Research

研究テーマ：自己組織化による環状化合物の選択的生成のシミュレーション

研究の背景・目的

特定の分子が自発的に集まり、秩序だった構造を形成する「自己組織化」という現象がある。本研究では、ある化学反応において、なぜ完璧な選択性で四角形の環状化合物だけが生成するのか、その起源を明らかにすることを目指している。

• なぜ直線やその他の構造ではなく、四角形だけが選択的に作られるのか。
• なぜ原料の濃度を高くしても、選択性が落ちずに効率よく反応が進むのか。

※選択性とは？
化学反応における「選択性」とは、いくつかの反応が起こりうる状況で、特定の化合物だけが優先的に作られる性質のことである。

アプローチ

本研究における私の役割は、この化学現象を再現するためのシミュレーションモデルを設計し、C++ と物理演算ライブラリ PhysX を用いて実行・分析することである。複雑な化学反応のメカニズムを解明するため、現実の分子を単純な剛体モデルに置き換え、それらが空間内でどのように振る舞うかをシミュレーションで観察する。

具体的には、現実の分子を単純なモデルに置き換え、いくつかの物理的な制約（ルール）を与えた状態でシミュレーションを行う。ユニット同士の相互作用と構造形成の過程を追跡することで、化学的な詳細ではなく「形」と「結合ルール」だけから何が再現できるかを切り分けている。

このシミュレーションで分かること

本シミュレーションの重要な点は、「単純なルールだけで、現実世界で観測されるような高い選択性が再現できるか」を検証することにある。シンプルなモデルでも四角形構造が優先的に生成されれば、完璧な選択性は分子の複雑な化学的性質ではなく、基本的な「形」と「結合ルール」に起因するという強力な証拠になる。

また、シミュレーション空間内のユニットの密度を変化させることで、「高濃度でも選択性が落ちない理由」についても、物理的な観点から明らかにできると期待している。

研究で開発したソフトウェア

研究遂行の過程で書いた、公開可能な範囲のリポジトリ。論文の数値結果はこれらのコードで生成している。

macrocycle-rigid-body-sim

論文の本体となる物理シミュレータ。大環状分子を剛体粒子の鎖として近似し、結合長・結合角・二面角といった幾何条件を D6Joint で課して時間発展させる。Iwamoto ら（2024）が提示した解析モデルを数値的に検証するために書いた。

GitHub: mogmog-0110/macrocycle-rigid-body-sim →

Tech Stack

• C++17 / CMake
• NVIDIA PhysX 5.6.1（剛体ダイナミクスと D6Joint）
• OpenGL + freeglut（リアルタイム可視化）
• RAII を徹底した構造、ヘッダ分離、Warnings-as-Errors（/W4 /WX）でコンパイル

実装している主な機能

• 剛体粒子の鎖と、結合長・結合角・二面角を保つ D6Joint compliant mode の組み合わせ
• 26 個のゴーストアクターによる周期境界条件（PBC）の近似
• 結合グラフを UnionFind で解析し、環の連結性・サイクル数をフレーム毎にトラッキング
• MSER による定常状態の自動検出と、定常区間に絞った統計量算出
• マルチレプリカ・バッチ実行と乱数シード制御による再現可能なアンサンブル
• 独自バイナリフォーマット .pxrf（Adler-32 CRC 付き）でトラジェクトリを保存
• 記録済みトラジェクトリのリプレイ機能（描画用と解析用を分離）
• JSON 設定ファイルからシナリオを駆動するランナー
• ヘッドレス実行モード（CI と長時間計算用）

品質と再現性

• 112 ユニットテスト（GoogleTest）でジョイント・PBC・グラフ解析・MSER の各レイヤを検証
• 固定シードと決定論的ステップで、論文の図表をそのまま再生成できるようにしてある
• 厳格コンパイル設定と静的解析で、リリースビルドでも警告ゼロを維持

mser-cpp

上記シミュレータの解析側として書いた、MSER（Marginal Standard Error Rule）の単独実装。シミュレーションが定常状態に達したフレームを統計的に判定するためのアルゴリズムで、長時間トラジェクトリから過渡状態を捨て、定常区間だけを集計する処理を自動化している。スタンドアロンのライブラリとして切り出してあるので、他のシミュレーション系プロジェクトからも使い回せる。

GitHub: mogmog-0110/mser-cpp →