Structural Formation, Dynamical Behavior, and Spectra of Complex Interaction Systems of Water, Ions, and Biomolecules

• Project Area: Science on Function of Soft Molecular Systems by Cooperation of Theory and Experiment
• Project/Area Number: 16H00832
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Science and Engineering
• Research Institution: Shizuoka University
• Principal Investigator: 鳥居 肇 静岡大学, 教育学部, 教授 (80242098)
• Project Period (FY): 2016-04-01 – 2018-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2017)
• Budget Amount: ¥6,760,000 (Direct Cost: ¥5,200,000、Indirect Cost: ¥1,560,000); Fiscal Year 2017: ¥3,380,000 (Direct Cost: ¥2,600,000、Indirect Cost: ¥780,000); Fiscal Year 2016: ¥3,380,000 (Direct Cost: ¥2,600,000、Indirect Cost: ¥780,000)
• Keywords: 水 / 生体関連分子 / 分子間相互作用 / ダイナミクス / スペクトル

Outline of Annual Research Achievements

凝縮相系（生体分子系を含む）における，比較的大きい部分電荷をもつ原子間の相互作用により形成される構造と，それに関係するダイナミクスには，多くの興味が持たれているが，スペクトル形状との関係について，しばしば論争となる状態であり，スペクトル解析のための理論的基盤の改良を続行する必要がある。ここには，系のダイナミクス自体に由来する低振動数領域のスペクトル（THzスペクトルなど）と，構造形成・ダイナミクスを反映した様相を示す高振動数領域のスペクトルが含まれる。本研究では，そのような問題意識のもとに，理論的研究を進めた。
平成２９年度には，以下のことを行った。（A）金属イオン周囲の構造形成とスペクトル上の特徴の関係性を解明する一環として，ヘムに配位したCOおよびNOについて，伸縮振動に伴って起こる電子密度の変化（電子密度微分）などの理論的解析を行った。前者については，振動数の変化に加えて，13C および17O NMR化学シフトの変化を含む形で，水分子との水素結合形成と空間的に均一な静電場が掛かるケースを包含する静電相互作用モデルを構築した。後者については，NO伸縮の双極子微分の向きが，NO結合自体の向きと大きく異なることを明らかにし，過去の研究で矛盾点とされていたものを解明した。(B) 水溶液系を対象としたテラヘルツスペクトル形状の解析のための基礎的知見として，液体水における分子部分電荷の変調を解析した。スペクトル形状をよく再現するモデルをもとに解析した結果，分子部分電荷は長時間領域でstretched exponential挙動を示し，そのβ値は分子部分電荷の変動を起こす分子運動が１次元であると整合する，ことなどを明らかにした。加えて，液体メタノールのテラヘルツスペクトル形状の解析も行い，前年に解析した液体ホルムアミドの場合を合わせて，複数の水素結合系を見渡した検討を行った。

Research Progress Status

29年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

29年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Intermolecular charge fluxes and far-infrared spectral intensities of liquid formamide (2018)
  • Author(s): Hajime Torii
  • Journal Title: Phys. Chem. Chem. Phys. Volume: 20 Issue: 5 Pages: 3029-3039
  • DOI: 10.1039/c7cp02644g
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Dynamical behavior of molecular partial charges implied by the far-infrared spectral profile of liquid water (2018)
  • Author(s): Hajime Torii
  • Journal Title: Chem. Phys. Volume: 印刷中 Pages: 165-170
  • DOI: 10.1016/j.chemphys.2017.11.018
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Intermediate length-scale chirality related to the vibrational circular dichroism intensity enhancement upon fibril formation in a gelation process (2018)
  • Author(s): Hajime Torii and Hisako Sato
  • Journal Title: Phys. Chem. Chem. Phys. Volume: 印刷中 Issue: 22 Pages: 14992-14996
  • DOI: 10.1039/c8cp02121j
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] New Twist in the Theories on the Secondary Structure Dependence and Hydration Effect of the Vibrational Properties of Peptides (2016)
  • Author(s): H. Torii
  • Journal Title: AIP Conference Proceedings Volume: 1790 Pages: 020025-020025
  • DOI: 10.1063/1.4968651
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Presentation] 水溶液中のペプチドの並進と回転による分子間電荷フラックスとテラヘルツスペクトル強度生成の解析 (2018)
  • Author(s): 鳥居 肇
  • Organizer: 日本化学会第98春季年会
• [Presentation] 液体ホルムアミドにおける分子の並進・回転運動に伴う電子の振舞いとテラヘルツスペクトル形状の解析 (2017)
  • Author(s): 鳥居 肇
  • Organizer: 第20回理論化学討論会
• [Presentation] Behavior of electrons generating THz spectral intensities of liquid formamide (2017)
  • Author(s): Hajime Torii
  • Organizer: Annual Meeting of the European Molecular Liquids Group (EMLG) and the Japanese Molecular Liquids Group (JMLG)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 液体メタノールのテラヘルツスペクトル強度生成メカニズムの解明に向けた理論的解析 (2017)
  • Author(s): 鳥居 肇
  • Organizer: 第11回分子科学討論会
• [Presentation] 水素結合系のテラヘルツスペクトル強度生成メカニズムの理論的解析 (2017)
  • Author(s): 鳥居 肇
  • Organizer: 第40回溶液化学シンポジウム
• [Presentation] Intramolecular polarizations, intermolecular charge fluxes, and infrared intensities of bio-related molecules and related systems (2016)
  • Author(s): H. Torii
  • Organizer: EMLG/JMLG Annual Meeting
  • Place of Presentation: Minoa Palace Hotel (Chania, Greece)
  • Year and Date: 2016-09-14
  • Int'l Joint Research
• [Remarks] 研究室webページ日本語版
  • URL: http://reve2.eng.shizuoka.ac.jp/jp.html
• [Remarks] Torii Lab web page
  • URL: http://reve2.ed.shizuoka.ac.jp/