is large, the number of particles of the beads 16 that are handled as the mass points of the equation of motion increases, which may require a lot of calculation time. From such a viewpoint, the number of coarse-grained models 4 arranged in the space 9 is preferably 50 or more, and preferably 2000 or less.

図13は、粗視化モデル4のポテンシャルを説明する概念図である。工程S132では、各高分子材料モデル18において、隣接する粗視化モデル4、4のビーズ16、16間に、相互作用ポテンシャルP2がそれぞれ定義される。本実施形態の相互作用ポテンシャルP2は、LJ(Lennard-Jones)ポテンシャルであり、上記式(2)で定義される。なお、上記式(2)において、「粒子モデル間」は、「ビーズ間」に置き換えて適用される。   FIG. 13 is a conceptual diagram for explaining the potential of the coarse-grained model 4. In step S132, in each polymer material model 18, an interaction potential P2 is defined between the beads 16 and 16 of the adjacent coarse-grained models 4 and 4, respectively. The interaction potential P2 of the present embodiment is an LJ (Lennard-Jones) potential and is defined by the above formula (2). In the above equation (2), “between particle models” is replaced with “between beads”.

相互作用ポテンシャルP2の強度ε、相互作用ポテンシャルP2が作用する距離σ、及び、カットオフ距離rcは、例えば、上記論文1に基づいて設定されるのが望ましい。これらの粗視化モデル4の初期配置が決定された高分子材料モデル18は、コンピュータ1に入力される。 The intensity of interaction potential P2 epsilon, distance interaction potential P2 acts sigma, and the cutoff distance r c, for example, being set on the basis of the article 1 is desirable. The polymer material model 18 for which the initial arrangement of the coarse-grained model 4 is determined is input to the computer 1.

次に、本実施形態の第4計算工程S12では、コンピュータ1が、初期配置された粗視化モデル4の緩和状態を計算する(工程S133)。工程S133では、図12に示した空間9に初期配置された粗視化モデル4について、分子動力学計算が実施される。分子動力学計算では、例えば、空間9について所定の時間、配置した全ての粗視化モデル4が古典力学に従うものとして、ニュートンの運動方程式が適用される。そして、各時刻での全てのビーズ16の動きが追跡され、コンピュータ1に記憶される。また、分子動力学計算の条件は、例えば、系内のビーズ16の個数、体積及び温度は一定で行われる。   Next, in the fourth calculation step S12 of the present embodiment, the computer 1 calculates the relaxation state of the coarse-grained model 4 that is initially arranged (step S133). In step S133, molecular dynamics calculation is performed on the coarse-grained model 4 initially arranged in the space 9 shown in FIG. In the molecular dynamics calculation, for example, Newton's equation of motion is applied on the assumption that all coarse-grained models 4 arranged in the space 9 for a predetermined time follow classical mechanics. Then, the movement of all the beads 16 at each time is tracked and stored in the computer 1. The molecular dynamics calculation is performed under the condition that the number, volume and temperature of the beads 16 in the system are constant.

次に、本実施形態の第4計算工程S12では、コンピュータ1が、粗視化モデル4の初期配置を十分に緩和できたか否かを判断する(工程S134)。なお、初期配置の緩和の判断基準については、粗視化モデル4の人為的な初期配置が十分に排除されたとみなせる基準であれば、適宜設定されうる。工程S134では、粗視化モデル4の初期配置を十分に緩和できたと判断された場合(工程S134で、「Y」)、次の工程S135が実施される。他方、粗視化モデル4の初期配置を十分に緩和できていないと判断された場合(工程S134で、「N」)、単位時間を(例えば、工程S133で実施済みのシミュレーション時間程度まとめて)進めて(工程S136)、工程S133(分子動力学計算)及び工程S134が再度実施される。これにより、粗視化モデル4の初期配置を、確実に緩和することができる。   Next, in the fourth calculation step S12 of the present embodiment, the computer 1 determines whether or not the initial arrangement of the coarse-grained model 4 has been sufficiently relaxed (step S134). Note that the criterion for determining the relaxation of the initial arrangement can be appropriately set as long as it is a standard that allows the artificial initial arrangement of the coarse-grained model 4 to be sufficiently excluded. In step S134, when it is determined that the initial arrangement of the coarse-grained model 4 has been sufficiently relaxed (“Y” in step S134), the next step S135 is performed. On the other hand, when it is determined that the initial arrangement of the coarse-grained model 4 has not been sufficiently relaxed (“N” in step S134), the unit time (for example, the simulation time already performed in step S133 is summarized) Proceeding (step S136), step S133 (molecular dynamics calculation) and step S134 are performed again. Thereby, the initial arrangement of the coarse-grained model 4 can be surely relaxed.

次に、本実施形態の第4計算工程S12では、コンピュータ1が、全ての粗視化モデル(即ち、ビーズ数が異なる全ての粗視化モデル)4の緩和状態が計算されたか否かを判断する(工程S135)。工程S135では、全ての粗視化モデル4の緩和状態が計算されたと判断された場合(工程S135で、「Y」)、次の工程S137が実施される。他方、全ての粗視化モデル4の緩和状態が計算されていないと判断された場合(工程S135で、「N」)、緩和状態が計算されていない粗視化モデル4(即ち、図12に示した高分子材料モデル18)が選択され(工程S138)、工程S133〜工程S136が実施される。これにより、全ての粗視化モデル4の平衡状態(緩和状態)が計算される。   Next, in the fourth calculation step S12 of the present embodiment, the computer 1 determines whether or not the relaxation states of all the coarse-grained models (that is, all the coarse-grained models having different numbers of beads) 4 have been calculated. (Step S135). In step S135, when it is determined that the relaxation states of all the coarse-grained models 4 have been calculated (“Y” in step S135), the next step S137 is performed. On the other hand, when it is determined that the relaxation states of all the coarse-grained models 4 have not been calculated (“N” in step S135), the coarse-grained models 4 whose relaxation states have not been calculated (that is, in FIG. 12). The polymer material model 18) shown is selected (step S138), and steps S133 to S136 are performed. Thereby, the equilibrium state (relaxed state) of all the coarse-grained models 4 is calculated.

次に、本実施形態の第4計算工程S12では、コンピュータ1が、粗視化モデル4の全長Lを計算する(工程S137)。粗視化モデル4の全長Lは、粗視化モデル4内の隣接ビーズの平衡核間距離と、ビーズ数とを乗じることによって求めることができる。なお、平衡核間距離は、上記の分子動力学計算の結果に基づいて求められる。粗視化モデル4の全長Lは、コンピュータ1に入力される。   Next, in the fourth calculation step S12 of the present embodiment, the computer 1 calculates the total length L of the coarse-grained model 4 (step S137). The total length L of the coarse-grained model 4 can be obtained by multiplying the distance between the equilibrium nuclei of adjacent beads in the coarse-grained model 4 by the number of beads. The equilibrium internuclear distance is obtained based on the result of the above molecular dynamics calculation. The total length L of the coarse-grained model 4 is input to the computer 1.

次に、本実施形態の第4計算工程S12では、コンピュータ1が、粗視化モデル4の慣性半径Rgを計算する(工程S139)。粗視化モデル4の慣性半径は、例えば、上記論文2に記載されている式2.5に基づいて、工程S133の分子動力学計算で求められた粗視化モデル4のビーズ16の座標値から計算される。粗視化モデル4の慣性半径は、コンピュータ1に入力される。 Next, in the fourth calculation step S12 of the present embodiment, the computer 1 calculates the inertia radius R g of the coarse-grained model 4 (step S139). The radius of inertia of the coarse-grained model 4 is, for example, the coordinate value of the bead 16 of the coarse-grained model 4 obtained by the molecular dynamics calculation in step S133 based on Equation 2.5 described in the above paper 2. Calculated from The radius of inertia of the coarse-grained model 4 is input to the computer 1.

次に、本実施形態の第4計算工程S12では、コンピュータ1が、粗視化モデルのRouseのビーズ数を計算する(工程S140)。上述したように、Rouseのビーズ数は、粗視化モデル4の全長Lと、粗視化モデル4の慣性半径Rgとに基づいて、上記式(1)で計算される。粗視化モデル4のRouseのビーズ数は、コンピュータ1に入力される。 Next, in the fourth calculation step S12 of the present embodiment, the computer 1 calculates the number of beads of Rouse of the coarse-grained model (step S140). As described above, the number of Rouse beads is calculated by the above equation (1) based on the total length L of the coarse-grained model 4 and the inertia radius R g of the coarse-grained model 4. The number of Rouse beads in the coarse-grained model 4 is input to the computer 1.

次に、本実施形態の第4計算工程S12では、コンピュータ1が、ビーズ数が異なる全ての粗視化モデル4について、Rouseのビーズ数が計算されたか否かを判断する(工程S141)。工程S141において、全ての粗視化モデル4のRouseのビーズ数が計算されたと判断された場合(工程S141において、「Y」)、次の工程S13(図6に示す)が実施される。他方、全ての粗視化モデル4のRouseのビーズ数が計算されていないと判断された場合(工程S141において、「N」)、Rouseのビーズ数が計算されていない粗視化モデル4が選択され(工程S142)、工程S137、工程S139〜工程S141が実施される。これにより、第4計算工程S12では、ビーズ数が異なる粗視化モデル4毎に、Rouseのビーズ数が計算される。図14は、粗視化モデル4のRouseのビーズ数とビーズ数との関係を示すグラフである。図14の例では、ビーズ数(鎖長)が10、13、20、27、50、80、100、200及び500の粗視化モデル4のRouseのビーズ数が示されている。粗視化モデル4のRouseのビーズ数は、コンピュータ1に入力される。   Next, in the fourth calculation step S12 of the present embodiment, the computer 1 determines whether or not the number of beads of Rouse has been calculated for all the coarse-grained models 4 having different numbers of beads (step S141). When it is determined in step S141 that the number of Rouse beads of all the coarse-grained models 4 has been calculated (“Y” in step S141), the next step S13 (shown in FIG. 6) is performed. On the other hand, when it is determined that the number of Rouse beads of all the coarse-grained models 4 has not been calculated (“N” in step S141), the coarse-grained model 4 for which the number of Rouse beads has not been calculated is selected. (Step S142), Step S137, Step S139 to Step S141 are performed. Thus, in the fourth calculation step S12, the number of beads of Rouse is calculated for each coarse-grained model 4 having a different number of beads. FIG. 14 is a graph showing the relationship between the number of beads in the coarse-grained model 4 and the number of beads. In the example of FIG. 14, the number of Rouse beads of the coarse-grained model 4 having the number of beads (chain length) of 10, 13, 20, 27, 50, 80, 100, 200, and 500 is shown. The number of Rouse beads in the coarse-grained model 4 is input to the computer 1.

