星間分子雲における重水素体濃縮機構解明のための新しい量子化学計算手法の開発

• Project/Area Number: 22KJ2564
• Project/Area Number (Other): 21J00806 (2021-2022)
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Multi-year Fund (2023); Single-year Grants (2021-2022)
• Section: 国内
• Review Section: Basic Section 17010:Space and planetary sciences-related
• Research Institution: Yokohama City University
• Principal Investigator: 桑畑 和明 横浜市立大学, 生命ナノシステム科学研究科, 特別研究員(PD)
• Project Period (FY): 2023-03-08 – 2024-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥4,810,000 (Direct Cost: ¥3,700,000、Indirect Cost: ¥1,110,000); Fiscal Year 2023: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000); Fiscal Year 2022: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000); Fiscal Year 2021: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000)
• Keywords: 量子効果 / 水素原子 / 重水素濃縮 / 経路積分法 / 量子化学計算 / 星間分子雲 / 量子化学 / 経路積分 / 水素結合

Outline of Research at the Start

星の前駆体である星間分子雲では有機物を含めて様々な分子が生成している。特に興味深いことは分子雲で生成される一部の有機物に以上に多くの重水素原子が含まれていることである。この問題を解決するために本研究では星間分子雲における化学反応を模して、氷表面における化学反応をシミュレーションする。具体的には有機物の材料である一酸化炭素（CO）を氷表面に吸着させ、水素原子が付加する反応を経路積分分子動力学で計算して、どのような同位体効果が働くかを調べる。

Outline of Annual Research Achievements

星間分子雲は星の誕生領域であり、その組成・物理量を知ることは我々が住む太陽系を含めて星誕生の初期条件を見積もることができる。本研究では星間分子雲における分子生成において発現する特異な同位体効果である重水素濃縮のメカニズムを解明するために、水素と重水素を厳密に区別できる手法を用いて、氷表面におけるメタノール生成の解明に取り組んだ。
本年度では我々が開発した固体表面を高精度で計算可能なCombined Plane wave and Localized Basis-sets (CPLB)法を用いて、氷表面において一酸化炭素に対する水素または重水素原子の付加または引き抜き反応計算を実行した。このCPLB法を用いて化学反応に直接関係する領域は原子核の量子効果を考慮できる多成分分子軌道法と氷表面の領域にはVASPを組み合わせて実行した。
原子の付加反応において量子トンネル効果により原子の付加反応が促進されることを明らかにした。同様に原子引き抜き反応においても量子効果が原子引き抜きを促進することを明らかにした。そのため、水素付加体の分子の方が壊れやすく、重水素付加体の方が安定であるため、重水素体が残りやすいと考えられる。そのため、重水素を含む分子の割合が多くなったことを明らかにした。現在はこれらの成果をまとめて国際論文の準備中である。
また、本研究では経路積分分子動力学法を用いて高圧氷の相転移における量子効果を調べた。その結果、量子効果は氷における相転移を促進することを明らかにした。これらの研究も含めて本年度はJ. Chem. Phys.などの国際論文を計４報報告した。

