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動的エキシトンの理論

Planned Research

Project AreaDynamic Exciton: Emerging Science and Innovation
Project/Area Number 20H05839
Research Category

Grant-in-Aid for Transformative Research Areas (A)

Allocation TypeSingle-year Grants
Review Section Transformative Research Areas, Section (II)
Research InstitutionNagoya University (2023-2024)
Kyoto University (2020-2022)

Principal Investigator

東 雅大  名古屋大学, 情報学研究科, 教授 (20611479)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 杉山 佳奈美  京都大学, 工学研究科, 助教 (70974377)
Project Period (FY) 2020-11-19 – 2025-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2024)
Budget Amount *help
¥58,890,000 (Direct Cost: ¥45,300,000、Indirect Cost: ¥13,590,000)
Fiscal Year 2024: ¥11,050,000 (Direct Cost: ¥8,500,000、Indirect Cost: ¥2,550,000)
Fiscal Year 2023: ¥11,050,000 (Direct Cost: ¥8,500,000、Indirect Cost: ¥2,550,000)
Fiscal Year 2022: ¥11,050,000 (Direct Cost: ¥8,500,000、Indirect Cost: ¥2,550,000)
Fiscal Year 2021: ¥23,530,000 (Direct Cost: ¥18,100,000、Indirect Cost: ¥5,430,000)
Fiscal Year 2020: ¥2,210,000 (Direct Cost: ¥1,700,000、Indirect Cost: ¥510,000)
Keywords動的エキシトン / ドナー・アクセプター相互作用 / 量子化学計算 / 分子動力学シミュレーション / スピン軌道相互作用 / 環境効果 / 溶媒効果
Outline of Research at the Start

本研究では、独自の高精度理論解析手法を発展させて動的エキシトンの理論を確立する。これまでのドナー・アクセプター相互作用に関する数多くの理論研究では、定量的に実験結果を再現できたものはほとんど存在しなかった。そこで、独自に開発してきた量子化学計算と分子動力学シミュレーションを効率的に結び付ける高精度解析手法に相対論効果を導入し、動的エキシトンも高精度解析が可能な量子化学反応ダイナミクス計算法を構築して、動的なドナー・アクセプター相互作用による機能発現機構を理論的に解明する。

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、独自の高精度理論解析手法を発展させて動的エキシトンの理論を確立し、動的なドナー・アクセプター相互作用による機能発現機構を理論的に解明することを目的とする。本年度は、昨年度に引き続き、A01今堀、A02小堀、A02山方、A03家らと協力して非フラーレン型アクセプター分子の薄膜状態における構造の解析を行った。ITIC及びITIC類縁体の薄膜状態におけるスタック構造を解析したところ、側鎖の違いによりV字型の構造の割合に違いが見られた。これまでの我々の研究で、V字型のスタック構造が効率的な電荷分離状態生成に重要であることが明らかになっており、その違いが電荷分離効率の違いに影響していると考えられる。また、A02小堀、A01羽曾部(前期公募班)らと協力してリンカーで結合されたペンタセン二量体におけるシングレットフィッション過程の解析を行った。Broken-Symmetryを用いた密度汎関数法による計算の結果、電子エネルギーでは五重項状態より一重項状態が安定になる一方で、振動や多重度を考慮した自由エネルギーでは五重項状態が安定化した。すなわち、振動の寄与が五重項状態の安定化に重要であることを明らかにした。さらに、A01堀内らと共同で遷移金属錯体を内包した複合体結晶の光物性の解析を行った。堀内らが合成した複合体結晶は生成条件によって結晶構造と色が変わるが、その理由は不明であった。QM/MM計算を用いて光物性を解析した結果、遷移金属錯体の配位子間のπ-πスタッキング相互作用の有無により吸収波長が変化することを明らかにした。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

本年度も領域内での共同研究を積極的に進め、非フラーレン型アクセプター分子の薄膜状態の構造やペンタセン二量体におけるシングレットフィッション過程における振動の効果、結晶構造の違いによる光物性の変化などについて新たな知見を得た。研究はおおむね順調に進展していると考えられる。

Strategy for Future Research Activity

次年度も引き続き、動的なドナー・アクセプター相互作用による機能発現機構の解析を進める。次年度は特に、結晶や薄膜、溶液などの凝縮系における光物性の高精度理論解析手法の開発に注力する予定である。また、今後も計画班や公募班との領域内共同研究を積極的に行い、理論化学・計算化学の面から領域の推進に貢献する。