次に、図6に示されるように、本実施形態のモノマー数換算工程S1では、コンピュータ1が、粗視化モデル4(図4に示す)のビーズ数と、高分子鎖2(図2に示す)のモノマー数との比を計算する(工程S13)。工程S13では、全原子モデル3(図3に示す)のRouseのビーズ数と、粗視化モデル4のRouseのビーズ数とに基づいて、粗視化モデル4の1個のビーズ16あたりの高分子鎖2のモノマー数を求めている。   Next, as shown in FIG. 6, in the monomer number conversion step S1 of the present embodiment, the computer 1 uses the number of beads of the coarse-grained model 4 (shown in FIG. 4) and the polymer chain 2 (shown in FIG. 2). The ratio with the number of monomers of (shown) is calculated (step S13). In step S13, based on the number of Rouse beads of the all-atom model 3 (shown in FIG. 3) and the number of Rouse beads of the coarse-grained model 4, the high per one bead 16 of the coarse-grained model 4 The number of monomers of molecular chain 2 is obtained.

工程S13では、先ず、統計誤差を考慮した非線形最小二乗法に基づいて、図10に示した全原子モデル3のRouseのビーズ数とモノマー数との関係と、図14に示した粗視化モデル4のRouseのビーズ数とビーズ数との関係とがフィッティングされる。図15は、全原子モデル3のRouseのビーズ数と、粗視化モデル4のRouseのビーズ数とをフィッティングしたグラフである。   In step S13, first, based on the nonlinear least square method considering statistical errors, the relationship between the number of Rouse beads and the number of monomers in the all-atom model 3 shown in FIG. 10, and the coarse-grained model shown in FIG. The number of beads of 4 Rouse and the relationship between the number of beads are fitted. FIG. 15 is a graph obtained by fitting the number of Rouse beads of the all-atom model 3 and the number of Rouse beads of the coarse-grained model 4.

上記フィッティングは、先ず、粗視化モデル4の結果(図14に示す)が、図15に示した滑らかな曲線(破線で示している)でフィッティングされる。次に、この曲線と全原子モデル3の結果(図10に示す)とが重なるように、粗視化モデル4のビーズ数と全原子モデル3のモノマー数との比についてフィッティングされる。これにより、全原子モデル3のRouseのビーズ数と、粗視化モデル4のRouseのビーズ数とがフィッティングされる。フィッティングの手法としては、例えば、論文3(K. Levenberg, Quarterly of Applied Mathematics 2, 164-168 (1944), D. Marquardt, SIAM Journal on Applied Mathematics 11(2), 431-441 (1963))に記載のレーベンバーグ・マーカート法(Levenberg-Marquardt Method)を用いることができる。このレーベンバーグ・マーカート法を用いたフィッティングは、例えば、グラフ作成ソフトウェア(例えば、gnuplot)により、容易に行うことができる。   In the fitting, first, the result of the coarse-grained model 4 (shown in FIG. 14) is fitted with the smooth curve (shown by a broken line) shown in FIG. Next, fitting is performed with respect to the ratio of the number of beads of the coarse-grained model 4 and the number of monomers of the all-atom model 3 so that this curve and the result of the all-atom model 3 (shown in FIG. 10) overlap. Thereby, the number of Rouse beads of the all-atom model 3 and the number of Rouse beads of the coarse-grained model 4 are fitted. As a fitting method, for example, in paper 3 (K. Levenberg, Quarterly of Applied Mathematics 2, 164-168 (1944), D. Marquardt, SIAM Journal on Applied Mathematics 11 (2), 431-441 (1963)) The described Levenberg-Marquardt Method can be used. The fitting using the Levenberg-Marquardt method can be easily performed by, for example, graph creation software (for example, gnuplot).

フィッティングに用いる統計誤差としては、全原子モデル3の慣性半径の統計誤差、及び、粗視化モデル4の慣性半径の統計誤差が計算される。全原子モデル3の慣性半径の統計誤差は、モノマー数が異なる全原子モデル3毎に、分子鎖毎の慣性半径の時間平均についての分散を、空間9に配置された全原子モデルの本数で除した値を求め、その値の平方根から求めることができる。また、粗視化モデル4の慣性半径の統計誤差は、ビーズ数が異なる粗視化モデル4毎に、分子鎖毎の慣性半径の時間平均についての分散を、空間9に配置された粗視化モデルの本数で除した値を求め、その値の平方根から求めることができる。   As statistical errors used for fitting, a statistical error of the inertia radius of the all-atom model 3 and a statistical error of the inertia radius of the coarse-grained model 4 are calculated. The statistical error of the inertia radius of the all-atom model 3 is obtained by dividing the variance of the time average of the inertia radii for each molecular chain by the number of all-atom models arranged in the space 9 for every atom model 3 with different number of monomers. Can be obtained from the square root of that value. Further, the statistical error of the inertial radius of the coarse-grained model 4 indicates that the coarse-grained coarsening model 4 in which the dispersion of the time-average of the inertial radius for each molecular chain is arranged in the space 9 is different for each coarse-grained model 4 having a different number of beads. A value divided by the number of models can be obtained and obtained from the square root of the value.

工程S13では、図15に示したグラフに基づいて、粗視化モデル4(図4に示す)のビーズ数と、高分子鎖2(図2に示す)のモノマー数との比を計算している。なお、図15に示したグラフの例において、粗視化モデルのビーズ数と、高分子鎖2のモノマー数との比(即ち、1個のビーズ16あたりのモノマー数)は、1.5である。このような粗視化モデル4(図4に示す)のビーズ数と、高分子鎖2(図2に示す)のモノマー数との比は、コンピュータ1に入力される。   In step S13, a ratio between the number of beads of the coarse-grained model 4 (shown in FIG. 4) and the number of monomers of the polymer chain 2 (shown in FIG. 2) is calculated based on the graph shown in FIG. Yes. In the example of the graph shown in FIG. 15, the ratio between the number of beads in the coarse-grained model and the number of monomers in the polymer chain 2 (that is, the number of monomers per one bead 16) is 1.5. is there. The ratio between the number of beads of the coarse-grained model 4 (shown in FIG. 4) and the number of monomers of the polymer chain 2 (shown in FIG. 2) is input to the computer 1.

このように、本実施形態のモノマー数換算工程S1では、全原子モデル3(図3に示す)のRouseのビーズ数と、粗視化モデル4(図4に示す)のRouseのビーズ数とをフィッティングさせることにより、互いに略同一形状となる全原子モデル3と粗視化モデル4とを対応づけることができるため、粗視化モデル4のビーズ数と、高分子鎖2のモノマー数との比を精度よく計算することができる。さらに、本実施形態では、全原子モデル3のRouseのビーズ数、及び、粗視化モデル4のRouseのビーズ数がそれぞれ複数求められているため、精度良くフィッティングすることができる。   Thus, in the monomer number conversion step S1 of the present embodiment, the number of Rouse beads of the all-atom model 3 (shown in FIG. 3) and the number of Rouse beads of the coarse-grained model 4 (shown in FIG. 4) are calculated. By fitting, it is possible to associate the all-atom model 3 and the coarse-grained model 4 having substantially the same shape with each other. Therefore, the ratio between the number of beads of the coarse-grained model 4 and the number of monomers of the polymer chain 2 Can be calculated with high accuracy. Further, in the present embodiment, since a plurality of Rouse beads of the all-atom model 3 and a plurality of Rouse beads of the coarse-grained model 4 are obtained, fitting can be performed with high accuracy.

次に、本実施形態のシミュレーション方法では、コンピュータ1が、粗視化モデル4(図4に示す)の時間単位を、高分子鎖2(図2に示す)の時間単位に換算する(時間換算工程S2)。本実施形態の時間換算工程S2では、粗視化モデル4の平均二乗変位と、全原子モデル3(図3に示す)の平均二乗変位とに基づいて、粗視化モデル4の時間単位を、高分子鎖の時間単位に換算している。平均二乗変位は、任意の時間幅において、その時間幅での粗視化モデル4のビーズ16又は全原子モデル3の粒子モデル7の拡散の大きさ(即ち、移動距離の二乗平均)を示すものである。従って、平均二乗変位は、時間のパラメータを含んでいる。また、本実施形態では、高分子材料のガラス域とゴム域との間の転移域について、粗視化モデル4の平均二乗変位、及び、全原子モデル3の平均二乗変位が計算される。図16は、本実施形態の時間換算工程S2の処理手順の一例を示すフローチャートである。   Next, in the simulation method of the present embodiment, the computer 1 converts the time unit of the coarse-grained model 4 (shown in FIG. 4) into the time unit of the polymer chain 2 (shown in FIG. 2) (time conversion). Step S2). In the time conversion step S2 of this embodiment, based on the mean square displacement of the coarse-grained model 4 and the mean square displacement of the all-atom model 3 (shown in FIG. 3), the time unit of the coarse-grained model 4 is Converted to the time unit of the polymer chain. The mean square displacement indicates the degree of diffusion of the coarse-grained model 4 beads 16 or the particle model 7 of the all-atom model 3 (that is, the mean square of the moving distance) in an arbitrary time width. It is. Therefore, the mean square displacement includes a time parameter. In the present embodiment, the mean square displacement of the coarse-grained model 4 and the mean square displacement of the all-atom model 3 are calculated for the transition region between the glass region and the rubber region of the polymer material. FIG. 16 is a flowchart illustrating an example of a processing procedure of the time conversion step S2 of the present embodiment.

本実施形態の時間換算工程S2では、先ず、コンピュータ1が、粗視化モデル4(図4に示す)の拡散の大きさを示す平均二乗変位を計算する(第1計算工程S21)。図17は、本実施形態の第1計算工程S21の処理手順の一例を示すフローチャートである。   In the time conversion step S2 of the present embodiment, first, the computer 1 calculates a mean square displacement indicating the diffusion size of the coarse-grained model 4 (shown in FIG. 4) (first calculation step S21). FIG. 17 is a flowchart illustrating an example of a processing procedure of the first calculation step S21 of the present embodiment.

