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技術 撥液性被膜の探索方法、被膜の撥液性を予測するためのシミュレーション方法及びシミュレーションプログラム

出願人 トヨタ自動車株式会社
発明者 寺西浩
出願日 2009年2月5日 (11年11ヶ月経過) 出願番号 2009-025148
公開日 2010年8月19日 (10年4ヶ月経過) 公開番号 2010-182106
状態 拒絶査定
技術分野 計算コンビナトリアル技術(1) 特定用途計算機
主要キーワード クラスタモデル 界面モデル 評価計画 試験工数 解析用モデル ニュートンの運動方程式 吸着エネルギー 実証実験
関連する未来課題
重要な関連分野

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図面 (4)

課題

解決手段

固体基質気体分子を有する固気モデル、及び/又は、固体基質と液体分子を有する固液界面モデルの初期状態を作成するステップと、分子動力学法及び/又は分子軌道法を用いて、固気モデル及び/又は固液界面モデルの初期状態における、固体基質への、気体分子又は液体分子の吸着エネルギーを計算するステップと、初期状態の計算結果解析するステップと、計算結果の解析を基に、固気モデル及び/又は固液界面モデルの撥液性の良否を判定するステップと、判定に基づいて、固気モデル及び/又は固液界面モデルを最適な撥液性被膜を有するモデルとして選択するステップと、を有することを特徴とする、撥液性被膜の探索方法。

概要

背景

エンジンの内部には、燃料エンジンオイル、又はそれらの不完全燃焼生成物が徐々に堆積する。この堆積物のことをエンジンデポジットと呼び、過度デポジット自動車排気運転性に悪影響を及ぼす。このようなエンジンデポジットを抑制するためには、その生成メカニズムを明らかにする必要がある。しかし、エンジンデポジットの性質組成物混合割合等を把握するためには、エンジンデザイン運転条件及び堆積部位等の複雑な要因複合的に解析しなければならないため、エンジン全域のデポジットの生成メカニズムを詳細に解析する手法は未だ確立されていない。

エンジンデポジットを除去、抑制するための技術はこれまでにも開発されている。特許文献1には、燃焼変動を回避して、ピストン頂面等の燃焼室内部に生成されたデポジットを適切に洗浄することを目的とした、少なくとも筒内噴射用インジェクタを備えた、アルコール等の代替燃料を同時に使用可能なシステムを搭載した自動車などの車両における、内燃機関燃料噴射制御装置の技術が開示されている。

特許文献2には、燃焼室内に直接燃料噴射する直噴ガソリンエンジンスプレーガイド燃焼モードで運転するように構成した際に、運転時間の増大に伴い、噴霧成層混合気の形状が変化し、燃焼安定度が低下した場合に、燃焼安定度の回復を図り、安定した燃焼を継続させることを課題とした、直噴形エンジン制御装置の技術が開示されている。

特許文献3には、エンジンデポジットの予防および抑制のため、主に燃料組成物中に使用することを目的とする、ポリアルキルフェノキシアルカノールアミノカルバメートに関する技術が開示されている。

概要

撥液性被膜探索方法被膜撥液性予測するためのシミュレーション方法、及びコンピュータ上でシミュレーションを行うシミュレーションプログラムを提供する。固体基質気体分子を有する固気モデル、及び/又は、固体基質と液体分子を有する固液界面モデルの初期状態を作成するステップと、分子動力学法及び/又は分子軌道法を用いて、固気モデル及び/又は固液界面モデルの初期状態における、固体基質への、気体分子又は液体分子の吸着エネルギーを計算するステップと、初期状態の計算結果を解析するステップと、計算結果の解析を基に、固気モデル及び/又は固液界面モデルの撥液性の良否を判定するステップと、判定に基づいて、固気モデル及び/又は固液界面モデルを最適な撥液性被膜を有するモデルとして選択するステップと、を有することを特徴とする、撥液性被膜の探索方法。

目的

特許文献1には、燃焼変動を回避して、ピストン頂面等の燃焼室内部に生成されたデポジットを適切に洗浄することを目的とした

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

この技術が所属する分野

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請求項1

分子動力学法及び/又は分子軌道法に基づいた、撥液性被膜探索方法であって、固体基質気体分子を有する固気モデル、及び/又は、固体基質と液体分子を有する固液界面モデルの初期状態を作成するステップと、前記分子動力学法及び/又は前記分子軌道法を用いて、前記固気モデル及び/又は前記固液界面モデルの初期状態における、前記固体基質への、前記気体分子及び前記液体分子の少なくともいずれか一方の吸着エネルギーを計算するステップと、前記初期状態の、前記分子動力学法及び/又は前記分子軌道法の計算結果解析するステップと、前記計算結果の解析を基に、前記固気モデル及び/又は前記固液界面モデルの撥液性良否を判定するステップと、前記判定に基づいて、前記固気モデル及び/又は前記固液界面モデルを最適な撥液性被膜を有するモデルとして選択するステップと、を有することを特徴とする、撥液性被膜の探索方法。