Report

(4 results)
  • 2023 Annual Research Report
  • 2022 Annual Research Report
  • 2021 Annual Research Report
  • 2020 Annual Research Report
  • Research Products

    (70 results)

All 2024 2023 2022 2021 2020

All Journal Article (20 results) (of which Int'l Joint Research: 3 results,  Peer Reviewed: 20 results,  Open Access: 3 results) Presentation (50 results) (of which Int'l Joint Research: 10 results,  Invited: 12 results)

  • [Journal Article] The Effect of Torsional Motion on Multiexciton Formation through Intramolecular Singlet Fission in Ferrocene‐Bridged Pentacene Dimers2024

    • Author(s)
      Hayasaka Ryo、Sakai Hayato、Fuki Masaaki、Okamoto Tsubasa、Khan Ramsha、Higashi Masahiro、Tkachenko Nikolai V.、Kobori Yasuhiro、Hasobe Taku
    • Journal Title

      Angewandte Chemie International Edition

      Volume: 63 Issue: 8

    • DOI

      10.1002/anie.202315747

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    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Unique solvent effect of water in radical cyclization reaction2023

    • Author(s)
      Sara Suzuki, Soni Aman Govind, Kosuke Imamura, Hideki Yorimitsu, Hiroshi Shinokubo, Masahiro Higashi, Hirofumi Sato
    • Journal Title

      Chemical Physics Letters

      Volume: 826 Pages: 140641-140641

    • DOI

      10.1016/j.cplett.2023.140641

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    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Theoretical analysis of the coordination-state dependency of the excited-state properties and ultrafast relaxation dynamics of bacteriochlorophyll a2023

    • Author(s)
      Takabayashi Yuji、Sato Hirofumi、Higashi Masahiro
    • Journal Title

      Chemical Physics Letters

      Volume: 826 Pages: 140669-140669

    • DOI

      10.1016/j.cplett.2023.140669

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  • [Journal Article] Probing exciton dynamics with spectral selectivity through the use of quantum entangled photons2023

    • Author(s)
      Fujihashi Yuta, Miwa Kuniyuki, Higashi Masahiro, Ishizaki Akihito
    • Journal Title

      The Journal of Chemical Physics

      Volume: 159 Issue: 11 Pages: 114201-114201

    • DOI

      10.1063/5.0169768

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    • Author(s)
      Oya Ryoto, Ota Kenji, Fuki Masaaki, Kobori Yasuhiro, Higashi Masahiro, Nagao Kazunori, Ohmiya Hirohisa
    • Journal Title

      Chemical Science

      Volume: 14 Issue: 38 Pages: 10488-10493

    • DOI

      10.1039/d3sc03572g

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    • Author(s)
      Umeyama Tomokazu、Mizutani Daizu、Ikeda Yuki、Osterloh W. Ryan、Yamamoto Futa、Kato Kosaku、Yamakata Akira、Higashi Masahiro、Urakami Takumi、Sato Hirofumi、Imahori Hiroshi
    • Journal Title

      Chemical Science

      Volume: 14 Issue: 42 Pages: 11914-11923

    • DOI

      10.1039/d3sc03604a

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    • Author(s)
      Umakoshi Takayuki、Urakami Takumi、Kidoguchi Haruki、Yang Keishi、Verma Prabhat、Sato Hirofumi、Higashi Masahiro、Tsukamoto Ikuko
    • Journal Title

      The Journal of Physical Chemistry A

      Volume: 127 Issue: 8 Pages: 1849-1856

    • DOI

      10.1021/acs.jpca.2c08382

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  • [Journal Article] Solvation in nitration of benzene and the valence electronic structure of the Wheland intermediate2022

    • Author(s)
      Nakatani Kaho、Teshigawara Sho、Tanahashi Yuta、Kasahara Kento、Higashi Masahiro、Sato Hirofumi
    • Journal Title

      Physical Chemistry Chemical Physics

      Volume: 24 Issue: 27 Pages: 16453-16461

    • DOI

      10.1039/d2cp01699k

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  • [Journal Article] Extraction of local spin-coupled states by second quantized operators2022

    • Author(s)
      Nakatani Kaho、Higashi Masahiro、Sato Hirofumi
    • Journal Title

      The Journal of Chemical Physics

      Volume: 157 Issue: 1 Pages: 014112-014112

    • DOI

      10.1063/5.0092834

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  • [Journal Article] Free Energy and Solvation Structure Analysis for Adsorption of Aromatic Molecules at Pt(111)/Water Interface by 3D-RISM Theory2022

