米乐m6官方网站（所长：野间口佑）（以下简称“AIST”）纳米系统研究部（研究主任：八濑清）软物质模拟组（研究组组长：阳谷伸）首席研究员盛田浩开发了模拟含有球形纳米粒子（纳米填料）的混合聚合物体系的相分离结构的软件。
这个软件是常规的混合聚合物体系的自由能的相分离结构模拟方法外，我们进一步假设相结构与待分散纳米粒子之间的相互作用，可以模拟球形纳米粒子随着相分离结构生长的分散和聚集。使用现代台式计算机可以在大约 15 分钟内计算出分散有纳米粒子的相分离结构的二维模拟。最近投入使用的各种类型聚合物混合纳米复合材料纳米颗粒分散结构的预测和材料设计。
这项研究的详细内容已于 2010 年 12 月 2 日至 3 日在京都工业大学举行的第 22 届弹性体研讨会上发表。
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图1。使用开发的软件获得的含有球形纳米颗粒的相分离结构（2D 和3D 结果）。随着时间的推移，它分成两相：红色聚合物相和蓝色聚合物相。白色颗粒代表球形纳米颗粒。
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近年来，在聚合物材料中添加纳米颗粒已被用来改善材料的功能。在此类复合材料中，纳米颗粒与聚合物之间的界面效应以及颗粒的分散效应对于功能性能和材料性能具有重要意义。迄今为止，这些聚合物混合纳米复合材料的材料开发都是通过添加和捏合纳米颗粒等反复实验进行的。然而，在未来优化这些复合材料时，有人指出，对大量组合进行实验将花费太多时间。因此，需要开发一种容易预测色散结构的方法。
为了预测材料的性能并将其用于材料设计，需要观察材料的创建过程，但由于观察系统和过程的问题，通过实验来做到这一点极其困难。因此，有必要开发动态模拟方法和软件来了解材料内部结构的形成过程，并将这些知识用于材料设计。在 AIST，
粗粒度模拟对于高分子材料的开发很有用，同时也在开发主要的模拟工具。
由东京大学Masao Doi教授等人开发的高分子材料通用模拟软件OCTA自2002年OCTA发布以来，它已被许多研究机构和公司用来模拟各种高分子材料。 （2009年5月29日，日产AIST网站主要研究成果）然而，由于没有包括OCTA在内的软件来模拟含有分散在微米级区域的球形纳米粒子的聚合物混合物的相分离结构，因此希望开发新的软件。
本次研发是受独立行政机构新能源与产业技术开发机构“纳米技术与先进材料实际应用研究开发”委托的项目。
这次我们开发的是一种软件，对于多种聚合物混合（共混）并进一步填充球形纳米颗粒的材料，可以尽可能轻松地模拟相分离结构和纳米颗粒分散结构，并且可以在短时间内模拟1微米尺度区域的结构。此外，该软件还结合了可应用于各种类型的聚合物和纳米粒子的通用技术，并且被设计为具有广泛的适用性。
传统上，混合聚合物材料的相分离结构是使用由聚合物的混合熵和相互作用（焓）表示的自由能方程来模拟的。另一方面，人们正在研究对聚合物和纳米颗粒等粘弹性流体之间的运动进行更精确的模拟，但由于聚合物和纳米颗粒的运动极其复杂，提高计算精度需要很高的计算成本，并且难以应用于大型系统。
新开发的软件引入了一种简化传统的利用自由能的相分离动态模拟的方法，通过简单地添加相结构和纳米颗粒之间的相互作用，从而可以分别确定聚合物的运动和颗粒的运动，并模拟相分离结构和纳米颗粒的两种运动。相互作用是通过在自由能方程中添加简单的相互作用来表达的，例如那些允许球形纳米颗粒以高亲和力存在于富含特定聚合物的相中的相互作用。
图 1 显示了二维动态仿真的结果。请注意，一侧对应现实世界中的 12 微米，白色颗粒代表半径为 20 纳米的纳米颗粒。随着时间的推移，混合聚合物分离成红色和蓝色两相，并且相结构变得更大。尽管白色颗粒与蓝相具有高亲和力，但也表明相分离本身在球形纳米颗粒附近开始，表明纳米颗粒有助于增加相结构的过程。还可以进行三维模拟，图1左下显示使用边长为320纳米的立方体进行模拟，可以看到纳米颗粒聚集成一相。
该软件还可以模拟具有不同纳米颗粒填充率的聚合物混合纳米复合材料。图 2 显示了填充率变化时的结果。随着添加更多纳米颗粒，观察到纳米颗粒聚集，并且红相似乎分布以避免聚集的纳米颗粒。这表明纳米粒子的分散结构和相分离结构可能彼此相关。
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图2 从左侧添加512、1024和2048个纳米颗粒时的模拟
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新开发的用于模拟含纳米颗粒聚合物混合材料结构的软件可用于一般纳米复合材料的通用模拟，这些材料已在各个领域得到应用。未来，我们希望扩展这种方法，使其可用于设计各种纳米复合材料。具体来说，我们希望扩展系统，不仅支持目前支持的球形纳米颗粒，还支持各种棒状和板状纳米颗粒，捏合过程的建模，粘弹性效应的建模等，同时保持易于计算的特点。我们也希望与国内外纳米复合材料制造商合作，应用这些材料设计技术。