請求項2

前記撥液性判定の結果に基づいて、前記固気モデル、及び/又は、前記固液界面モデルの改善仕様を作成するステップと、前記分子動力学法及び/又は前記分子軌道法を用いて、前記固気モデル及び/又は前記固液界面モデルの改善仕様における、前記固体基質への、前記気体分子及び前記液体分子の少なくともいずれか一方の吸着エネルギーを計算するステップと、前記改善仕様の、前記分子動力学法及び/又は前記分子軌道法の計算結果を解析するステップと、前記改善仕様の前記計算結果の解析を基に、前記改善仕様の撥液性の良否を判定するステップと、必要に応じて繰り返される、前記改善仕様作成ステップ、前記分子動力学法及び/又は前記分子軌道法を用いた計算ステップ、前記計算結果解析ステップ並びに前記撥液性判定ステップからなるステップ群と、を有する、請求項1に記載の撥液性被膜の探索方法。

請求項3

分子動力学法及び/又は分子軌道法に基づいて、被膜の撥液性を予測するためのシミュレーション方法であって、固体基質と気体分子を有する固気モデル、及び/又は、固体基質と液体分子を有する固液界面モデルの初期状態を作成するステップと、前記分子動力学法及び/又は前記分子軌道法を用いて、前記固気モデル及び/又は前記固液界面モデルの初期状態における、前記固体基質への、前記気体分子及び前記液体分子の少なくともいずれか一方の吸着エネルギーを計算するステップと、前記初期状態の、前記分子動力学法及び/又は前記分子軌道法の計算結果を解析するステップと、前記計算結果の解析を基に、前記固気モデル及び/又は前記固液界面モデルの撥液性の良否を判定するステップと、を有することを特徴とする、被膜の撥液性を予測するためのシミュレーション方法。

請求項4

前記撥液性判定の結果に基づいて、前記固気モデル、及び/又は、前記固液界面モデルの改善仕様を作成するステップと、前記分子動力学法及び/又は前記分子軌道法を用いて、前記固気モデル及び/又は前記固液界面モデルの改善仕様における、前記固体基質への、前記気体分子及び前記液体分子の少なくともいずれか一方の吸着エネルギーを計算するステップと、前記改善仕様の、前記分子動力学法及び/又は前記分子軌道法の計算結果を解析するステップと、前記改善仕様の前記計算結果の解析を基に、前記改善仕様の撥液性の良否を判定するステップと、必要に応じて繰り返される、前記改善仕様作成ステップ、前記分子動力学法及び/又は前記分子軌道法を用いた計算ステップ、前記計算結果解析ステップ並びに前記撥液性判定ステップからなるステップ群と、を有する、請求項3に記載の被膜の撥液性を予測するためのシミュレーション方法。

請求項5

分子動力学法及び/又は分子軌道法に基づいて、被膜の撥液性を予測するためのシミュレーションプログラムであって、コンピュータ上で実行されることにより、固体基質と気体分子を有する固気モデル、及び/又は、固体基質と液体分子を有する固液界面モデルの初期状態を作成するステップと、前記分子動力学法及び/又は前記分子軌道法を用いて、前記固気モデル及び/又は前記固液界面モデルの初期状態における、前記固体基質への、前記気体分子及び前記液体分子の少なくともいずれか一方の吸着エネルギーを計算するステップと、前記初期状態の、前記分子動力学法及び/又は前記分子軌道法の計算結果を解析するステップと、前記計算結果の解析を基に、前記固気モデル及び/又は前記固液界面モデルの撥液性の良否を判定するステップと、を実行することを特徴とする、被膜の撥液性を予測するためのシミュレーションプログラム。

請求項6

コンピュータ上において、さらに、前記撥液性判定の結果に基づいて、前記固気モデル、及び/又は、前記固液界面モデルの改善仕様を作成するステップと、前記分子動力学法及び/又は前記分子軌道法を用いて、前記固気モデル及び/又は前記固液界面モデルの改善仕様における、前記固体基質への、前記気体分子及び前記液体分子の少なくともいずれか一方の吸着エネルギーを計算するステップと、前記改善仕様の、前記分子動力学法及び/又は前記分子軌道法の計算結果を解析するステップと、前記改善仕様の前記計算結果の解析を基に、前記改善仕様の撥液性の良否を判定するステップと、必要に応じて繰り返される、前記改善仕様作成ステップ、前記分子動力学法及び/又は前記分子軌道法を用いた計算ステップ、前記計算結果解析ステップ並びに前記撥液性判定ステップからなるステップ群と、を実行する、請求項5に記載の被膜の撥液性を予測するためのシミュレーションプログラム。

