界面の分子科学を基礎とした相間移動触媒反応のマルチスケールシミュレーション

• Project/Area Number: 13J02345
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Research Field: Physical chemistry
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 吉川 信明 東北大学, 理学研究科, 特別研究員(DC1)
• Project Period (FY): 2013-04-01 – 2016-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2015)
• Budget Amount: ¥3,000,000 (Direct Cost: ¥3,000,000); Fiscal Year 2015: ¥1,000,000 (Direct Cost: ¥1,000,000); Fiscal Year 2014: ¥1,000,000 (Direct Cost: ¥1,000,000); Fiscal Year 2013: ¥1,000,000 (Direct Cost: ¥1,000,000)
• Keywords: 分子動力学 / イオン輸送 / 油水界面 / water finger / 自由エネルギー曲面 / 摩擦係数 / 拡張系の方法 / 電位差制御 / 誘電体計算 / 液液界面 / 自由エネルギー / 電気二重層 / 界面 / 自由エネルギー計算 / レプリカ交換法 / 活性化障壁

Outline of Annual Research Achievements

27年度はこれまでの研究の成果として water finger の形成切断における自由エネルギー解析についての論文[1]を発表するとともに、更なる調査のため water finger の形成切断における摩擦の影響を調べた。 これまでの研究では油水界面におけるイオン輸送の反応速度定数が実験と理論で異なる原因として、活性化障壁や摩擦係数、電気二重層等多くの理由が考案されてきたが、具体的な解析方法がなく手が出せない領域であった。 我々はグラフ理論を利用することで water finger を適切に射影する座標の開発に成功し、その解析を可能とし、理論と実験のずれの原因が water finger 形成切断時の活性化障壁にあることが明らかにした。 また、界面近傍とバルクでイオン周りの水和数に大きな違いがあることも見出した。
water finger の解析に加え、電気二重層の影響を分子動力学計算に取り込む手法として拡張系の方法による電位差制御の手法開発に取り組んだ。 通常古典分子動力学では電位差の影響を外部電場として取り込むが、この手法では実験と定量的な関係を得るのが困難なためである。 拡張系の方法の開発では拡張系の変数を何にするかが重要であるが、我々は仮想的なコンデンサの電荷を拡張系の変数とすることで立式に成功した。 テスト系として水バルク系を用いて本式の妥当性を検証したところ、水の誘電率の再現に成功し本手法が正しく動くことを確認した。

[1] N. Kikkawa; L. Wang; A. Morita, J. Am. Chem. Soc. 137 (2015) 8022.

