【研究領域課題番号】21K14723 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

モンテカルロ法 / 分子動力学法 / レアイベント / 化学蓄熱 / 分光計算 / 分子シミュレーション / 固気化学反応 / 律速過程

【研究成果の概要】

本課題は、化学蓄熱材として用いる代表的な固気化学反応の構造変化およびその律速過程を分子レベルで明らかにし、実用化への課題となっている低い反応性を改善する方法の提案を目指している。分子レベルで化学反応過程を理解するには、分子シミュレーションによる研究が有効であるが、これまでのシミュレーション手法では「時間スケールが多様な拡散」と「待ち時間は長いが瞬間的に起こる化学結合の組み換え」が複雑に絡み合った固気化学反応の構造変化を扱うことが困難であった。
本年度は、この固気化学反応の構造変化の問題の解決を目指して分子動力学法とモンテカルロ法を組み合わせたシミュレーション手法を提案した。この方法は、拡散や化学結合の組み換えなどの素過程の動力学的な情報を得ながらも系が熱力学的な平衡状態へ緩和する過程を模倣することが出来る。この手法を典型的な蓄熱/放熱過程である水酸化マグネシウムの脱水/酸化マグネシウムの水和過程に適用したところ、手法の計算効率性と系を記述するモデルポテンシャル（ReaxFF）に問題があることが判明した。前者は実在系への応用ではモンテカルロ計算において棄却確率が非常に高くなり系の緩和が妥当な計算時間で達成されないことが問題となった。また、後者ではモデルポテンシャルで得られた界面水の構造が第一原理計算のそれと大きく異なることが明らかとなった。
また、近年の実験的研究では分光技術を用いて蓄熱材の構造変化に関する知見を得ている。実験事実と対比させながら分子シミュレーション研究を実施するには、分光スペクトルの理論計算が有効であると考えた。そこで、本年度は分光シミュレーションのプログラム開発とテスト計算としてバルクおよび界面水の赤外、ラマン分光計算も実施した。これにより、固気化学反応過程における各状態の分光シミュレーションを実施する基礎が整った。

【研究種目】若手研究

【研究期間】2021-04-01 - 2025-03-31

【配分額】4,290千円 (直接経費: 3,300千円、間接経費: 990千円)

【研究分野】生物物理学

【研究領域課題番号】17K15101 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

水素イオン / 分子シミュレーション / 凝縮系 / 量子化学 / ダイナミクス / 物理化学 / 分子動力学法 / プロトン移動 / QM/MM法 / 生物物理

【研究成果の概要】

我々は溶媒の量子化学効果を取り込む手法を検証・改良する過程において、全てのハイブリッドモデルシミュレーションが影響をうけるアーティファクトを発見した。このアーティファクトは今まで議論されたことはなかったが、水素イオンのダイナミクスを再現する上でそれを補正することが非常に重要になる。そこで当初の予定を変更し、このアーティファクトの詳細な分析と補正法の提唱を行いその有効性を示すことに成功した。
さらに水溶液系の中で余剰の水素イオンの連続的な座標表現を、従来我々が提唱している手法に組み込むことで、水素イオンをダイナミクス計算で安定して取り扱えるように改良し、安定で正確なシミュレーションが可能となった。

【研究の社会的意義】

水素イオンは最も身近で重要な存在であるにも関わらず、時間発展の分子シミュレーションにおいて最も取り扱いが難しい対象であった。したがって、本研究において水素イオンを取り扱う理論的フレームワークが出来上がったことにより、今までダイナミクス計算で取り扱えなかった生体分子の（生体分子のプロトン輸送や構造の加水分解など）重要な現象や機能の解析が可能になることを示唆している。
また生体分子に限らず、水素イオンは溶液中での様々な化学反応に関連しているために重要な役割を果たしている。したがって以後これら多分野のシミュレーションにも応用され、様々な現象のメカニズム解明に役立つことが期待される。

【研究種目】若手研究(B)

【研究期間】2017-04-01 - 2019-03-31

【配分額】4,420千円 (直接経費: 3,400千円、間接経費: 1,020千円)

【研究分野】化学工学一般

【研究領域課題番号】11555197 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

無機膜 / 分子シミュレーション / ゼオライト膜 / シリカ膜 / ガス分離 / 材料設計 / 分離膜 / 透過理論 / 分子動力学法 / モンテカルロ法 / 透過係数

【研究成果の概要】

高温条件下や有機溶媒中で使われる無機分離膜の開発においては、特定の膜分離対象に最適化された膜を如何に迅速に開発できるがキーポイントとなる。しかしながら、無機膜はその材料によって構造も大きく異なり、また周期律表全ての元素を対象として開発が行なわれるため、試行錯誤的な実験が中心となり多大な労力が費やされている。また得られた膜が最高の性能をもつものかどうかの判定も難しい。そのため、理論的根拠に基づき、迅速な膜材料の開発を可能とする設計手法の確立が望まれていた。
一方、分子シミュレーションを活用した材料設計では、非経験的に得られた原子間ポテンシャルのみから材料の物性を予測することができるため、膜材料の選定や性能予測に応用できる。しかしながら、これまでの計算手法のアプローチでは、コンピュータパワーの限界から、あまりにも計算時間がかかり過ぎ、実際の膜開発では役に立たなかった。
本研究の目的は、高速に膜の分離現象を計算できる手法を開発し、分離対象に最適な無機膜を材料レベルから提示できる方法論を構築することである。本申請においては、大規模系を対象とした我々独自の複数のシミュレーション手法群として、グランドカノニカルアンサンブル分子動力学法、非平衡系モンテカルロ手法、非平衡系メソスコピック・モンテカルロ手法、そして分子動力学法とモンテカルロ法を併用した吸着・拡散理論に基づく性能予測手法を開発し、ゼオライト膜やシリカ膜など無機膜の性能予測に適用し、実験結果と比較し、その有効性を検証した。本研究で開発された手法群は、今後の無機膜開発において分子レベルからの設計手法を与えるものとして活用が期待される。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】1999 - 2000

【配分額】13,900千円 (直接経費: 13,900千円)