本実施形態の第1計算工程S21では、先ず、コンピュータ1が、粗視化モデル4のビーズ数(鎖長)を決定する(工程S211)。工程S211では、現実の高分子鎖の物性を示すビーズ数が指定される。なお、ビーズ数(鎖長)が小さいと、粗視化モデル4同士の絡み合いが起きる前に流動してしまい、高分子鎖の物性を十分に示せないおそれがある。逆に、ビーズ数(鎖長)が大きいと、後述する第2計算工程S22(図16に示す)において、全原子モデル3の慣性半径の3倍程度の平均周期境界長とするために、全原子モデル3の本数を多くする必要がある。これにより、運動方程式の質点として取り扱われる粒子モデル7(図9に示す)が多くなり、計算時間が増加するおそれがある。例えば、論文2に基づいて設定された粗視化モデル4では、ビーズ数(鎖長)が80〜200程度に設定されるのが望ましい。   In the first calculation step S21 of the present embodiment, first, the computer 1 determines the number of beads (chain length) of the coarse-grained model 4 (step S211). In step S211, the number of beads indicating the physical properties of the actual polymer chain is specified. If the number of beads (chain length) is small, the coarsening model 4 flows before the entanglement between the coarse-grained models 4 occurs, and the physical properties of the polymer chain may not be sufficiently exhibited. Conversely, if the number of beads (chain length) is large, in the second calculation step S22 (shown in FIG. 16), which will be described later, the average period boundary length is about three times the inertia radius of all atom model 3, It is necessary to increase the number of atomic models 3. This increases the number of particle models 7 (shown in FIG. 9) that are handled as mass points of the equation of motion, which may increase the calculation time. For example, in the coarse-grained model 4 set based on the paper 2, it is desirable that the number of beads (chain length) is set to about 80 to 200.

次に、本実施形態の第1計算工程S21では、コンピュータ1が、決定されたビーズ数に基づいて、粗視化モデル4(図4に示す)を設定する(工程S212)。工程S212では、図4に示されるように、決定されたビーズ数分のビーズ16が、結合鎖17を介して連結される。これにより、決定されたビーズ数の粗視化モデル4が設定される。粗視化モデル4は、コンピュータ1に入力される。   Next, in the first calculation step S21 of the present embodiment, the computer 1 sets the coarse-grained model 4 (shown in FIG. 4) based on the determined number of beads (step S212). In step S <b> 212, as many beads 16 as the determined number of beads are linked through the binding chain 17 as shown in FIG. 4. Thereby, the coarse-grained model 4 with the determined number of beads is set. The coarse-grained model 4 is input to the computer 1.

次に、本実施形態の第1計算工程S21では、コンピュータ1が、粗視化モデル4の初期配置を決定する(工程S213)。工程S213では、図12に示されるように、予め定められた空間9に粗視化モデル4が配置された高分子材料モデル21が設定される。空間9には、複数本の粗視化モデル4が配置される。粗視化モデル4は、モンテカルロ法に基づいて、空間9内に配置されるのが望ましい。なお、各空間9に配置される粗視化モデル4の本数や、相互ポテンシャル等については、上述したモノマー数換算工程S1と同一手順で設定される。粗視化モデル4の初期配置が決定された高分子材料モデル21は、コンピュータ1に入力される。   Next, in the first calculation step S21 of the present embodiment, the computer 1 determines the initial arrangement of the coarse-grained model 4 (step S213). In step S213, as shown in FIG. 12, a polymer material model 21 in which the coarse-grained model 4 is arranged in a predetermined space 9 is set. A plurality of coarse-grained models 4 are arranged in the space 9. The coarse-grained model 4 is preferably arranged in the space 9 based on the Monte Carlo method. In addition, about the number of the coarse-grained models 4 arrange | positioned in each space 9, a mutual potential, etc., it sets with the same procedure as monomer number conversion process S1 mentioned above. The polymer material model 21 in which the initial arrangement of the coarse-grained model 4 is determined is input to the computer 1.

次に、本実施形態の第1計算工程S21では、コンピュータ1が、初期配置された粗視化モデル4の緩和状態を計算する(工程S214)。工程S214では、空間9に初期配置された粗視化モデル4について、分子動力学計算が実施される。分子動力学計算は、上述したモノマー数換算工程S1と同一手順で実施される。   Next, in the first calculation step S21 of the present embodiment, the computer 1 calculates the relaxation state of the coarse-grained model 4 that is initially arranged (step S214). In step S214, molecular dynamics calculation is performed for the coarse-grained model 4 initially arranged in the space 9. The molecular dynamics calculation is performed in the same procedure as the monomer number conversion step S1 described above.

次に、本実施形態の第1計算工程S21では、コンピュータ1が、粗視化モデル4の初期配置を十分に緩和できたか否かを判断する(工程S215)。工程S215では、粗視化モデル4の初期配置を十分に緩和できたと判断された場合(工程S215で、「Y」)、次の工程S216が実施される。他方、粗視化モデル4の初期配置を十分に緩和できていないと判断された場合(工程S215で、「N」)、単位時間を(例えば、工程S214で実施済みのシミュレーション時間程度まとめて)進めて(工程S217)、工程S214(分子動力学計算)及び工程S215が再度実施される。これにより、粗視化モデル4の初期配置を、確実に緩和することができる。初期配置が緩和された粗視化モデル4は、コンピュータ1に入力される。   Next, in the first calculation step S21 of the present embodiment, the computer 1 determines whether or not the initial arrangement of the coarse-grained model 4 has been sufficiently relaxed (step S215). In step S215, when it is determined that the initial arrangement of the coarse-grained model 4 has been sufficiently relaxed (“Y” in step S215), the next step S216 is performed. On the other hand, when it is determined that the initial arrangement of the coarse-grained model 4 has not been sufficiently relaxed (“N” in step S215), the unit time (for example, the simulation time already performed in step S214 is summarized) Proceeding (step S217), step S214 (molecular dynamics calculation) and step S215 are performed again. Thereby, the initial arrangement of the coarse-grained model 4 can be surely relaxed. The coarse-grained model 4 whose initial arrangement is relaxed is input to the computer 1.

次に、本実施形態の第1計算工程S21では、コンピュータ1が、初期配置が緩和された粗視化モデル4について、運動計算を行う(工程S216)。本実施形態の運動計算としては、上述した分子動力学計算が実施される。これにより、緩和状態の粗視化モデル4をさらに拡散させて、転移域の時間スケール(絡み合いが起こる時間程度、例えば、論文2に従う粗視化モデルの場合、1800τ程度)の計算を行う。工程S216では、粗視化モデル4のビーズ16の座標データが出力される。座標データは、コンピュータ1に入力される。   Next, in the first calculation step S21 of the present embodiment, the computer 1 performs motion calculation on the coarse-grained model 4 whose initial arrangement is relaxed (step S216). As the motion calculation of this embodiment, the above-described molecular dynamics calculation is performed. As a result, the coarse-grained model 4 in the relaxed state is further diffused to calculate the time scale of the transition zone (about the time when entanglement occurs, for example, about 1800τ in the case of the coarse-grained model according to the paper 2). In step S216, the coordinate data of the beads 16 of the coarse-grained model 4 are output. The coordinate data is input to the computer 1.

次に、本実施形態の第1計算工程S21では、コンピュータ1が、粗視化モデル4の平均二乗変位を計算する(工程S218)。本実施形態の平均二乗変位は、工程S216の計算開始から計算終了までの単位時間毎のビーズ16の座標値に基づいて計算される。平均二乗変位( Mean-square Displacement:MSD)は、粗視化モデル4のビーズ16(図12に示す)の拡散の大きさを示す指標である。平均二乗変位は、下記式(3)で定義される。
MSD=<|r(t')−r(0)|2> …(3)
なお、符号は次のとおりである。
r(0):任意の時刻におけるビーズの座標値
r(t'):任意の時刻から時間(時間幅)t'後におけるビーズの座標値
<>:アンサンブル平均
Next, in the first calculation step S21 of the present embodiment, the computer 1 calculates the mean square displacement of the coarse-grained model 4 (step S218). The mean square displacement of the present embodiment is calculated based on the coordinate value of the bead 16 for each unit time from the start of calculation in step S216 to the end of calculation. Mean-square displacement (MSD) is an index indicating the amount of diffusion of beads 16 (shown in FIG. 12) of the coarse-grained model 4. The mean square displacement is defined by the following equation (3).
MSD = <| r (t ′) − r (0) | 2 > (3)
The symbols are as follows.
r (0): Coordinate value of bead at arbitrary time r (t ′): Coordinate value of bead after time (time width) t ′ from arbitrary time <>: Ensemble average

上記式(3)に示されるように、平均二乗変位は、空間9に配置されている全ての粗視化モデル4について、各ビーズ16(図12に示す)の任意の時刻から時間後(任意の時間幅t')に移動した距離の二乗を、ビーズ16でアンサンブル平均した値である。このような平均二乗変位により、ビーズ16の平均的な拡散の大きさを把握することができる。   As shown in the above formula (3), the mean square displacement is the time after any time from any time of each bead 16 (shown in FIG. 12) for all the coarse-grained models 4 arranged in the space 9 (arbitrary Is the value obtained by ensemble averaging the square of the distance moved in the time width t ′). With such mean square displacement, the average diffusion size of the beads 16 can be grasped.