Research Progress Status

27年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

27年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Microscopic Barrier Mechanism of Ion Transport through Liquid-Liquid Interface (2015)
  • Author(s): Nobuaki Kikkawa, Lingjian Wang, and Akihiro Morita
  • Journal Title: J. Am. Chem. Soc. Volume: 137 Issue: 25 Pages: 8022-8025
  • DOI: 10.1021/jacs.5b04375
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Surface Acidity of Water Probed by Free Energy Calculation for Trimet hylamine Protonation (2014)
  • Author(s): Yusuke Tabe, Nobuaki Kikkawa, Hideaki Takahashi, and Akihiro Morita.
  • Journal Title: J. Phys. Chem. C Volume: 118(2) Issue: 2 Pages: 977-988
  • DOI: 10.1021/jp4078882
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Reply to"Commenton 'Surface Acidity of Water Probed by Free Energy Calculation for Trimethylamine Protonation'" (2014)
  • Author(s): Yusuke Tabe, Nobuaki Kikkawa, Hideaki Takahashi, and Akihiro Morita
  • Journal Title: J. Phys. Chem. C Volume: 118(5) Issue: 5 Pages: 2895-2895
  • DOI: 10.1021/jp5005083
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Tip-Enhanced Raman Spectroscopy of 4,4'-Bipyridine and 4,4'-Bipyridine N, N'-Dioxide Adsorbedon Gold Thin Films (2013)
  • Author(s): Izabela I. Rzeznicka, Hideyuki Horino, Nobuaki Kikkawa, Suguru Sakaguchi, Akihiro Morita, Satoshi Takahashi, Tadahiro Komeda, Hiroshi Fukumura, Taro Yamada, and Maki Kawai
  • Journal Title: Surf. Sci. Volume: 617 Pages: 1-9
  • DOI: 10.1016/j.susc.2013.08.010
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Role of Water Fingering in Ion Transport through Oil-Water Interface (2015)
  • Author(s): N. Kikkawa, L.-J. Wang, and A. Morita
  • Organizer: Pacifichem 2015
  • Place of Presentation: Honolulu, HI, USA
  • Year and Date: 2015-12-15
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 界面構造の座標化による油水界面のイオン輸送の解析、及び、拡張系の方法を用いた電位差一定のアンサンブルの実現 (2015)
  • Author(s): 吉川 信明、L.-J. Wang、森田 明弘
  • Organizer: 第29回分子シミュレーション討論会
  • Place of Presentation: 新潟
  • Year and Date: 2015-11-30
• [Presentation] 界面構造の座標化による油水界面のイオン輸送の解析 (2015)
  • Author(s): 吉川 信明、L.-J. Wang、森田 明弘
  • Organizer: 第61回ポーラログラフィーおよび電気分析化学討論会
  • Place of Presentation: 姫路
  • Year and Date: 2015-11-24
• [Presentation] 界面構造の座標化による油水界面のイオン輸送の解析 (2015)
  • Author(s): 吉川 信明、L.-J. Wang、森田 明弘
  • Organizer: 第38回溶液化学シンポジウム
  • Place of Presentation: 高知
  • Year and Date: 2015-10-21
• [Presentation] 界面構造の座標化による油水界面のイオン輸送の解析 (2015)
  • Author(s): 吉川 信明、L.-J. Wang、森田 明弘
  • Organizer: 第9回分子科学討論会
  • Place of Presentation: 東京
  • Year and Date: 2015-09-16
• [Presentation] 液液界面付近の水和イオンクラスター分布 (2015)
  • Author(s): L.-J. Wang、吉川 信明、森田 明弘
  • Organizer: 第9回分子科学討論会
  • Place of Presentation: 東京
  • Year and Date: 2015-09-16
• [Presentation] Study of Ion Transport through Liquid Interfaces by using Molecular Dynamics Simulation (2015)
  • Author(s): N. Kikkawa, L.-J. Wang, and A. Morita
  • Organizer: Tohoku University's Chemistry Summer School 2015
  • Place of Presentation: 仙台
  • Year and Date: 2015-08-26
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Distribution of Hydrated Ion Clusters Transported through Water-Oil Interface (2015)
  • Author(s): L.-J. Wang, N. Kikkawa, and A. Morita
  • Organizer: Tohoku University's Chemistry Summer School 2015
  • Place of Presentation: 仙台
  • Year and Date: 2015-08-26
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Molecular Dynamics Simulation of Ion transports through Liquid-Liquid Interface (2015)
  • Author(s): N. Kikkawa, L.-J. Wang, A. Morita
  • Organizer: 249th ACS National Meeting
  • Place of Presentation: Denver, CO, USA
  • Year and Date: 2015-03-25
• [Presentation] 分子シミュレーションによる液体界面のイオン輸送の解析 (2014)
  • Author(s): 吉川 信明、Wang Lingjian;、 森田 明弘
  • Organizer: 第60回ポーラログラフィーおよび電気分析化学討論会
  • Place of Presentation: 京都工芸繊維大学 60周年記念館（京都市・左京区）