技術分野

背景技術

0002

エンジンの内部には、燃料エンジンオイル、又はそれらの不完全燃焼生成物が徐々に堆積する。この堆積物のことをエンジンデポジットと呼び、過度デポジット自動車排気運転性に悪影響を及ぼす。このようなエンジンデポジットを抑制するためには、その生成メカニズムを明らかにする必要がある。しかし、エンジンデポジットの性質組成物混合割合等を把握するためには、エンジンデザイン運転条件及び堆積部位等の複雑な要因複合的に解析しなければならないため、エンジン全域のデポジットの生成メカニズムを詳細に解析する手法は未だ確立されていない。

0003

エンジンデポジットを除去、抑制するための技術はこれまでにも開発されている。特許文献1には、燃焼変動を回避して、ピストン頂面等の燃焼室内部に生成されたデポジットを適切に洗浄することを目的とした、少なくとも筒内噴射用インジェクタを備えた、アルコール等の代替燃料を同時に使用可能なシステムを搭載した自動車などの車両における、内燃機関燃料噴射制御装置の技術が開示されている。

0004

特許文献2には、燃焼室内に直接燃料噴射する直噴ガソリンエンジンスプレーガイド燃焼モードで運転するように構成した際に、運転時間の増大に伴い、噴霧成層混合気の形状が変化し、燃焼安定度が低下した場合に、燃焼安定度の回復を図り、安定した燃焼を継続させることを課題とした、直噴形エンジン制御装置の技術が開示されている。

0005

特許文献3には、エンジンデポジットの予防および抑制のため、主に燃料組成物中に使用することを目的とする、ポリアルキルフェノキシアルカノールアミノカルバメートに関する技術が開示されている。

先行技術

0006

特開2008−274801号公報
特開2008−267252号公報
特開平10−139811号公報

発明が解決しようとする課題

0007

特許文献1に開示された技術は、あくまでもアルコール含有燃料を用いた結果発生するエンジンデポジットの洗浄のみをその課題としているため、その他の燃料や、エンジンオイル等を用いた際に発生するエンジンデポジットを洗浄する手段として、そのまま応用できるとは考え難い。また当該技術は、エンジンデポジットを洗浄することを目的としているため、エンジンデポジットの予防・抑制などには適していない。

0008

また、特許文献2に開示された技術は、あくまでも燃焼室内に直接燃料を噴射する直噴ガソリンエンジンにおいて発生するエンジンデポジットの抑制のみをその課題としているため、その他のエンジンを用いた際にそのまま応用できる技術ではない。また当該文献には、ガソリンエンジンのエンジンデザインに基づいた物理的考察についての言及はあるものの、エンジンデポジットに含有されている化学成分やその含有比、及び当該化学成分が各々どのような悪影響をエンジンにもたらすかについての化学的考察については全く述べられていない。

0009

また、特許文献3は、実施例において、単気筒エンジンを用い、非加鉛のレギュラーオクタン価ガソリン基材燃料として、当該文献中に開示されたポリアルキルフェノキシアルカノールのアミノカルバメートを、当該基材燃料に添加する前後のエンジンデポジットの量の比較実験結果について開示している。しかし、当該文献には、単気筒エンジン以外のエンジンを用いた場合や、非加鉛のレギュラーオクタン価のガソリン以外の基材燃料(例えば、ディーゼル燃料等)を用いた場合において、エンジンデポジット量が低減するとの実験結果は何ら開示されておらず、当該実施例において採用されなかったエンジンや基材燃料を用いる場合には、最適な燃料添加剤を得るために、当該文献に開示された技術的範囲を超えて、更なる試行錯誤が必要であると考えられる。

0010

このように、エンジンデポジットによって引き起こされる諸問題を課題とする従来技術は、比較的狭い技術的範囲において適用されるに過ぎないものであった。当該従来技術はいずれも、あらゆる生成要因におけるエンジンデポジットの生成メカニズムについて統一的に考察がなされているものではないため、当該技術的範囲を超えて当該従来技術を適用しようとすると、材料の最適化等において試行錯誤が必要であると予想される。
本発明は、上記実状を鑑みて成し遂げられたものであり、分子動力学法及び/又は分子軌道法に基づいた、撥液性被膜の探索方法、被膜の撥液性を予測するためのシミュレーション方法、及びコンピュータ上でシミュレーションを行うシミュレーションプログラムを提供することを目的とする。