    • Author(s)
      Takamatsu Akihiko、Higashi Masahiro、Sato Hirofumi
    • Journal Title

      Chemistry Letters

      Volume: 51 Issue: 7 Pages: 791-795

    • DOI

      10.1246/cl.220215

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  • [Journal Article] Electron in a cube: Synthesis and characterization of perfluorocubane as an electron acceptor2022

    • Author(s)
      Sugiyama Masafumi、Akiyama Midori、Yonezawa Yuki、Komaguchi Kenji、Higashi Masahiro、Nozaki Kyoko、Okazoe Takashi
    • Journal Title

      Science

      Volume: 377 Issue: 6607 Pages: 756-759

    • DOI

      10.1126/science.abq0516

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  • [Journal Article] Reference interaction site model self-consistent field with constrained spatial electron density approach for nuclear magnetic shielding in solution2022

    • Author(s)
      Imamura Kosuke、Yokogawa Daisuke、Higashi Masahiro、Sato Hirofumi
    • Journal Title

      The Journal of Chemical Physics

      Volume: 157 Issue: 20 Pages: 204105-204105

    • DOI

      10.1063/5.0122326

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      Peng Xue、Hirao Yuki、Yabu Shunsuke、Sato Hirofumi、Higashi Masahiro、Akai Takuya、Masaoka Shigeyuki、Mitsunuma Harunobu、Kanai Motomu
    • Journal Title

      The Journal of Organic Chemistry

      Volume: 無し Issue: 10 Pages: 0000-0000

    • DOI

      10.1021/acs.joc.2c00603

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    • Author(s)
      Zhu Zhe、Higashi Masahiro、Saito Shinji
    • Journal Title

      The Journal of Chemical Physics

      Volume: 156 Issue: 12 Pages: 124111-124111

    • DOI

      10.1063/5.0083395

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    • Author(s)
      Fuse Hiromu、Irie Yu、Fuki Masaaki、Kobori Yasuhiro、Kato Kosaku、Yamakata Akira、Higashi Masahiro、Mitsunuma Harunobu、Kanai Motomu
    • Journal Title

      Journal of the American Chemical Society

      Volume: 144 Issue: 14 Pages: 6566-6574

    • DOI

      10.1021/jacs.2c01705

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  • [Journal Article] Chemical Shift of Solvated Hydride Ion: Comparative Study with Solvated Fluoride Ion2022

    • Author(s)
      Imamura Kosuke、Higashi Masahiro、Kobayashi Yoji、Kageyama Hiroshi、Sato Hirofumi
    • Journal Title

      The Journal of Physical Chemistry B

      Volume: 126 Issue: 16 Pages: 3090-3098

    • DOI

      10.1021/acs.jpcb.2c00326

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      東 雅大
    • Journal Title

      分子シミュレーション学会誌 ”アンサンブル”

      Volume: 24 Pages: 32-38

    • NAID

      40022823115

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      Kimura Minami、Ito Tadashi、Sato Hirofumi、Higashi Masahiro
    • Journal Title

      Food Chemistry

      Volume: 364 Pages: 130418-130418

    • DOI

      10.1016/j.foodchem.2021.130418

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      Naka Keiji、Sato Hirofumi、Higashi Masahiro
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      Physical Chemistry Chemical Physics

      Volume: 23 Issue: 36 Pages: 20080-20085

    • DOI

      10.1039/d0cp06604d

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  • [Journal Article] A Theoretical Study of Product Selectivity in Rhodium- Catalyzed Oxidative Coupling Reaction Caused by the Solvation Effect2021

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      M. Higashi, N. Shibata, S. Takeno, T. Satoh, M. Miura, H. Sato
    • Journal Title

      Heterocycles

      Volume: 103 Issue: 2 Pages: 952-952

    • DOI

      10.3987/com-20-s(k)64

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    • Organizer
      243rd ECS Meeting
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  • [Presentation] Theoretical analysis of environmental effects on excited-state properties2023

    • Author(s)
      Masahiro Higashi
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      温 祐貴,佐藤 啓文,齊藤 諒介,東 雅大
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      鈴木 さら,今村 洸輔,藤井 香里,木村 佳文,俣野 善博,東 雅大,佐藤 啓文
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      薮 俊佑,佐藤 啓文,東 雅大
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Published: 2020-11-24   Modified: 2024-12-25  

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