平均二乗変位は、粗視化モデル4を構成する全てのビーズ16(図12に示す)のうち、予め定められたビーズ16について計算されるのが望ましい。これにより、平均二乗変位が計算されるビーズ16が限定されるため、工程S216で出力される粗視化モデル4のビーズ16の座標データの総量を削減し、平均二乗変位の計算時間を短縮することができる。また、平均二乗変位は、図4に示されるように、粗視化モデル4を構成する全てのビーズ16のうち、粗視化モデル4の長手方向の中央側4Cに配置される一部のビーズ16について計算されるのが望ましい。これにより、粗視化モデル4のうち、ビーズ16の絡み合いが起こりにくい末端側4E、4Eの拡散の影響を除去できるため、転移域での平均二乗変位を精度よく計算することができる。   The mean square displacement is preferably calculated for a predetermined bead 16 among all the beads 16 (shown in FIG. 12) constituting the coarse-grained model 4. Thereby, since the beads 16 for which the mean square displacement is calculated are limited, the total amount of coordinate data of the beads 16 of the coarse-grained model 4 output in step S216 is reduced, and the calculation time of the mean square displacement is shortened. be able to. Further, as shown in FIG. 4, the mean square displacement is a part of the beads 16 arranged on the center side 4 </ b> C in the longitudinal direction of the coarse-grained model 4 among all the beads 16 constituting the coarse-grained model 4. Preferably it is calculated for 16. Thereby, since the influence of the diffusion of the end sides 4E and 4E in the coarse-grained model 4 where the entanglement of the beads 16 hardly occurs, the mean square displacement in the transition region can be accurately calculated.

平均二乗変位が計算されるビーズ16の個数については、適宜設定することができる。なお、平均二乗変位が計算されるビーズ16の個数が少ないと、粗視化モデル4のビーズ16のサンプル数が不足して、平均二乗変位の統計誤差が大きくなり、粗視化モデル4の時間単位を、高分子鎖の時間単位に精度よく換算できないおそれがある。逆に、平均二乗変位が計算されるビーズ16の個数が多いと、ビーズ16の絡み合いが起こりにくい末端側4E、4Eの拡散の影響を十分に除去できないおそれがある。このような観点より、平均二乗変位が計算されるビーズ16の個数は、粗視化モデル4を構成する全てのビーズ16の個数の30〜70%に設定されるのが望ましい。図18は、粗視化モデル4の平均二乗変位と、時間幅との関係を示すグラフである。このような平均二乗変位の平均値は、コンピュータ1に入力される。   The number of beads 16 for which the mean square displacement is calculated can be set as appropriate. If the number of beads 16 for which the mean square displacement is calculated is small, the number of samples of the beads 16 of the coarse-grained model 4 is insufficient, the statistical error of the mean square displacement increases, and the time of the coarse-grained model 4 is increased. There is a possibility that the unit cannot be accurately converted into the time unit of the polymer chain. Conversely, if the number of beads 16 for which the mean square displacement is calculated is large, there is a possibility that the influence of diffusion on the end sides 4E and 4E where the entanglement of the beads 16 hardly occurs can not be sufficiently removed. From such a viewpoint, the number of beads 16 for which the mean square displacement is calculated is preferably set to 30 to 70% of the number of all beads 16 constituting the coarse-grained model 4. FIG. 18 is a graph showing the relationship between the mean square displacement of the coarse-grained model 4 and the time width. Such an average value of the mean square displacement is input to the computer 1.

次に、本実施形態の第1計算工程S21では、コンピュータ1が、粗視化モデル4同士の絡み合いが起き始めたか否かが判断される(工程S219)。粗視化モデル4同士の絡み合いが起き始めたか否かの判断は、例えば、工程S218で求められた平均二乗変位が、時間幅の約1/2乗に比例する領域(即ち、転移域の拡散に対応する領域)を含み、かつ、時間幅の約1/4乗に比例する領域(即ち、ゴム域の拡散に対応する領域)に向かって、拡散が約1/2乗より遅くなる領域を含んでいるか否かに基づいて判断されうる。なお、このような判断は、粗視化モデルの構造に応じて、適宜設定されうる。従って、第1計算工程S21では、粗視化モデル4の配置が大きく変化する前に運動計算が終了される。   Next, in the first calculation step S21 of the present embodiment, the computer 1 determines whether or not the entanglement between the coarse-grained models 4 starts to occur (step S219). The determination as to whether or not the coarse-grained models 4 have started to be entangled is made, for example, by determining whether the mean square displacement obtained in step S218 is proportional to the time width approximately ½ power (that is, diffusion of the transition region). And a region in which diffusion is slower than approximately ½ power toward a region proportional to approximately ¼ of the time width (that is, a region corresponding to diffusion of the rubber region). It can be determined based on whether or not it contains. Such determination can be appropriately set according to the structure of the coarse-grained model. Therefore, in the first calculation step S21, the motion calculation is ended before the arrangement of the coarse-grained model 4 is significantly changed.

工程S219において、粗視化モデル4同士の絡み合いが起き始めたと判断された場合(工程S219で、「Y」)、次の第2計算工程S22(図16及び図19に示す)が実施される。他方、粗視化モデル4同士の絡み合いが起きていないと判断された場合(工程S219で、「N」)、単位時間を(例えば、工程S216で実施済みのシミュレーション時間程度まとめて)進めて(工程S220)、工程S216及び工程S218が実施される。これにより、第1計算工程S21では、粗視化モデル4同士の絡み合いが起き始めるまでの(即ち、転移域の拡散に対応する)粗視化モデル4の平均二乗変位が計算される。   In step S219, when it is determined that the entanglement between the coarse-grained models 4 has started to occur ("Y" in step S219), the next second calculation step S22 (shown in FIGS. 16 and 19) is performed. . On the other hand, when it is determined that the coarse-grained models 4 are not entangled with each other (“N” in step S219), the unit time is advanced (for example, the simulation time already performed in step S216 is summarized) ( Step S220), step S216, and step S218 are performed. Thereby, in the first calculation step S21, the mean square displacement of the coarse-grained model 4 until the entanglement between the coarse-grained models 4 starts to occur (that is, corresponding to the diffusion in the transition zone) is calculated.

次に、時間換算工程S2では、コンピュータ1が、全原子モデル3の拡散の大きさを示す平均二乗変位を計算する(第2計算工程S22)。図19は、本実施形態の第2計算工程S22の処理手順の一例を示すフローチャートである。   Next, in the time conversion step S2, the computer 1 calculates a mean square displacement indicating the diffusion magnitude of the all-atom model 3 (second calculation step S22). FIG. 19 is a flowchart illustrating an example of a processing procedure of the second calculation step S22 of the present embodiment.

本実施形態の第2計算工程S22では、先ず、コンピュータ1が、緩和状態の全原子モデル3を作成する(工程S221)。工程S221では、図17に示した第1計算工程S21の工程S215で得られた緩和状態の粗視化モデル4の配置に基づいて、緩和状態の全原子モデル3が作成される。   In the second calculation step S22 of the present embodiment, first, the computer 1 creates a relaxed all-atom model 3 (step S221). In step S221, the all-atom model 3 in the relaxed state is created based on the arrangement of the coarse-grained model 4 in the relaxed state obtained in step S215 of the first calculation step S21 shown in FIG.

工程S221では、リバースマッピングに基づいて、緩和状態の粗視化モデル4の各ビーズ16(図12に示す)に、モノマーモデル11(図3に示す)を割り当てている。上述したように、モノマーモデル11は、高分子鎖2のモノマー5(図2に示す)をなす単位構造に基づいて、粒子モデル7及びボンド8を連結したものである。このようなモノマーモデル11が、粗視化モデル4の各ビーズ16に割り当てられることにより、緩和状態の全原子モデル3が設定される。なお、リバースマッピングは、上記材料物性シミュレーションソフトウェアを用いて、容易に行うことができる。   In step S221, the monomer model 11 (shown in FIG. 3) is assigned to each bead 16 (shown in FIG. 12) of the coarse-grained model 4 in the relaxed state based on reverse mapping. As described above, the monomer model 11 is obtained by connecting the particle model 7 and the bond 8 based on the unit structure that forms the monomer 5 (shown in FIG. 2) of the polymer chain 2. By assigning such a monomer model 11 to each bead 16 of the coarse-grained model 4, the all-atom model 3 in a relaxed state is set. Note that reverse mapping can be easily performed using the material property simulation software.

なお、リバースマッピング後の粒子モデル7、7間の衝突(距離が極端に近づきすぎること)を避けるため、衝突が起こらないような十分に低い密度でリバースマッピングを行い、かつ、分子動力学計算プログラムLAMMPSなどを用いてエネルギー最小化を行った後に、全原子モデル3が平衡密度となるまで段階的にアフィン変形とエネルギー最小化とを繰り返し行うのが望ましい。なお、モノマーの立体異性体を保持する必要がある場合は、例えば、特開2014−225226に記載される方法と同様に、立体異性体に関する二面角や結合角のポテンシャル関数を大きくして、エネルギー最小化が行われるのが望ましい。また、全原子モデル3の平衡密度は、鎖長の短い複数の全原子モデル3の緩和計算後の平衡密度から、滑らかな曲線(図示省略)でフィッティングして外挿することによって推定することが望ましい。   In addition, in order to avoid collision between the particle models 7 and 7 after reverse mapping (the distance is too close), reverse mapping is performed at a sufficiently low density so that collision does not occur, and a molecular dynamics calculation program After energy minimization using LAMMPS or the like, it is desirable to repeatedly perform affine deformation and energy minimization step by step until the all-atom model 3 reaches an equilibrium density. In addition, when it is necessary to retain the stereoisomer of the monomer, for example, as in the method described in JP-A-2014-225226, the potential function of the dihedral angle and bond angle related to the stereoisomer is increased, It is desirable to perform energy minimization. Further, the equilibrium density of the all-atom model 3 can be estimated by fitting and extrapolating with a smooth curve (not shown) from the equilibrium density after relaxation calculation of a plurality of all-atom models 3 having a short chain length. desirable.

本実施形態では、モノマー数換算工程S1で計算された粗視化モデル4(図4に示す)のビーズ数と、高分子鎖2(図2に示す)のモノマー数との比に基づいて、各ビーズ16にモノマーモデル11を割り当てる。これにより、緩和状態の全原子モデル3を精度よく作成することができる。そして、工程S221では、空間9に配置されている緩和状態の全ての粗視化モデル4に基づいて、緩和状態の全原子モデル3が作成される。   In this embodiment, based on the ratio between the number of beads of the coarse-grained model 4 (shown in FIG. 4) calculated in the monomer number conversion step S1 and the number of monomers of the polymer chain 2 (shown in FIG. 2), A monomer model 11 is assigned to each bead 16. Thereby, the all-atom model 3 in a relaxed state can be created with high accuracy. In step S221, the all-atom model 3 in the relaxed state is created based on all the coarse-grained models 4 in the relaxed state arranged in the space 9.