  • Year and Date: 2014-11-16
• [Presentation] 二次元自由エネルギー曲面を用いた液液界面におけるイオン輸送の解析 (2014)
  • Author(s): 吉川 信明、Wang Lingjian、森田 明弘
  • Organizer: 第28回分子シミュレーション討論会
  • Place of Presentation: 仙台市市民会館（宮城県・仙台市）
  • Year and Date: 2014-11-12
• [Presentation] Catalytic Effect of Trace Water on Ion Transport through Liquid-Liquid Interface (2014)
  • Author(s): Lingjian Wang, Nobuaki Kikkawa, Akihiro Morita
  • Organizer: 第28回分子シミュレーション討論会
  • Place of Presentation: 仙台市市民会館（宮城県・仙台市）
  • Year and Date: 2014-11-12
• [Presentation] 二次元自由エネルギー曲面を用いた液体界面におけるイオン輸送の解析 (2014)
  • Author(s): 吉川 信明、Wang Lingjian;、森田 明弘
  • Organizer: 第8回分子科学討論会
  • Place of Presentation: 広島大学東広島キャンパス（広島県・東広島市）
  • Year and Date: 2014-09-23
• [Presentation] 液液界面のイオン輸送における微量水の触媒効果 (2014)
  • Author(s): 王 Wang Lingjian、吉川 信明、森田 明弘
  • Organizer: 第8回分子科学討論会
  • Place of Presentation: 広島大学東広島キャンパス（広島県・東広島市）
  • Year and Date: 2014-09-23
• [Presentation] Study of Ion Transport through Liquid Interface by using Molecular Dynamics Simulation (2014)
  • Author(s): Nobuaki Kikkawa, Akihiro Morita
  • Organizer: Tohoku University's Chemistry Summer School 2014
  • Place of Presentation: Aobayama Campus Tohoku Universities,(Sendai,Japan)
  • Year and Date: 2014-08-25
  • Invited
• [Presentation] Catalytic Effect of Trace Water on Ion Transport through Liquid-Liquid Interface -- Water Finger Formation and Hydration (2014)
  • Author(s): Lingjian Wang, Nobuaki Kikkawa, Akihiro Morita
  • Organizer: Tohoku University's Chemistry Summer School 2014
  • Place of Presentation: Aobayama Campus Tohoku Unversities,(Sendai,Japan)
  • Year and Date: 2014-08-24 – 2014-08-27
• [Presentation] 分子動力学シミュレーションを用いたイオンの液体界面通過に伴う活性化障壁の解析 (2014)
  • Author(s): 吉川信明、森田明弘
  • Organizer: 電気化学会第81回大会
  • Place of Presentation: 関西大学千里山キャンパス(大阪)
• [Presentation] 2次元自由エネルギー曲面を用いた液体界面近傍におけるイオン輸送の解析 (2013)
  • Author(s): 吉川信明、森田明弘
  • Organizer: 第4回計算統計物理学研究会
  • Place of Presentation: 山口大学工学部常盤キャンパス(宇部)
  • Year and Date: 2013-10-05
• [Presentation] イオンの界面通過に関する理論的研究 (2013)
  • Author(s): 吉川信明
  • Organizer: 第2回分子科学若手シンポジウム
  • Place of Presentation: 分子科学研究所岡崎コンファレンスセンター(岡崎)
  • Year and Date: 2013-08-21
• [Presentation] イオン輸送に伴う液体界面の構造変化の役割 (2013)
  • Author(s): 吉川信明、森田明弘
  • Organizer: 第7回分子科学討論会
  • Place of Presentation: 京都テルサ(京都)
• [Presentation] Theoretical analysis of ion transport through soft interfaces (2013)
  • Author(s): N. Kikkcawa, A. Morita
  • Organizer: Tohoku University's Chemistry Summer School 2013
  • Place of Presentation: 東北大学青葉山北キャンパス(仙台)
• [Presentation] 水溶液表面における酸性度の理論計算 (2013)
  • Author(s): 田部裕輔、吉川信明、高橋英明、森田明弘
  • Organizer: 第7回分子科学討論会
  • Place of Presentation: 京都テルサ(京都)
• [Presentation] Elucidation of surface acidity of trimethylamine water solution by computational method (2013)
  • Author(s): Y. Tabe, N Kikkawa, H. Takahashi, and A. Morita
  • Organizer: International Symposium for the 70th Anniversary of the Tohoku Branch of the Chemical Society of Japan
  • Place of Presentation: 東北大学川内北キャンパス(仙台)
• [Presentation] The Effect of Ion Pair Fonmation on Ion Passage through the Liquid-Liquid Interface (2013)
  • Author(s): N. Kikkawa, A. Morita
  • Organizer: International Symposium for the 70th Anniversary of the Tohoku Branch of the Chemical Society of Japan
  • Place of Presentation: 東北大学川内北キャンパス(仙台)
• [Presentation] Analysis of ion transport by using 2D free energy profile (2013)
  • Author(s): N. Kikkawa, A. Morita
  • Organizer: 3rd International Conference on Molecular Simulation
  • Place of Presentation: Kobe Int'l Conference Center(神戸)
• [Presentation] イオンの界面通過に関する理論的研究 (2013)
  • Author(s): 吉川信明
  • Organizer: 第17回分子シミュレーション夏の学校
  • Place of Presentation: 湯沢ニューオータニホテル(越後湯沢)
• [Remarks] Publications
  • URL: http://comp.chem.tohoku.ac.jp/publications.html
• [Remarks]
  • URL: http://comp.chem.tohoku.ac.jp/publications.htm1