ポリエチレンや脂質分子等のいわゆる鎖状分子系における構造形成の問題は、非常に 興味深い。鎖状に連なった分子である高分子は、内部自由度が非常に大きいため、構造 的な多様性を有している。この構造的多様性が、高分子物質のもつ様々な機能の基礎と なっている。そのため、高分子の構造形成機構の分子レベルでの理解は、基礎物理にお いてだけではなく、工学においても重要となる。そこで、本研究では、高分子鎖の構造 形成過程を分子レベルで解明するため、一本の長い高分子鎖の分子動力学シミュレーシ ョンを行い、配向秩序構造の形成過程を解析し、徐冷の場合と急冷の場合の比較を行っ た[1,2]。

　高分子鎖のモデルとして、最も単純な内部構造を持つポリメチレン鎖(メチレン基 CH₂が500個連結したもの)を用い、メチレン基は1つの質点として扱う。初 期配置として、全てのボンドがトランス状態(内部回転ポテンシャル最小の状態)にある 平面ジグザグ構造から出発し、先ず高温(800 K)においてランダムな配位を作る。次に それを、徐冷(50 K/1 ns の冷却速度で100 Kまで段階的に冷却)あるいは急冷(200, 250, ..., 550 K)する。

　図１に、500 Kに急冷した場合の大域的配向秩序パラメータの時間発展、および 高分子鎖の立体構造を示す。この図から分かるように、比較的高い温度においては、 系は配向秩序状態と配向無秩序状態の間を遷移する。 図２に、徐冷および急冷(300 K)の場合における大域的配向秩序パラメータの時間発展 を示す。この図から、徐冷の場合、大域的配向秩序は徐々に成長することが分かる。 それに対して、急冷の場合、大域的配向秩序は段階的に成長することが分かる。 この結果は、以下のように解釈できる。急冷の場合、系は準安定状態(配向秩序度の低い構造) にトラップされ易く、ある時間その準安定状態に留まる。その後、系が別の準安定状態(より 配向秩序度の高い構造)への経路を見つけると、元の状態から別の状態への急激な遷移が、 その経路を通って実現されるのである。このように、冷却様式の違いのよる、高分子構造形成 過程の違いが明らかになった。