課題を解決するための手段

0011

本発明の撥液性被膜の探索方法は、分子動力学法及び/又は分子軌道法に基づいた、撥液性被膜の探索方法であって、固体基質気体分子を有する固気モデル、及び/又は、固体基質と液体分子を有する固液界面モデルの初期状態を作成するステップと、前記分子動力学法及び/又は前記分子軌道法を用いて、前記固気モデル及び/又は前記固液界面モデルの初期状態における、前記固体基質への、前記気体分子及び前記液体分子の少なくともいずれか一方の吸着エネルギーを計算するステップと、前記初期状態の、前記分子動力学法及び/又は前記分子軌道法の計算結果を解析するステップと、前記計算結果の解析を基に、前記固気モデル及び/又は前記固液界面モデルの撥液性の良否を判定するステップと、前記判定に基づいて、前記固気モデル及び/又は前記固液界面モデルを最適な撥液性被膜を有するモデルとして選択するステップと、を有することを特徴とする。

0012

このような構成の撥液性被膜の探索方法は、前記分子動力学法及び/又は前記分子軌道法を用いることによって、多角的に前記固気モデル及び/又は前記固液界面モデルについて計算・解析し、当該モデルの良否を判定し、さらに、当該判定結果を基に最適な撥液性被膜を選択することができる。

0013

本発明の撥液性被膜の探索方法は、前記撥液性判定の結果に基づいて、前記固気モデル、及び/又は、前記固液界面モデルの改善仕様を作成するステップと、前記分子動力学法及び/又は前記分子軌道法を用いて、前記固気モデル及び/又は前記固液界面モデルの改善仕様における、前記固体基質への、前記気体分子及び前記液体分子の少なくともいずれか一方の吸着エネルギーを計算するステップと、前記改善仕様の、前記分子動力学法及び/又は前記分子軌道法の計算結果を解析するステップと、前記改善仕様の前記計算結果の解析を基に、前記改善仕様の撥液性の良否を判定するステップと、必要に応じて繰り返される、前記改善仕様作成ステップ、前記分子動力学法及び/又は前記分子軌道法を用いた計算ステップ、前記計算結果解析ステップ並びに前記撥液性判定ステップからなるステップ群と、を有することが好ましい。

0014

このような構成の撥液性被膜の探索方法は、前記撥液性判定の結果を反映させて、新たに改善仕様を作成し、さらに当該改善仕様についても前記分子動力学法及び前記分子軌道法を用いて計算・解析を行うことによって、モデルの最適化を図り、その結果最適な撥液性被膜を選択することができる。また、本発明の撥液性被膜の探索方法は、必要に応じて繰り返される前記ステップ群を有することによって、前記改善仕様の更なる改善を図ることができる。

0015

本発明の被膜の撥液性を予測するためのシミュレーション方法は、分子動力学法及び/又は分子軌道法に基づいて、被膜の撥液性を予測するためのシミュレーション方法であって、固体基質と気体分子を有する固気モデル、及び/又は、固体基質と液体分子を有する固液界面モデルの初期状態を作成するステップと、前記分子動力学法及び/又は前記分子軌道法を用いて、前記固気モデル及び/又は前記固液界面モデルの初期状態における、前記固体基質への、前記気体分子及び前記液体分子の少なくともいずれか一方の吸着エネルギーを計算するステップと、前記初期状態の、前記分子動力学法及び/又は前記分子軌道法の計算結果を解析するステップと、前記計算結果の解析を基に、前記固気モデル及び/又は前記固液界面モデルの撥液性の良否を判定するステップと、を有することを特徴とする。

0016

このような構成の被膜の撥液性を予測するためのシミュレーション方法は、上述した本発明に係る撥液性被膜の探索方法を具体的に実施することができる。

0017

本発明の被膜の撥液性を予測するためのシミュレーション方法は、前記撥液性判定の結果に基づいて、前記固気モデル、及び/又は、前記固液界面モデルの改善仕様を作成するステップと、前記分子動力学法及び/又は前記分子軌道法を用いて、前記固気モデル及び/又は前記固液界面モデルの改善仕様における、前記固体基質への、前記気体分子及び前記液体分子の少なくともいずれか一方の吸着エネルギーを計算するステップと、前記改善仕様の、前記分子動力学法及び/又は前記分子軌道法の計算結果を解析するステップと、前記改善仕様の前記計算結果の解析を基に、前記改善仕様の撥液性の良否を判定するステップと、必要に応じて繰り返される、前記改善仕様作成ステップ、前記分子動力学法及び/又は前記分子軌道法を用いた計算ステップ、前記計算結果解析ステップ並びに前記撥液性判定ステップからなるステップ群と、を有することが好ましい。