工程S221では、先ず、粗視化モデル4(図4に示す)のビーズ数と高分子鎖2(図2に示す)のモノマー数との比が1でない場合、モノマー数と同一のビーズ数になる(即ち、ビーズ数とモノマー数との比が1になる)ように、粗視化モデル4の主鎖上の両末端の位置を保持して、主鎖上を等間隔にリサンプリング(即ち、ビーズ16の総数を変更して再配置)する。例えば、粗視化モデル4の1個のビーズ16あたりの高分子鎖2のモノマー数が1.5であり、かつ、粗視化モデル4のビーズ数が80である場合、対応する高分子鎖2のモノマー数は120(即ち、モノマー数1.5×ビーズ数80)となるため、粗視化モデル4のビーズ数は、80から120となるようにリサンプリングされる。   In step S221, first, when the ratio between the number of beads in the coarse-grained model 4 (shown in FIG. 4) and the number of monomers in the polymer chain 2 (shown in FIG. 2) is not 1, the number of beads is the same as the number of monomers. So that the positions of both ends on the main chain of the coarse-grained model 4 are maintained and the main chain is resampled at equal intervals (ie , Rearrange the total number of beads 16). For example, when the number of monomers of the polymer chain 2 per bead 16 of the coarse-grained model 4 is 1.5 and the number of beads of the coarse-grained model 4 is 80, the corresponding polymer chain Since the number of monomers of 2 is 120 (that is, the number of monomers is 1.5 × the number of beads is 80), the number of beads in the coarse-grained model 4 is resampled to be 80 to 120.

次に、工程S221では、上記材料物性シミュレーションソフトウェア等を用いてリバースマッピングが実行されることにより、リサンプリング後の粗視化モデル4の各ビーズ16にモノマーモデル11が1個割り当てられ、空間9から粗視化モデル4が取り除かれる。これにより、緩和状態の全原子モデル3が配置された高分子材料モデル(図示省略)を得ることができる。   Next, in step S221, one monomer model 11 is assigned to each bead 16 of the coarse-grained model 4 after resampling by performing reverse mapping using the material physical property simulation software or the like, and the space 9 From this, the coarse-grained model 4 is removed. Thereby, a polymer material model (not shown) in which all the atomic models 3 in a relaxed state are arranged can be obtained.

このように、工程S221では、粗視化モデル4に比べて大幅に時間を要する全原子モデル3の構造緩和の計算(即ち、分子動力学計算)をすることなく、緩和状態の全原子モデル3を作成することができるため、計算時間を大幅に短縮することができる。緩和状態の全原子モデル3は、コンピュータ1に入力される。   Thus, in step S221, the all-atomic model 3 in the relaxed state is calculated without calculating the structural relaxation (that is, molecular dynamics calculation) of the all-atomic model 3 that requires much time compared to the coarse-grained model 4. Therefore, the calculation time can be greatly shortened. The relaxed all-atom model 3 is input to the computer 1.

次に、本実施形態の第2計算工程S22では、コンピュータ1が、緩和状態の全原子モデル3について、運動計算を行う(工程S222)。本実施形態の運動計算としては、上述した分子動力学計算が実施される。分子動力学計算は、上述したモノマー数換算工程S1で実施された分子動力学計算と同一手順で実施される。これにより、緩和状態の全原子モデル3について、高分子材料の転移域の拡散の大きさを計算することができる。工程S222では、全原子モデル3の粒子モデル7の座標データが出力される。座標データは、コンピュータ1に入力される。   Next, in the second calculation step S22 of the present embodiment, the computer 1 performs motion calculation for the all-atom model 3 in the relaxed state (step S222). As the motion calculation of this embodiment, the above-described molecular dynamics calculation is performed. The molecular dynamics calculation is performed in the same procedure as the molecular dynamics calculation performed in the monomer number conversion step S1 described above. Thereby, the magnitude of diffusion in the transition region of the polymer material can be calculated for the all-atom model 3 in the relaxed state. In step S222, coordinate data of the particle model 7 of the all-atom model 3 is output. The coordinate data is input to the computer 1.

次に、本実施形態の第2計算工程S22では、コンピュータ1が、全原子モデル3の平均二乗変位を計算する(工程S223)。本実施形態の平均二乗変位は、工程S222の計算開始から計算終了までの本実施形態の平均二乗変位は、工程S222の計算開始から計算終了までの単位時間毎の粒子モデル7の座標値に基づいて計算される。平均二乗変位( Mean-square Displacement:MSD)は、粒子の拡散の大きさを示す指標である。平均二乗変位は、上記式(3)で定義される。このような平均二乗変位により、各粒子モデル7の各時間幅についての拡散の大きさを把握することができる。なお、上記式(3)において、「r(0)」は、任意の時刻における、ある粒子モデルの座標値として定義される。また、「r(t')」は、任意の時刻から時間(時間幅t')後における同じ粒子モデルの座標値として定義される。   Next, in the second calculation step S22 of the present embodiment, the computer 1 calculates the mean square displacement of the all-atom model 3 (step S223). The mean square displacement of this embodiment is based on the coordinate value of the particle model 7 for each unit time from the start of calculation of step S222 to the end of calculation. Is calculated. Mean-square displacement (MSD) is an index indicating the degree of particle diffusion. The mean square displacement is defined by the above equation (3). With such mean square displacement, the magnitude of diffusion for each time width of each particle model 7 can be grasped. In the above equation (3), “r (0)” is defined as the coordinate value of a certain particle model at an arbitrary time. In addition, “r (t ′)” is defined as the coordinate value of the same particle model after time (time width t ′) from an arbitrary time.

計算時間を短縮するために、平均二乗変位は、全原子モデル3を構成する全ての粒子モデル7のうち、予め定められた粒子モデル7について計算されるのが望ましい。図3に示されるように、平均二乗変位は、全原子モデル3の主鎖方向の中央側に配置される一部の粒子モデル7を対象に計算されるのが望ましい。これにより、全原子モデル3のうち、粒子モデル7の絡み合いが起こりにくい末端側の拡散の影響を除去できるため、転移域での平均二乗変位を精度よく計算することができる。   In order to shorten the calculation time, the mean square displacement is preferably calculated for a predetermined particle model 7 among all the particle models 7 constituting the all-atom model 3. As shown in FIG. 3, the mean square displacement is preferably calculated for a part of the particle models 7 arranged on the center side in the main chain direction of the all-atom model 3. Thereby, since the influence of the terminal side diffusion in which the entanglement of the particle model 7 hardly occurs in the all-atom model 3 can be eliminated, the mean square displacement in the transition region can be calculated with high accuracy.

平均二乗変位が計算される粒子モデル7の個数については、適宜設定することができる。平均二乗変位が計算される粒子モデル7の個数は、平均ニ乗変位が計算されるビーズ16の個数と同様の観点より、全原子モデル3を構成する全ての粒子モデル7の個数の30〜70%に設定されるのが望ましい。図20は、全原子モデル3の平均二乗変位と時間幅との関係を示すグラフである。なお、図20のグラフは、全原子モデル3の設定される温度、圧力等の計算条件に応じて異なる結果が得られる。このため、粗視化モデル4のビーズ数と高分子鎖2のモノマー数との比の計算、及び、時間単位の換算を精度良く行うには、モノマー数換算工程S1及び時間換算工程S2において、全原子モデルの計算条件を統一する必要がある。   The number of particle models 7 for which the mean square displacement is calculated can be set as appropriate. The number of particle models 7 for which the mean square displacement is calculated is 30 to 70 which is the number of all the particle models 7 constituting the all-atom model 3 from the same viewpoint as the number of beads 16 for which the mean square displacement is calculated. It is desirable to set to%. FIG. 20 is a graph showing the relationship between the mean square displacement of the all-atom model 3 and the time width. Note that the graph of FIG. 20 gives different results depending on the calculation conditions such as temperature and pressure set for the all-atom model 3. For this reason, in order to calculate the ratio between the number of beads of the coarse-grained model 4 and the number of monomers of the polymer chain 2 and to convert the time unit with high accuracy, in the monomer number conversion step S1 and the time conversion step S2, It is necessary to unify the calculation conditions of the all-atom model.

次に、本実施形態の第2計算工程S22では、コンピュータ1が、全原子モデル3の平均二乗変位が、転移域の拡散に対応しているか否かが判断される(工程S224)。全原子モデル3の平均二乗変位が、転移域の拡散に対応しているか否かの判断は、時間幅のおよそ1/2乗に比例する領域(即ち、転移域の拡散に対応する領域)を統計的に有意に含んでいるか否かに基づいて判断される。従って、第2計算工程S22では、全原子モデル3の配置が大きく変化する前に運動計算が終了される。   Next, in the second calculation step S22 of the present embodiment, the computer 1 determines whether or not the mean square displacement of the all-atom model 3 corresponds to the diffusion of the transition region (step S224). Whether or not the mean square displacement of the all-atom model 3 corresponds to the diffusion of the transition region is determined based on a region proportional to approximately the 1/2 power of the time width (that is, a region corresponding to the diffusion of the transition region). Judgment is made based on whether or not it is statistically significant. Accordingly, in the second calculation step S22, the motion calculation is ended before the arrangement of the all-atom model 3 changes greatly.

工程S224において、全原子モデル3の平均二乗変位が、転移域の拡散に対応していると判断された場合(工程S224で、「Y」)、次の工程S23(図19に示す)が実施される。他方、全原子モデル3の平均二乗変位が、転移域の拡散に対応していないと判断された場合(工程S224で、「N」)、単位時間を(例えば、工程S222で実施済みのシミュレーション時間程度まとめて)進めて(工程S225)、工程S222及び工程S223が実施される。これにより、第2計算工程S22では、転移域の拡散に対応する全原子モデル3の平均二乗変位が計算されるため、後述の工程S23において、粗視化モデル4の平均二乗変位(図18に示す)と、全原子モデル3の平均二乗変位(図20に示す)とを重複させることができる。   In step S224, when it is determined that the mean square displacement of all-atom model 3 corresponds to diffusion in the transition region (“Y” in step S224), the next step S23 (shown in FIG. 19) is performed. Is done. On the other hand, when it is determined that the mean square displacement of the all-atom model 3 does not correspond to the diffusion of the transition region (“N” in step S224), the unit time (for example, the simulation time that has been performed in step S222) Proceeding together (step S225), step S222 and step S223 are performed. Thereby, in the second calculation step S22, the mean square displacement of the all-atom model 3 corresponding to the diffusion of the transition region is calculated. Therefore, in the later-described step S23, the mean square displacement of the coarse-grained model 4 (see FIG. 18). And the mean square displacement (shown in FIG. 20) of the all-atom model 3 can be overlapped.