Research Products

• [Journal Article] Location of the Shared Proton in Proton-Bound Dimer Compound of Hydrogen Sulfate and Formate: Path Integral Molecular Dynamics Study (2024)
  • Author(s): Udagawa Taro、Tanaka Hikaru、Kuwahata Kazuaki、Tachikawa Masanori
  • Journal Title: The Journal of Physical Chemistry A Volume: 128 Issue: 11 Pages: 2103-2110
  • DOI: 10.1021/acs.jpca.4c00239
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] A path integral molecular dynamics study on the muoniated xanthene-thione molecule (2023)
  • Author(s): Kuwahata Kazuaki、Ito Shigekazu、Tachikawa Masanori
  • Journal Title: The Journal of Chemical Physics Volume: 159 Issue: 10 Pages: 104301-104301
  • DOI: 10.1063/5.0159207
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Nuclear quantum and H/D isotope effects on intramolecular hydrogen bond in curcumin (2023)
  • Author(s): Udagawa Taro、Yabushita Hinata、Tanaka Hikaru、Kuwahata Kazuaki、Tachikawa Masanori
  • Journal Title: Physical Chemistry Chemical Physics Volume: 25 Issue: 23 Pages: 15798-15806
  • DOI: 10.1039/d3cp01821k
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Muon Spin Rotation (μSR) for Characterizing Radical Addition to C=S in Xanthene-9-thione and Thioxanthene-9-thione (2023)
  • Author(s): Ito Shigekazu、Akama Hikaru、Kojima Kenji M、McKenzie Iain、Kuwahata Kazuaki、Tachikawa Masanori
  • Journal Title: Bulletin of the Chemical Society of Japan Volume: 96 Issue: 5 Pages: 461-464
  • DOI: 10.1246/bcsj.20230081
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Direct Elucidation of the Vibrationally Averaged Structure of Benzene: A Path Integral Molecular Dynamics Study (2023)
  • Author(s): Udagawa Taro、Tanaka Hikaru、Hirano Tsuneo、Kuwahata Kazuaki、Tachikawa Masanori、Baba Masaaki、Nagashima Umpei
  • Journal Title: The Journal of Physical Chemistry A Volume: 127 Issue: 4 Pages: 894-901
  • DOI: 10.1021/acs.jpca.2c07197
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Low-Barrier Hydrogen Bond in Fujikurin A?D: A Computational Study (2022)
  • Author(s): Tanaka Hikaru、Kuwahata Kazuaki、Tachikawa Masanori、Udagawa Taro
  • Journal Title: ACS Omega Volume: 7 Issue: 16 Pages: 14244-14251
  • DOI: 10.1021/acsomega.2c00857
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Atomic mass dependence of the nuclear quantum effect in NH4+(H2O) (2022)
  • Author(s): Kuwahata Kazuaki、Tachikawa Masanori
  • Journal Title: Chemical Physics Volume: 553 Pages: 111381-111381
  • DOI: 10.1016/j.chemphys.2021.111381
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Competitive nuclear quantum effect and H/D isotope effect on torsional motion of H2O2: An ab initio path integral molecular dynamics study (2022)
  • Author(s): Udagawa Taro、Kuwahata Kazuaki、Tachikawa Masanori
  • Journal Title: Computational and Theoretical Chemistry Volume: 1208 Pages: 113542-113542
  • DOI: 10.1016/j.comptc.2021.113542
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Path Integral Molecular Dynamics Study on NH4+(H2O) (2021)
  • Author(s): Kuwahata Kazuaki、Tachikawa Masanori
  • Journal Title: Few-Body Systems Volume: 62 Issue: 4 Pages: 96-102
  • DOI: 10.1007/s00601-021-01689-y
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Nuclear Quantum Effect in the Phase Transition between Ice VII and Ice X (2023)
  • Author(s): Kazuaki Kuwahata and Masanori Tachikawa
  • Organizer: Workshop on interstellar matter 2023
• [Presentation] Nuclear quantum effect in the phase transition from Ice VII to ice X (2023)
  • Author(s): Kazuaki Kuwahata and Masanori Tachikawa
  • Organizer: The 5th conference of Theory and Applications of Computational Chemistry
• [Presentation] 経路積分分子動力学法を用いたice VIIからice Xへの相転移 (2023)
  • Author(s): 桑畑和明、立川仁典
  • Organizer: 第17回 分子科学討論会
• [Presentation] 経路積分分子動力学法を用いたミューオニウム化キサンテンチオンの同族元素効果 (2022)
  • Author(s): 桑畑和明、伊藤繁和、立川仁典
  • Organizer: 日本化学会 第103回春季年会
• [Presentation] 経路積分分子動力学法を用いたミューオニウム化キサンテンチオンの理論研究 (2022)
  • Author(s): 桑畑和明、伊藤繁和、立川仁典
  • Organizer: 第16回分子科学討論会
• [Presentation] ミューオニウム化キサンテンチオンのHFCCに対する量子効果 (2022)
  • Author(s): 桑畑和明、伊藤繁和、立川仁典
  • Organizer: 日本物理学会2022年秋季大会
• [Presentation] Path integral molecular dynamics study on the muoniated xanthenethione (2022)
  • Author(s): Kazuaki Kuwahata and Masanori Tachikawa
  • Organizer: J-PARC Workshop 2022
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Quantum effect on NH4+ - H2O cluster by using path integral molecular dynamics (2021)
  • Author(s): Kazuaki Kuwahata and Masanori Tachikawa
  • Organizer: Asia-Pacific Conference on Few-Body Problems in Physics
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 経路積分分子動力学法を用いたシュウ酸の解析 (2021)
  • Author(s): 桑畑和明、立川仁典
  • Organizer: 第15回分子科学討論会