0018

このような構成の被膜の撥液性を予測するためのシミュレーション方法は、上述した本発明に係る撥液性被膜の探索方法の好ましい形態を具体的に実施することができる。

0019

本発明の被膜の撥液性を予測するためのシミュレーションプログラムは、分子動力学法及び/又は分子軌道法に基づいて、被膜の撥液性を予測するためのシミュレーションプログラムであって、コンピュータ上で実行されることにより、固体基質と気体分子を有する固気モデル、及び/又は、固体基質と液体分子を有する固液界面モデルの初期状態を作成するステップと、前記分子動力学法及び/又は前記分子軌道法を用いて、前記固気モデル及び/又は前記固液界面モデルの初期状態における、前記固体基質への、前記気体分子及び前記液体分子の少なくともいずれか一方の吸着エネルギーを計算するステップと、前記初期状態の、前記分子動力学法及び/又は前記分子軌道法の計算結果を解析するステップと、前記計算結果の解析を基に、前記固気モデル及び/又は前記固液界面モデルの撥液性の良否を判定するステップと、を実行することを特徴とする。

0020

このような構成の被膜の撥液性を予測するためのシミュレーションプログラムは、上述した本発明に係るシミュレーション方法を具体的に実施することができる。

0021

本発明の被膜の撥液性を予測するためのシミュレーションプログラムは、コンピュータ上において、さらに、前記撥液性判定の結果に基づいて、前記固気モデル、及び/又は、前記固液界面モデルの改善仕様を作成するステップと、前記分子動力学法及び/又は前記分子軌道法を用いて、前記固気モデル及び/又は前記固液界面モデルの改善仕様における、前記固体基質への、前記気体分子及び前記液体分子の少なくともいずれか一方の吸着エネルギーを計算するステップと、前記改善仕様の、前記分子動力学法及び/又は前記分子軌道法の計算結果を解析するステップと、前記改善仕様の前記計算結果の解析を基に、前記改善仕様の撥液性の良否を判定するステップと、必要に応じて繰り返される、前記改善仕様作成ステップ、前記分子動力学法及び/又は前記分子軌道法を用いた計算ステップ、前記計算結果解析ステップ並びに前記撥液性判定ステップからなるステップ群と、を実行することが好ましい。

0022

このような構成の被膜の撥液性を予測するためのシミュレーションプログラムは、上述した本発明に係るシミュレーション方法の好ましい形態を具体的に実施することができる。

発明の効果

0023

本発明によれば、前記分子動力学法及び前記分子軌道法の両方を用いることによって、多角的に前記固気モデル及び/又は前記固液界面モデルについて計算・解析し、当該モデルの良否を判定し、さらに、当該判定結果を基に最適な撥液性被膜を選択することができる。

図面の簡単な説明

0024

本発明の探索方法に用いる固気モデル又は固液界面モデルの典型例の概略断面図である。
本発明の撥液性被膜の探索方法の典型例を示すフローチャートである。
実施例、比較例1及び比較例2の解析用モデルを用いた吸着エネルギーの計算結果をまとめたものである。

0025

本発明の撥液性被膜の探索方法は、分子動力学法及び/又は分子軌道法に基づいた、撥液性被膜の探索方法であって、固体基質と気体分子を有する固気モデル、及び/又は、固体基質と液体分子を有する固液界面モデルの初期状態を作成するステップと、前記分子動力学法及び/又は前記分子軌道法を用いて、前記固気モデル及び/又は前記固液界面モデルの初期状態における、前記固体基質への、前記気体分子及び前記液体分子の少なくともいずれか一方の吸着エネルギーを計算するステップと、前記初期状態の、前記分子動力学法及び/又は前記分子軌道法の計算結果を解析するステップと、前記計算結果の解析を基に、前記固気モデル及び/又は前記固液界面モデルの撥液性の良否を判定するステップと、前記判定に基づいて、前記固気モデル及び/又は前記固液界面モデルを最適な撥液性被膜を有するモデルとして選択するステップと、を有することを特徴とする。

0026

上記探索方法を具体的に実施するための、本発明の被膜の撥液性を予測するためのシミュレーション方法は、分子動力学法及び/又は分子軌道法に基づいて、被膜の撥液性を予測するためのシミュレーション方法であって、固体基質と気体分子を有する固気モデル、及び/又は、固体基質と液体分子を有する固液界面モデルの初期状態を作成するステップと、前記分子動力学法及び/又は前記分子軌道法を用いて、前記固気モデル及び/又は前記固液界面モデルの初期状態における、前記固体基質への、前記気体分子及び前記液体分子の少なくともいずれか一方の吸着エネルギーを計算するステップと、前記初期状態の、前記分子動力学法及び/又は前記分子軌道法の計算結果を解析するステップと、前記計算結果の解析を基に、前記固気モデル及び/又は前記固液界面モデルの撥液性の良否を判定するステップと、を有することを特徴とする。