次に、本実施形態の時間換算工程S2では、コンピュータ1が、粗視化モデル4の時間単位を、高分子鎖の時間単位に換算する(工程S23)。工程S23では、粗視化モデル4の平均二乗変位と、全原子モデル3の平均二乗変位とに基づいて、粗視化モデル4の時間単位を、高分子鎖の時間単位に換算している。   Next, in the time conversion step S2 of the present embodiment, the computer 1 converts the time unit of the coarse-grained model 4 to the time unit of the polymer chain (step S23). In step S23, based on the mean square displacement of the coarse-grained model 4 and the mean square displacement of the all-atom model 3, the time unit of the coarse-grained model 4 is converted to the time unit of the polymer chain.

工程S23では、先ず、図18に示した粗視化モデル4の平均二乗変位と時間との関係、及び、図20に示した全原子モデル3の平均二乗変位と時間との関係が、統計誤差を考慮した非線形最小二乗法に基づいてフィッティングされる。図21は、全原子モデル3と粗視化モデル4とをフィッティングした平均二乗変位と時間幅との関係を示すグラフである。   In step S23, first, the relationship between the mean square displacement of the coarse-grained model 4 shown in FIG. 18 and time, and the relationship between the mean square displacement of the all-atom model 3 and time shown in FIG. Fitting is performed based on a nonlinear least square method considering FIG. 21 is a graph showing the relationship between the mean square displacement obtained by fitting the all-atom model 3 and the coarse-grained model 4 and the time width.

上記フィッティングは、先ず、粗視化モデル4の平均二乗変位について、全原子モデル3の平均二乗変位と重なる(即ち、転移域の拡散に対応する)時間スケール(時間幅)の範囲を滑らかな曲線(図示省略)でフィッティングされる。次に、この曲線と、全原子モデル3の平均二乗変位とが重なるように、粗視化モデル4の時間単位(時間幅)と全原子モデル3の時間単位(時間幅)との比についてフィッティングされる。フィッティングの手法としては、例えば、論文3に記載されるレーベンバーグ・マーカート法(Levenberg-Marquardt Method)が用いられ、例えば、上記グラフ作成ソフトウェアにより、容易に行うことができる。   In the fitting, first, the mean square displacement of the coarse-grained model 4 overlaps with the mean square displacement of the all-atom model 3 (that is, corresponds to the diffusion of the transition region), and the range of the time scale (time width) is a smooth curve. Fitting is performed (not shown). Next, fitting is performed for the ratio between the time unit (time width) of the coarse-grained model 4 and the time unit (time width) of the all-atom model 3 so that this curve and the mean square displacement of the all-atom model 3 overlap. Is done. As a fitting method, for example, the Levenberg-Marquardt Method described in the paper 3 is used, and can be easily performed by, for example, the graph creation software.

そして、上記フィッティングの結果から、粗視化モデル4の時間単位(時間幅τ)と、全原子モデル3の時間単位(時間幅ns)とを対応づけることにより、粗視化モデル4の時間単位を、高分子鎖の時間単位に換算することができる。換算された粗視化モデル4の時間単位は、コンピュータ1に入力される。   Then, from the result of the above fitting, the time unit of the coarse-grained model 4 is associated with the time unit of the coarse-grained model 4 (time width τ) and the time unit of the all-atom model 3 (time width ns). Can be converted into a time unit of a polymer chain. The converted time unit of the coarse-grained model 4 is input to the computer 1.

このように、本実施形態の時間換算工程S2では、上記特許文献1の換算方法のように、全原子モデル3の配置を十分に緩和するまで(即ち、全原子モデル3同士の絡み合いがほどけるまで)緩和計算を行うことなく、粗視化モデル4の時間単位を、高分子鎖の時間単位に換算することができる。上記特許文献1の緩和計算は、本実施形態の時間換算工程S2に比べて、多くの時間を要する。従って、時間換算工程S2では、粗視化モデル4の時間単位を、高分子鎖の時間単位に短時間で換算することができる。   As described above, in the time conversion step S2 of the present embodiment, the arrangement of all the atom models 3 is sufficiently relaxed (that is, the entanglement between all the atom models 3 is unwound) as in the conversion method of Patent Document 1 described above. Up to) The time unit of the coarse-grained model 4 can be converted into the time unit of the polymer chain without performing relaxation calculation. The relaxation calculation of Patent Document 1 requires much time compared with the time conversion step S2 of the present embodiment. Therefore, in the time conversion step S2, the time unit of the coarse-grained model 4 can be converted into the time unit of the polymer chain in a short time.

しかも、本実施形態では、時間幅の広い範囲(即ち、転移域の拡散に対応する時間スケール)において、平均二乗変位をフィッティングすることができるため、末端間ベクトルの相関がなくなる時間として定義される時間のパラメータをピンポイントでフィッティングしていた前記特許文献1に比べて、精度よく換算することができる。   Moreover, in the present embodiment, the mean square displacement can be fitted in a wide range of time width (that is, a time scale corresponding to the diffusion of the transition region), so that it is defined as the time when the end-to-end vector correlation disappears. Compared with Patent Document 1 in which the time parameter is fitted pinpointly, it can be converted with higher accuracy.

上述したように、モノマー数換算工程S1では、全原子モデル3のRouseのビーズ数と、粗視化モデル4のRouseのビーズ数とをフィッティングさせることにより、粗視化モデル4(図4に示す)のビーズ数と、高分子鎖2(図2に示す)のモノマー数との比を求めている。これにより、粗視化モデル4には、高分子鎖2のモノマーに対応する複数のビーズ16が慣性半径の鎖長依存性を考慮して精度よく設定されるため、鎖長依存性を考慮しない上記特許文献1の換算方法に比べて、粗視化モデル4を用いた分子動力学計算の計算結果と、全原子モデル3を用いた分子動力学計算の計算結果とを精度よく対応させることができる。従って、時間換算工程S2では、粗視化モデル4の時間単位を、高分子鎖の時間単位に精度よく換算することができる。   As described above, in the monomer number conversion step S1, the coarse-grained model 4 (shown in FIG. 4) is obtained by fitting the number of Rouse beads of the all-atom model 3 and the number of Rouse beads of the coarse-grained model 4. ) And the number of monomers of the polymer chain 2 (shown in FIG. 2). Thereby, in the coarse-grained model 4, the plurality of beads 16 corresponding to the monomers of the polymer chain 2 are accurately set in consideration of the chain length dependency of the inertia radius, and thus the chain length dependency is not considered. Compared with the conversion method described in Patent Document 1, the calculation result of the molecular dynamics calculation using the coarse-grained model 4 and the calculation result of the molecular dynamics calculation using the all-atom model 3 can be associated with each other with high accuracy. it can. Therefore, in the time conversion step S2, the time unit of the coarse-grained model 4 can be accurately converted to the time unit of the polymer chain.

次に、図5に示されるように、本実施形態のシミュレーション方法では、コンピュータ1が、粗視化モデル4を用いた様々な条件のシミュレーションを実施する(工程S3)。工程S3のシミュレーションの一例としては、例えば、緩和状態の高分子材料モデル(図示省略)を用いた変形計算等を含んでいる。   Next, as shown in FIG. 5, in the simulation method of the present embodiment, the computer 1 performs a simulation under various conditions using the coarse-grained model 4 (step S <b> 3). An example of the simulation of step S3 includes, for example, deformation calculation using a relaxed polymer material model (not shown).

工程S3では、モノマー数換算工程S1で求められた粗視化モデル4(図4に示す)のビーズ数と、高分子鎖2(図2に示す)のモノマー数との比に基づいて、粗視化モデル4が設定される。従って、工程S3では、粗視化モデル4を用いたシミュレーションにより、高分子鎖2に近似した結果を得ることができる。   In step S3, based on the ratio between the number of beads of the coarse-grained model 4 (shown in FIG. 4) obtained in the monomer number conversion step S1 and the number of monomers of the polymer chain 2 (shown in FIG. 2), A visualization model 4 is set. Therefore, in step S3, a result approximate to the polymer chain 2 can be obtained by simulation using the coarse-grained model 4.

次に、本実施形態のシミュレーション方法では、コンピュータ1が、高分子材料モデル(図示省略)を用いたシミュレーション結果が良好である(即ち、所望の性能を有する)か否かを判断する(工程S4)。工程S4では、時間換算工程S2で求められた結果に基づいて、工程S3で計算された粗視化モデル4(図4に示す)の時間単位が、高分子鎖2(図2に示す)の時間単位に換算される。これにより、粗視化モデル4を用いた様々な条件の分子動力学計算の計算結果を、実際の高分子鎖2の運動として取り扱うことができる。   Next, in the simulation method of the present embodiment, the computer 1 determines whether the simulation result using the polymer material model (not shown) is good (that is, has a desired performance) (step S4). ). In step S4, the time unit of the coarse-grained model 4 (shown in FIG. 4) calculated in step S3 based on the result obtained in the time conversion step S2 is the polymer chain 2 (shown in FIG. 2). Converted to time unit. Thereby, the calculation results of molecular dynamics calculation under various conditions using the coarse-grained model 4 can be handled as the actual movement of the polymer chain 2.

工程S4において、シミュレーション結果が良好であると判断された場合(工程S4で、「Y」)、シミュレーションされた高分子材料モデル(図示省略)に基づいて、高分子材料が製造される(工程S5)。他方、シミュレーション結果が良好でないと判断された場合(工程S4で、「N」)、高分子鎖2(図2に示す)の構造や条件等を変更して(工程S6)、工程S1〜工程S4が再度実施される。このように、本実施形態のシミュレーション方法では、所望の性能を有する未知の高分子材料を開発することができる。しかも、本実施形態のシミュレーション方法は、工程S4において、全原子モデル3を用いたシミュレーションを行わなくても、粗視化モデル4(図4に示す)を用いたシミュレーションにより、高い精度のシミュレーション結果を得ることができるため、高分子材料の開発コストを低減することができる。   If it is determined in step S4 that the simulation result is good (“Y” in step S4), a polymer material is manufactured based on the simulated polymer material model (not shown) (step S5). ). On the other hand, when it is determined that the simulation result is not good (“N” in step S4), the structure and conditions of the polymer chain 2 (shown in FIG. 2) are changed (step S6), and steps S1 to S1 are performed. S4 is performed again. Thus, in the simulation method of the present embodiment, an unknown polymer material having a desired performance can be developed. In addition, the simulation method of the present embodiment enables a highly accurate simulation result by simulation using the coarse-grained model 4 (shown in FIG. 4) without performing the simulation using the all-atom model 3 in step S4. Therefore, the development cost of the polymer material can be reduced.

