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学生視点の金川研紹介’24 (2)

M1の留学生に研究室紹介を書いてもらいました。金川研としては新しいテーマである、膜の分子動力学シミュレーションに着手している学生です。日本語の一部のみ、金川が軽微な修正を行いました(金川)。


私のB4での研究テーマは、「膜で被覆されたマイクロバブルを複数有する液体中の超音波伝播に対する膜の表面張力の影響」です。この研究課題では、シェルを構成するリン脂質という非常に特殊な物質に出会いました。リン脂質は、親水性の頭部と疎水性の尾部を持つ分子の一種であり、その密度によって異なる相と構造を持ち、機械的特性も非常に複雑です。友人2人が並んでいる真ん中に立って、手をつないでいるところを想像してみてください。これはリン脂質のパッキングに似ている。友人があなたから遠ざかると、あなたは明らかに手にひずみを感じ(表面張力の増加)、友人が遠ざかりすぎると、あなたはもう相手の手を握ることができなくなる(破断状態)。一方、2人の友人が互いに近づくと、手のひずみを感じることは少なくなるかもしれない(表面張力の減少)。しかし、2人の友人があなたを両側から押し続けると、ある時点であなたはそれに耐えられなくなり、線から離れるが、手のひずみを感じないほどには近づかない(座屈状態)。これは単純な一次元の例だが、三次元の場合(東京の地下鉄など)も想像できるだろう。個人的には、「とらふぐ」が伸びたり縮んだりするときのイメージが好きだ(物理的な理由ではなく、ただ見た目が面白いから)。
超音波造影剤の場合、リン脂質の monolayer を扱う必要があり、monolayer 部の応力分布、圧縮性、表面張力などを正確に表現する必要があります。そのひとつが分子動力学シミュレーションであり、私はM1からは、それを学び、研究に応用しようとしています。しかし、すべてが順調というわけではありません。異なるスケールには、異なる問題が生じる。例えば、マイクロスケールにある熱ゆらぎによる、瞬間的な圧力(分子に作用する力から)の揺らぎが非常に大きくて、瞬間・局部的な値を使用しても、物理的な意味・物理的な応用のための解析がしにくいです。そのために、普通には長い時間でシミュレーションして、平均することが必要ですが、時間をかかるすぎる可能性が低くない。一方で、シミュレーションの結果(原子の運動・速度・作用される力など)を使用するとき、熱力学・統計力学の知識が要ります。私は現在その分野の知識不足を補完しています。
お正月の直後、金川先生のおかげで、私は東北大・流体科学研究所の馬渕拓哉先生の研究グループに、1ヶ月ぐらい留学しました。留学中に、毎日研究室に行って、シミュレーション・スクリプトを書いて、実行して、結果を見て、データを処理して、他の研究メンバーと相談しました。シミュレーション中、論文を読んで情報を集まり、研究の方向・意味・妥当性などを調べます。その上、研究室の報告会に参加して、他のメンバーの研究・問題・やり方について学びました。まだスパコンにアクセスできないので、一ヶ月間は長くないと感じる。しかし、たくさんのことを学んで、徐々にシミュレーションのスクリプトとポストプロセッシングのPythonスクリプトを書きました。
研究における問題が多いですが、必ず解決してみます。勿論、調べると理論・技術的に解決できない問題があるかもしれません(例えば、2x = 0, 2x + 1 = 0の解が存在しない)。それで、できるだけ限界まで調べて、問題を解決します。私はDに進学する希望があり、今回の研究はskill setを広める貴重な機会と思います(研究進度が遅いのはよくないと感じますが)。[M1]