0027

上記シミュレーション方法を具体的に実施するための、本発明の被膜の撥液性を予測するためのシミュレーションプログラムは、分子動力学法及び/又は分子軌道法に基づいて、被膜の撥液性を予測するためのシミュレーションプログラムであって、コンピュータ上で実行されることにより、固体基質と気体分子を有する固気モデル、及び/又は、固体基質と液体分子を有する固液界面モデルの初期状態を作成するステップと、前記分子動力学法及び/又は前記分子軌道法を用いて、前記固気モデル及び/又は前記固液界面モデルの初期状態における、前記固体基質への、前記気体分子及び前記液体分子の少なくともいずれか一方の吸着エネルギーを計算するステップと、前記初期状態の、前記分子動力学法及び/又は前記分子軌道法の計算結果を解析するステップと、前記計算結果の解析を基に、前記固気モデル及び/又は前記固液界面モデルの撥液性の良否を判定するステップと、を実行することを特徴とする。

0028

本発明においては、「撥液性」とは、液体をはじく性質のことをいい、その具体例としては、撥水性及び撥油性が挙げられる。

0029

実験済みの材料以外の材料を利用したいが、当該技術分野においては、実験上のノウハウが存在しないという場合には、最適な材料を確実に選択することが不可能であった。例えば、基板上に被膜を作製し、当該被膜の撥水性・撥油性等を調べる場合には、当該被膜に最適な材料を選び出すことは難しかった。特に、新規材料で被膜を作製しようとする場合は、実験計画法等に基づいた評価計画立案データ出力及び評価が必要となり、莫大試験工数をかけなければならなかった。
また、従来技術においては、上記実験をたとえ経たとしても、新規材料の撥水性・撥油性に対して○又は×というような大ざっぱな定性評価レベルでの選択には役立つが、定量的な評価レベルでの選択に役立つほどの情報のフィードバックができなかった。このことにより、実証実験によって、最適な選択であったと評価を下すことができるような新規材料を得るまでに、試行錯誤しながら実験を実施しなければならず、上記同様の莫大な試験工数をかけなければならなかった。
本発明は、このような試行錯誤により生じる無駄を省き、多角的に固気モデル及び/又は固液界面モデル等の実験モデルを解析し、当該モデルの良否を判定し、さらに、当該判定結果を基に最適な撥液性被膜を選択することができる、分子動力学法及び/又は分子軌道法に基づいた、撥液性被膜の探索方法、被膜の撥液性を予測するためのシミュレーション方法、及びコンピュータ上でシミュレーションを行うシミュレーションプログラムに関する。

0030

本発明の前提としては、分子動力学法及び/又は分子軌道法により計算・解析することが可能な実験モデル(後述するような固気モデル、固液界面モデル等)を作成することができるソフトウェアを準備することが必要である。
このようなソフトウェアとしては、具体的には、分子動力学法においては、Materials Explorer(商品名。富士通株式会社製)、Materials Studio Discover、Materials Studio Forcite(いずれも商品名。アクセルリス株式会社製)等が挙げられる。
このようなソフトウェアは、作成したモデルを分子動力学法及び/又は分子軌道法による計算、及び当該計算結果の解析においても用いることができる。すなわち、当該ソフトウェアは、モデルの作成・計算・解析のためのプラットフォームとすることができる。

0031

以下、本発明の探索方法に用いる固気モデル又は固液界面モデルの典型例について詳細に述べる。図1は、本発明の探索方法に用いる固気モデル又は固液界面モデルの典型例の概略断面図である。
本発明においては、特に、エンジン内部に付着したエンジンデポジットを低減させるための最適なエンジン内機構開発をその主要な課題としているため、固液界面モデル及び固気界面モデルの作成においては、エンジンの内壁面微細構造や、エンジン作動時の構造変化等を考慮する必要がある。
固気モデル又は固液界面モデル100は、固体基質1、被膜2、液体分子又は気体分子3からなる。被膜2は、固体基質1の一部又は全部に接触している複数の有機分子2aから構成されている。
解析用モデルの作成方法としては、具体的には、市販品(ソフトウェアメーカー等により販売されているもの等)の原子分子モデル作成ソフトによりモデル作成する方法が例示できる。このような市販品のソフトにおいては、検討する材料の原子の種類・位置・原子間の結合情報等を、該ソフトが指定するフォーマットに従って入力することで、望みの解析用モデルが作成可能である。
このような固気モデル又は固液界面モデルに用いられる固体基質の例としては、マルテンサイト系ステンレス、Cr2O3等の無機固体基質等が挙げられる。
また、このような固気モデル又は固液界面モデルに用いられる表面被膜の例としては、フルオロアルキルシラン膜等の有機化合物被膜等が挙げられる。
また、このような固液界面モデルに用いられる液体の例としては、エンジンデポジット中に含まれる物質、具体的には、トリメチルベンゼン等の有機化合物等が挙げられる。