以上、本発明の特に好ましい実施形態について詳述したが、本発明は図示の実施形態に限定されることなく、種々の態様に変形して実施しうる。   As mentioned above, although especially preferable embodiment of this invention was explained in full detail, this invention is not limited to embodiment of illustration, It can deform | transform and implement in a various aspect.

図5に示した処理手順に従って、粗視化モデル4(図4に示す)のビーズ数と、高分子鎖2(図2に示す)のモノマー数との比を求めるモノマー数換算工程と、粗視化モデルの時間単位を高分子鎖の時間単位に換算する時間換算工程が実施された(実施例)。   According to the processing procedure shown in FIG. 5, a monomer number conversion step for obtaining a ratio between the number of beads of the coarse-grained model 4 (shown in FIG. 4) and the number of monomers of the polymer chain 2 (shown in FIG. 2), A time conversion step of converting the time unit of the visualization model into the time unit of the polymer chain was performed (Example).

実施例のモノマー数換算工程では、図6に示した処理手順に従って、全原子モデルのRouseのビーズ数を計算する第3計算工程と、粗視化モデルのRouseのビーズ数を計算する第4計算工程と、粗視化モデルのビーズを高分子鎖のモノマー数に換算する工程とが実施された。   In the monomer number conversion step of the example, according to the processing procedure shown in FIG. 6, a third calculation step for calculating the number of Rouse beads for the all-atom model and a fourth calculation for calculating the number of Rouse beads for the coarse-grained model And a step of converting the coarse-grained model beads into the number of monomers of the polymer chain.

実施例の第3計算工程では、図7に示した処理手順に従って、モノマー数が異なる全原子モデル(本実施形態では、第1全原子モデル〜第3全原子モデル)が空間にそれぞれ配置され、全原子モデル毎にRouseのビーズ数が計算された。図10は、全原子モデルのRouseのビーズ数とモノマー数との関係を示すグラフである。なお、分子動力学計算において、空間の初期密度が0.001g/cm3に設定され、温度が360Kに設定され、圧力が1atmに設定された。また、各全原子モデルのモノマー数(鎖長)、及び、空間に配置された全原子モデルの本数等については、次のとおりである。
第1全原子モデル:
モノマー数:20、空間内の本数:50本、緩和時間:20ns
第2全原子モデル:
モノマー数:30、空間内の本数:75本、緩和時間:50ns
第3全原子モデル:
モノマー数:40、空間内の本数:75本、緩和時間:100ns
In the third calculation step of the example, all atom models having different numbers of monomers (in the present embodiment, the first all atom model to the third all atom model) are respectively arranged in space according to the processing procedure shown in FIG. The number of Rouse beads was calculated for every atomic model. FIG. 10 is a graph showing the relationship between the number of Rouse beads and the number of monomers in the all-atom model. In the molecular dynamics calculation, the initial density of the space was set to 0.001 g / cm 3 , the temperature was set to 360 K, and the pressure was set to 1 atm. In addition, the number of monomers (chain length) of each all-atom model, the number of all-atom models arranged in space, and the like are as follows.
First all-atom model:
Number of monomers: 20, number in space: 50, relaxation time: 20 ns
Second all-atom model:
Number of monomers: 30, number in space: 75, relaxation time: 50 ns
Third all-atom model:
Number of monomers: 40, number in space: 75, relaxation time: 100 ns

実施例の第4計算工程では、図11に示した処理手順に従って、ビーズ数が異なる複数の粗視化モデル(本実施形態では、第1粗視化モデル〜第9粗視化モデル)が空間にそれぞれ配置され、粗視化モデルのRouseのビーズ数が計算された。図14は、粗視化モデルのRouseのビーズ数とビーズ数との関係を示すグラフである。各粗視化モデルのビーズ数(鎖長)、及び、空間に配置された粗視化モデルの本数等については、次のとおりである。
第1粗視化モデル:
ビーズ数:10、空間内の本数:1000本、緩和時間:15000τ
第2粗視化モデル:
ビーズ数:13、空間内の本数:1000本、緩和時間:15000τ
第3粗視化モデル:
ビーズ数:20、空間内の本数:1000本、緩和時間:15000τ
第4粗視化モデル:
ビーズ数:27、空間内の本数:1000本、緩和時間:15000τ
第5粗視化モデル:
ビーズ数:50、空間内の本数:200本、緩和時間:1500000τ
第6粗視化モデル:
ビーズ数:80、空間内の本数:100本、緩和時間:3000000τ
第7粗視化モデル:
ビーズ数:100、空間内の本数:100本、緩和時間:3000000τ
第8粗視化モデル:
ビーズ数:200、空間内の本数:100本、緩和時間:4500000τ
第9粗視化モデル:
ビーズ数:500、空間内の本数:150本、緩和時間:3000000τ
In the fourth calculation step of the example, a plurality of coarse-grained models having different numbers of beads (in the present embodiment, the first coarse-grained model to the ninth coarse-grained model) are space-in accordance with the processing procedure shown in FIG. The number of coarse beads Rouse beads was calculated. FIG. 14 is a graph showing the relationship between the number of beads of Rouse and the number of beads in the coarse-grained model. The number of beads (chain length) of each coarse-grained model, the number of coarse-grained models arranged in space, and the like are as follows.
First coarse-grained model:
Number of beads: 10, Number of beads in space: 1000, Relaxation time: 15000τ
Second coarse-grained model:
Number of beads: 13, number of beads in space: 1000, relaxation time: 15000τ
Third coarse-grained model:
Number of beads: 20, number of beads in space: 1000, relaxation time: 15000τ
Fourth coarse-grained model:
Number of beads: 27, number in space: 1000, relaxation time: 15000τ
Fifth coarse-grained model:
Number of beads: 50, number of beads in space: 200, relaxation time: 1500000τ
Sixth coarse-grained model:
Number of beads: 80, number in space: 100, relaxation time: 3000000τ
Seventh coarse-grained model:
Number of beads: 100, number in space: 100, relaxation time: 3000000τ
Eighth coarse-grained model:
Number of beads: 200, number in space: 100, relaxation time: 4500000τ
9th coarse-grained model:
Number of beads: 500, number of beads in space: 150, relaxation time: 3000000τ

実施例の粗視化モデルのビーズを高分子鎖のモノマー数に換算する工程では、非線形最小二乗法に基づいて、全原子モデルのRouseのビーズ数とモノマー数との関係と、粗視化モデルのRouseのビーズ数とビーズ数との関係とがフィッティングされ、粗視化モデルのビーズ数と、高分子鎖2のモノマー数との比(即ち、1個のビーズ16あたりのモノマー数)が計算された。1個のビーズあたりのモノマー数は、1.483±0.014であった。   In the process of converting the coarse-grained model beads of the example into the number of monomers of the polymer chain, the relationship between the number of Rouse beads and the number of monomers of the all-atom model based on the nonlinear least square method, and the coarse-grained model The number of beads in Rouse and the relationship between the number of beads are fitted, and the ratio between the number of beads in the coarse-grained model and the number of monomers in the polymer chain 2 (that is, the number of monomers per one bead 16) is calculated. It was done. The number of monomers per bead was 1.383 ± 0.014.

実施例の時間換算工程では、図16に示した処理手順に従って、粗視化モデルの拡散の大きさを示す平均二乗変位を計算する第1計算工程と、全原子モデルの拡散の大きさを示す平均二乗変位を計算する第2計算工程と、高分子鎖の時間単位に換算する工程とが実施された。   In the time conversion step of the embodiment, according to the processing procedure shown in FIG. 16, the first calculation step for calculating the mean square displacement indicating the diffusion size of the coarse-grained model and the diffusion size of the all-atom model are shown. A second calculation step for calculating the mean square displacement and a step for converting the time unit of the polymer chain were performed.

実施例の第1計算工程では、図17に示した処理手順に従って、初期配置された粗視化モデルの緩和状態を計算する工程と、緩和状態の粗視化モデルを用いて運動計算を行い、平均二乗変位を計算する工程とが実施された。なお、粗視化モデルのビーズ数(鎖長)は、上記の1個のビーズあたりのモノマー数から80と決定された。また、緩和時間は、15000τであった。図18は、粗視化モデルの平均二乗変位と時間幅との関係を示すグラフである。   In the first calculation step of the embodiment, according to the processing procedure shown in FIG. 17, the step of calculating the relaxation state of the initially arranged coarse-grained model, and the motion calculation using the coarse-grained model of the relaxed state, And calculating a mean square displacement. The number of beads (chain length) in the coarse-grained model was determined to be 80 from the number of monomers per one bead. The relaxation time was 15000τ. FIG. 18 is a graph showing the relationship between the mean square displacement of the coarse-grained model and the time width.

実施例の第2計算工程では、図19に示した処理手順に従って、第1計算工程で得られた緩和状態の粗視化モデルの配置に基づいて緩和状態の全原子モデルを作成する工程と、緩和状態の全原子モデルを用いて運動計算を行い、平均二乗変位を計算する工程が実施された。運動計算(分子動力学計算)での温度は、360Kに設定された。図20は、全原子モデルの平均二乗変位と時間幅との関係を示すグラフである。   In the second calculation step of the embodiment, in accordance with the processing procedure shown in FIG. 19, a step of creating a relaxed state all-atom model based on the arrangement of the relaxed state coarse-grained model obtained in the first calculation step; The process of calculating the mean square displacement was performed by calculating the motion using the all-atom model in the relaxed state. The temperature in the motion calculation (molecular dynamics calculation) was set to 360K. FIG. 20 is a graph showing the relationship between the mean square displacement and the time width of the all-atom model.

