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Last Update

19-Oct-2014

ピリカで化学: アカデミア

もと非常勤講師:山本博志 講義補助資料

大学での非常勤講師としての講義補助資料、大学、学会関連での発表内容

2011年の後期に横浜国大で非常勤講師として講義をすることになった。それに合わせて講義の補助資料や大学、学会関連で発表したものをまとめておく。

 

 

横浜国大:
今年度依頼された講義題目は”分子シミュレーション”だ。依頼元は横浜国立大学の中村一穂先生。大学院講義「化学プロセス・シミュレーション」を3人で分担する。分子シミュレーションは、WikIPediaで調べると、”何らかの物理現象や物質が持つ物性などを分子の動きを数値計算することにより解析する試みのことである。化学や物性物理の分野で主に用いられ、実験と両輪をなすものである。また、複雑で多量な計算を必要とすることが多いため計算機を用いて計算させることが一般的である。”とある。大学が何故こうしたテーマで依頼してきたかはよくわからないが、分子動力学法やモンテカルロ法を使った分子シミュレーションを5コマ(10時間)で教えることはほとんど不可能であろう。また、自分にもそんな力量はない。もう一つ、学生が”社会に出てから役に立つ”という条件がついている。そこで、今回は分子動力学法やモンテカルロ法の部分ははしょって、 ”何らかの物理現象や物質が持つ物性などを分子の動きを数値計算する” 、そしてその結果を企業の研究に当てはめ、研究を加速する方法の講義を行う。それにしても、5コマでは時間不足なので、ここに置いた資料をよく読んで理解を深めておいて欲しい。

分子シミュレーションの基礎:ある物理現象、物性、例えばある化合物の溶液粘度の値が欲しいとしよう。例えば化学工学のプロセスで、反応容器に液体を仕込んで攪拌しながら加熱するときのことを考えると、液体は温度が上がると、粘度が下がる。その時に必要な攪拌動力はどのくらいになるだろうか?とか、熱伝導方程式を解いて、スチームの供給量はどのくらいになるかを知りたい、などと言うことが多々ある。既存の物質であればデータベースをたたけばそうした定数は見つかるかもしれない。しかし、全く新しい化合物であったら、そのようなデータはない。粘度を分子シミュレーションの技術を使って予測しようとした場合、(特にそれが全く新しい化合物だった場合)オーダーが合うような計算をするだけで、ものすごい高速のコンピュータを幾日も動かさなくてはならないだろう。まして、温度依存性まで合わせようとすると気の遠くなるような時間が必要となる。こうした、全く新しい化合物を扱うなら、分子軌道法、特に半経験的分子軌道法は、化学工学で扱うような化合物は皆計算できるし、計算時間も非常に短くて済む。計算結果のうち化学工学上重要なのは、各原子上の電荷、分子としてのダイポール・モーメント、HOMO、LUMOの値だろう。例えば先程の粘度の場合では、ダイポールモーメントの大きな分子は一般的に粘度が高いなどと言うことがわかる。それ以外どんな計算可能量と粘度は相関があるだろうか? 分子の大きさや形状(球状、棒状)も影響するだろう。そうした計算可能量を組み合わせ、任意の温度での任意の化合物の粘度を推算することが可能になれば、はしょった”分子シミュレーション”をしたことになろう。反応を伴う場合にも分子軌道法は重要な知見を与えてくれる。

ケモ・インフォマティクス手法:多くの場合、分子を原子団に分割して原子団の組み合わせで物性を推算する。Pirikaでは粘度も含め、多くの物性値をケモインフォマティクス手法を使って解析している。これは、先にデータありきで、全くデータのないもの(定義されていない原子団)には使えない。しかし、化学工学上、必要な原子団はほぼ網羅されていると言っていいだろう。

そこで、本講義では分子シミュレーションとケモインフォマティクス手法を組み合わせて”会社に入ってから役に立つ”シミュレーションを行うやり方を講義する。お金をかけ、分厚いマニュアルを読み、複雑な理論を理解すれば使える、専門家用の市販のソフトはいくらでもある。問題なのは化学工学を目指すような、化学工学の専門知識に+αするようなソフトが殆ど無いことだ。そこで今回は、講義に必要な計算を行うソフトウエアー(YNU−シミュレータ)を構築した。これは、HTML5+CSS+JavaScriptの技術を使って構築した。現在(2011.5.23)のところ、Chrome、SafariというブラウザーがHTML5に対応している。(IE9はまだ実装率が低く使えない。IE8以下はHTML5をサポートしていない)iPadに搭載されているMobile Safariでも実行が可能だ。これはpirikaのサーバーに置く。(横浜国大の学生にはPass Codeを与える。ただし自分が講師の契約が続く間に限る。2014年9月をもって横浜国大退職との連絡があった。)

講義が始まった。どんな話をしているかはこちらを参照

講義内容をもとに、自分でやってみよう(DIY)に再構築した。

化学者の為のプログラミング講座(JAVA、C#、JAVAScript)

化学系の仕事をしていく上で、実社会に出てから役に立つプログラミング能力を身につけるための講座。Pirikaで利用している化学系のプログラムは世界でも高い評価を得ている。

ハンセン溶解度パラメータ(HSP)の基礎と応用講座

ハンセン先生と直にメールをやり取りしながら、HSPを研究しているのは世界でも自分だけだ。最新の研究を含め、現状から将来を含めた講義を行う。

物性化学講座

昔でいう物性化学は、こんな官能基を持つ化合物はこんな物性で、ここがこうなると、あーだ、こーだと議論する学問だった。今はそんなに悠長な事は言っていられない。この処方の、この物性を改良するには、どの成分をどう変えるかを非常に短時間で答えなくてはならない。”立っているものは親でも使え”ではないが、使えるツールはどんどん使い、無いツールは短時間で創りだしながら研究を加速する。そのためには何ができなくてはならないかを講義する。

高分子化学講座

ポリマーの重合シミュレーション、ポリマー物性推算の基礎、溶解性推算など高分子計算化学講座。

 

Korea Advanced Institute of Science & Technology (KAIST):

溶解度パラメータの基礎と応用
イオン液体の構造と物性
レジストポリマーの設計方法
ポリマーの溶解性推算

 

メールの書き方講座