0032

分子動力学法とは、多粒子系、すなわち原子や分子の集団の構造や動的挙動を調べるために、粒子間の相互作用既知であるとして、計算機によって古典的なニュートンの運動方程式数値的に解く方法のことである(化学事典(第一版、丸善)より)。分子動力学法においては、一般に巨視的な原子、分子集団のモデルとして数百から数万個の粒子系を選び、互いに相互作用する粒子の運動を1〜数十fs間隔で追跡して各粒子の運動方程式を解き、位置と運動量を決定する。運動方程式を解くためのアルゴリズムとしては、Verlet法、Leap−flop法、SHAKE法、RATTLE法、ROLL法、RESPA法、Tree法、カットオフ法、Ewald法、PME(Pertcle Mesh Ewald)法、FMM法等がある。

0033

分子軌道法とは、分子内の電子配置エネルギー準位を研究する理論的方法のことである(化学事典(第一版、丸善)より)。分子軌道法は、その具体的手法としては、分子全体に広がった軌道分子軌道)に電子を詰めていき、その軌道に対する波動方程式を解くことによって、分子内の電子配置やエネルギー準位を決定する。

0034

本発明においては、固気モデル及び固液界面モデルを分子動力学法及び/又は分子軌道法により解析して、固体基質の表面に接近しようとする気体又は液体の吸着エネルギーを計算する。
吸着エネルギーは、以下の式により求めることが可能である。

0035

(ただし、Eadsorptionは吸着エネルギー、EAllModelは基板、被膜及び吸着分子からなる解析用モデルの全エネルギー、ECoat+BaseMaterialは基板及び被膜のエネルギー、EMoleculeは吸着分子のエネルギーである。)

0036

上述した分子動力学法を用いた計算、及び、分子軌道法を用いた計算は、どちらを先に行ってもよく、また、同じ計算を複数回繰り返し行ってもよい。ただし、分子動力学法を用いた計算、又は、分子軌道法を用いた計算のいずれか一方は、少なくとも1回は行うこととする。

0037

ここで、「改善仕様」とは、分子軌道法や分子動力学法などの計算において新たに得られた情報に基づいて改善が期待される仕様のことである。改善仕様は、具体的には、モデルの初期状態からの材料変更や、パラメータ変更等を適宜行うことによって作成する。

0038

以下、本発明の撥液性被膜の探索方法の典型例について詳細に述べる。図2は、本発明の探索方法の典型例を示すフローチャートである。なお、以下は、被膜解析用の固液界面モデルの選択について説明するが、固気モデルの選択も、下記の説明同様に行うことができる。
まず、被膜解析用の固液界面モデルの現状仕様を作成する。ここでいう「現状仕様」とは、既知の情報に基づいて、技術者(撥液性被膜の設計者等)が性能向上を期待できる仕様のことである。なお、現状仕様としては、固液界面モデルの初期状態を用いてもよい。
固液界面モデルとしては、図1に示したような、固体基質、当該固体基質を被覆する表面被膜、及び液体からなる典型例を例示することができる。

0039

次に、現状仕様の吸着エネルギーを、分子動力学法及び分子軌道法を用いて計算する。なお、このときの計算の手順としては、まず、分子動力学法及び分子軌道法を用いて、基板、被膜及び吸着分子からなる解析用モデルの全エネルギーであるEAllModel、基板及び被膜のエネルギーであるECoat+BaseMaterial、吸着分子のエネルギーであるEMoleculeをそれぞれ計算し、その後にこれらの計算結果に基づいて、式(1)に示したような吸着エネルギーEadsorptionについて計算するという方法を例示することができる。
このとき、吸着エネルギーEadsorptionが0未満である場合(図2において「Yes」の場合;すなわち、固体基質への液体分子の反発が起こる場合)には、当該モデルが良い撥液性を示すことを判定したのち、当該モデルを最適な撥液性被膜を有するモデルとして選択し、必要であれば、当該モデルを固液界面モデルとして用いた固体基質、表面被膜及び液体を用いた実験の準備を始めることができる。