実施例の高分子鎖の時間単位に換算する工程では、非線形最小二乗法に基づいて、粗視化モデルの平均二乗変位と時間との関係、及び、全原子モデルの平均二乗変位と時間との関係が、フィッティングされ、粗視化モデルの時間単位が、高分子鎖の時間単位に換算された。その結果、粗視化モデルの時間単位1τが、高分子鎖の時間単位44.9psに換算された。   In the step of converting to the time unit of the polymer chain in the example, based on the nonlinear least square method, the relationship between the mean square displacement of the coarse-grained model and time, and the mean square displacement of the all-atom model and time. The relationship was fitted and the time unit of the coarse-grained model was converted to the time unit of the polymer chain. As a result, the time unit 1τ of the coarse-grained model was converted to the time unit 44.9 ps of the polymer chain.

比較のために、上記特許文献1の方法に基づいて、粗視化モデルの時間単位が、高分子鎖の時間単位に換算された(比較例)。比較例では、全原子モデルの末端間ベクトルの長さの時間相関関数を求める際に、全原子モデルを主鎖方向に強制的に引き伸ばす変形計算が行われた。比較例では、全原子モデルの末端間ベクトルの長さの時間相関関数を求める際に、全原子モデルの配置が十分に緩和するまで平衡計算が行われた。なお、換算方法の詳細については、上記特許文献1のとおりである。また、実施例及び比較例で使用されたコンピュータは、24CPU(2ノード)である。   For comparison, the time unit of the coarse-grained model was converted to the time unit of the polymer chain based on the method of Patent Document 1 (Comparative Example). In the comparative example, when calculating the time correlation function of the length of the end-to-end vector of the all-atom model, a deformation calculation for forcibly extending the all-atom model in the main chain direction was performed. In the comparative example, when calculating the time correlation function of the length of the end-to-end vector of the all-atom model, the equilibrium calculation was performed until the arrangement of the all-atom model was sufficiently relaxed. The details of the conversion method are as described in Patent Document 1. The computer used in the examples and comparative examples is 24 CPUs (2 nodes).

テストの結果、実施例では、粗視化モデルの時間単位を、高分子鎖の時間単位に換算するのに要した日数は、15日であった。他方、比較例の方法について、換算するのに要する日数を概算したところ、数年であった。従って、本発明のシミュレーション方法は、粗視化モデルの時間単位を高分子鎖の時間単位に短時間で換算することができた。   As a result of the test, in the example, the number of days required to convert the time unit of the coarse-grained model into the time unit of the polymer chain was 15 days. On the other hand, when the number of days required for conversion was estimated for the method of the comparative example, it was several years. Therefore, the simulation method of the present invention can convert the time unit of the coarse-grained model into the time unit of the polymer chain in a short time.

S21 第1計算工程
S22 第2計算工程
S23 粗視化モデルの時間単位を、高分子鎖の時間単位に換算する工程
S21 1st calculation process S22 2nd calculation process S23 The process of converting the time unit of a coarse-grained model into the time unit of a polymer chain

本発明に係る前記高分子材料のシミュレーション方法において、前記粗視化モデルは、前記高分子鎖のモノマーに対応する複数のビーズを含み、前記コンピュータが、前記全原子モデルのRouseのビーズ数を計算する第3計算工程、前記コンピュータが、前記粗視化モデルのRouseのビーズ数を計算する第4計算工程、及び前記コンピュータが、前記全原子モデルのRouseのビーズ数と、前記粗視化モデルのRouseのビーズ数とに基づいて、前記粗視化モデルのビーズ数と、前記高分子鎖のモノマー数との比を計算する工程をさらに含み、前記第3計算工程は、前記コンピュータに、モノマー数が異なる複数の全原子モデルを設定する工程と、前記コンピュータが、前記モノマー数が異なる全原子モデル毎に、前記Rouseのビーズ数を計算する工程とを含み、前記第4計算工程は、前記コンピュータに、ビーズ数が異なる複数の粗視化モデルを設定する工程と、前記コンピュータが、前記ビーズ数が異なる粗視化モデル毎に、前記Rouseのビーズ数を計算する工程とを含でもよい。

In the polymer material simulation method according to the present invention, the coarse-grained model includes a plurality of beads corresponding to monomers of the polymer chain, and the computer calculates the number of Rouse beads of the all-atom model. A third calculation step, wherein the computer calculates the number of Rouse beads of the coarse-grained model, and the computer calculates the number of Rouse beads of the all-atom model and the coarse-grained model The method further includes a step of calculating a ratio between the number of beads of the coarse-grained model and the number of monomers of the polymer chain based on the number of beads of Rouse, and the third calculation step includes: A plurality of all-atom models having different numbers, and the computer calculating the number of beads of the Rouse for every all-atom models having different numbers of monomers. The fourth calculation step includes a step of setting a plurality of coarse-grained models having different numbers of beads in the computer, and the computer calculates the number of Rouse beads for each of the coarse-grained models having different numbers of beads. And a calculating step.

Claims (7)

コンピュータを用いて、高分子鎖を有する高分子材料を解析するための方法であって、
前記コンピュータが、前記高分子鎖の粗視化モデルを用いて運動計算を行い、前記粗視化モデルの拡散の大きさを示す平均二乗変位を計算する第1計算工程、
前記コンピュータが、前記高分子鎖の全原子モデルを用いて運動計算を行い、前記全原子モデルの拡散の大きさを示す平均二乗変位を計算する第2計算工程、及び
前記コンピュータが、前記粗視化モデルの平均二乗変位と、前記全原子モデルの平均二乗変位とに基づいて、前記粗視化モデルの時間単位を、前記高分子鎖の時間単位に換算する工程を含むことを特徴とする高分子材料のシミュレーション方法。
A method for analyzing a polymer material having a polymer chain using a computer,
A first calculation step in which the computer performs a motion calculation using the coarse-grained model of the polymer chain and calculates a mean square displacement indicating a magnitude of diffusion of the coarse-grained model;
A second calculation step in which the computer performs a motion calculation using the all-atom model of the polymer chain, and calculates a mean square displacement indicating a magnitude of diffusion of the all-atom model; and A step of converting a time unit of the coarse-grained model into a time unit of the polymer chain based on a mean square displacement of the generalized model and a mean square displacement of the all-atom model. Molecular material simulation method.
前記第1計算工程は、前記粗視化モデルの初期配置を決定する工程と、初期配置された前記粗視化モデルの緩和状態を計算する工程とを含み、
前記第2計算工程は、前記全原子モデルの構造緩和を計算することなく、前記第1計算工程で得られた緩和状態の前記粗視化モデルの配置に基づいて、緩和状態の前記全原子モデルを作成する工程を含む請求項1記載の高分子材料のシミュレーション方法。
The first calculation step includes a step of determining an initial arrangement of the coarse-grained model, and a step of calculating a relaxation state of the coarse-grained model initially arranged.
The second calculation step calculates the all-atomic model in the relaxed state based on the arrangement of the coarse-grained model in the relaxed state obtained in the first calculation step without calculating the structural relaxation of the all-atomic model. The method for simulating a polymer material according to claim 1, comprising a step of creating
前記粗視化モデルは、前記高分子鎖のモノマーに対応する複数のビーズを含み、
前記緩和状態の全原子モデルを作成する工程は、前記コンピュータが、緩和状態の前記粗視化モデルの前記各ビーズに、前記モノマーを表すモノマーモデルを割り当てる請求項2記載の高分子材料のシミュレーション方法。
The coarse-grained model includes a plurality of beads corresponding to monomers of the polymer chain,
3. The method for simulating a polymer material according to claim 2, wherein the step of creating the all-atomic model in the relaxed state is such that the computer assigns a monomer model representing the monomer to each bead of the coarse-grained model in the relaxed state. .
前記コンピュータが、前記全原子モデルのRouseのビーズ数を計算する第3計算工程、
前記コンピュータが、前記粗視化モデルのRouseのビーズ数を計算する第4計算工程、
及び
前記コンピュータが、前記全原子モデルのRouseのビーズ数と、前記粗視化モデルのRouseのビーズ数とに基づいて、前記粗視化モデルのビーズ数と、前記高分子鎖のモノマー数との比を計算する工程をさらに含む請求項1乃至3のいずれかに記載の高分子材料のシミュレーション方法。
A third calculation step in which the computer calculates the number of Rouse beads of the all-atom model;
A fourth calculating step in which the computer calculates the number of Rouse beads of the coarse-grained model;
And the computer uses the number of Rouse beads of the all-atom model and the number of Rouse beads of the coarse-grained model to calculate the number of beads of the coarse-grained model and the number of monomers of the polymer chain. The method for simulating a polymer material according to claim 1, further comprising a step of calculating a ratio.
前記第3計算工程は、前記コンピュータに、モノマー数が異なる複数の全原子モデルを設定する工程と、
前記コンピュータが、前記モノマー数が異なる全原子モデル毎に、前記Rouseのビーズ数を計算する工程とを含む請求項4記載の高分子材料のシミュレーション方法。
The third calculation step includes a step of setting a plurality of all-atom models having different numbers of monomers in the computer,
5. The method for simulating a polymer material according to claim 4, further comprising a step of calculating the number of beads of the Rouse for every atomic model having a different number of monomers.
前記第4計算工程は、前記コンピュータに、ビーズ数が異なる複数の粗視化モデルを設定する工程と、
前記コンピュータが、前記ビーズ数が異なる粗視化モデル毎に、前記Rouseのビーズ数を計算する工程とを含む請求項4又は5記載の高分子材料のシミュレーション方法。
The fourth calculation step includes a step of setting a plurality of coarse-grained models having different numbers of beads in the computer;
6. The polymer material simulation method according to claim 4, further comprising a step of calculating the number of beads of the Rouse for each coarse-grained model in which the number of beads is different.
前記Rouseのビーズ数NRouseは、下記式(1)で計算される請求項4乃至6のいずれかに記載の高分子材料のシミュレーション方法。

ここで、
L:粗視化モデル又は全原子モデルの全長
g:粗視化モデル又は全原子モデルの慣性半径
7. The method for simulating a polymer material according to claim 4, wherein the number of Rouse beads N Rouse is calculated by the following formula (1).

here,
L: total length of the coarse-grained model or all-atom model R g : radius of inertia of the coarse-grained model or all-atom model
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