0040

なお、当該吸着エネルギーが0以上である場合(図2において「No」の場合;すなわち、固体基質への液体分子の吸着が起こる場合)には、解析結果を反映させた上で、新たに被膜解析用の固液界面モデルの改善仕様を作成する。
新たに作成された改善仕様の吸着エネルギーEadsorptionを、再び分子動力学法及び分子軌道法を用いて計算する。このとき、当該吸着エネルギーが0未満である場合(図2において「Yes」の場合)には、当該モデルが良い撥液性を示すことを判定したのち、当該モデルを最適な撥液性被膜を有するモデルとして選択し、必要であれば、当該モデルを固液界面モデルとして用いた固体基質、表面被膜及び液体を用いた実験の準備を始めることができる。なお、この判定の際に、既に計算した現状仕様の吸着エネルギーと、改善仕様の吸着エネルギーとを比較することにより、撥液性の良否の判定に反映させてもよい。なお、吸着エネルギーが0以上である場合(図2において「No」の場合)には、解析結果を反映させた上で、再び改善仕様を作成する。

0041

本発明によれば、分子動力学法及び分子軌道法の両方を用いることによって、多角的に固気モデル及び/又は固液界面モデルを用いて計算・解析し、当該モデルの良否を判定し、さらに、当該判定結果を基に最適な撥液性被膜を選択することができる。

0042

本発明のシミュレーション方法を用いて、解析用モデルを作成し、計算検討を行った。

0043

1.解析用モデルの作成
[実施例]
本実施例の解析用モデルは、固体基質として、マルテンサイト系ステンレスの一種である、SUS440C、表面被膜としてフルオロアルキルシラン膜、液体としてトリメチルベンゼンを含んだエンジンデポジットを有する解析用モデルである。
エンジンデポジットは、当該エンジンデポジット中に含まれている原子及び分子を分析して、可能な限り近似したクラスタモデルを作成した。実際の分析結果より、エンジンデポジット中にはトリメチルベンゼンを確認したため、トリメチルベンゼンを含んだクラスタモデルを作成した。
また、フルオロアルキルシラン膜については、当該膜中に含まれているフルオロアルキルシラン分子を分析して、可能な限り近似したクラスタモデルを作成した。
さらに、固体基質に関しては、目的とする結晶モデルを厳密に作成することは困難であったため、元素組成が近いCr2O3の結晶をモデルとして代用した。

0044

[比較例1]
比較例1の解析用モデルは、固体基質として、マルテンサイト系ステンレスの一種である、SUS440C、液体としてトリメチルベンゼンを含んだエンジンデポジットを有する解析用モデルである。すなわち、実施例の解析用モデルのような表面被膜は、比較例1の解析用モデルには含まれない。
エンジンデポジット及び固体基質に関しては、実施例と同様にモデルを作成した。

0045

[比較例2]
比較例2の解析用モデルは、固体基質として、マルテンサイト系ステンレスの一種である、SUS440C、表面被膜として金薄膜、液体としてトリメチルベンゼンを含んだエンジンデポジットを有する解析用モデルである。
エンジンデポジット及び固体基質に関しては、実施例と同様にモデルを作成した。

0046

2.解析用モデルを用いた吸着エネルギーの計算
分子軌道法を利用した分子シミュレーションプログラムを用いて、実施例、比較例1及び比較例2の解析用モデルについて、上記式(1)の吸着エネルギーを計算した。なお、分子軌道法としては密度汎関数法DFT)を用いた。

実施例

0047

図3は、実施例、比較例1及び比較例2の解析用モデルを用いた吸着エネルギーの計算結果をまとめたものである。
図3に示すように、計算結果から、比較例1の解析用モデルについての吸着エネルギー値は正の値を算出した。したがって、エンジンデポジット中に含まれるトリメチルベンゼンが、固体基質であるSUS440Cに対して吸着しやすい成分であることがシミュレーションできた。
また、計算結果から、比較例2の解析用モデルについての吸着エネルギー値は正の値を算出した。したがって、固体基質(SUS440C)を金薄膜によって被覆しても、エンジンデポジット中に含まれるトリメチルベンゼンは固体基質に対して依然吸着することがシミュレーションできた。
しかし、計算結果から、実施例の解析用モデルについての吸着エネルギー値は負の値を算出した。したがって、固体基質(SUS440C)をフルオロアルキルシラン膜によって被覆することで、フルオロアルキルシラン膜がエンジンデポジット中に含まれるトリメチルベンゼンに対して反発し、その結果、トリメチルベンゼンが固体基質に対して吸着し難くなることがシミュレーションできた。
上より、実施例、比較例1及び比較例2の解析用モデルを用いた吸着エネルギーの計算結果を比較することにより、実施例に用いたフルオロアルキルシラン膜は、被膜が存在しない場合(比較例1)、又は金薄膜を用いた場合(比較例2)と比較して、エンジンデポジットをより吸着し難くする効果があるというシミュレーション結果が得られた。

0048

1固体基質
2被膜
2a有機系分子
3液体分子又は気体分子
100 固気モデル又は固液界面モデル

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