Exploration of mechanochromic molecules by automated pi-system figuration simulation

• Project Area: pi-System Figuration: Control of Electron and Structural Dynamism for Innovative Functions
• Project/Area Number: 17H05169
• 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: Waseda University (2018); Institute of Physical and Chemical Research (2017)
• Principal Investigator: 河東田 道夫 早稲田大学, 理工学術院, 客員主任研究員 (60390671)
• Project Period (FY): 2017-04-01 – 2019-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2018)
• Budget Amount: ¥5,200,000 (Direct Cost: ¥4,000,000、Indirect Cost: ¥1,200,000); Fiscal Year 2018: ¥2,600,000 (Direct Cost: ¥2,000,000、Indirect Cost: ¥600,000); Fiscal Year 2017: ¥2,600,000 (Direct Cost: ¥2,000,000、Indirect Cost: ¥600,000)
• Keywords: 化学物理 / 有機化学 / 計算化学 / 電子・電気材料 / 有機π電子系化合物 / 有機半導体 / 有機発光材料 / 有機結晶 / 超分子化学 / 高分子構造・物性 / 有機薄膜太陽電池 / 計算化学シミュレーション

Outline of Annual Research Achievements

(1)林正太郎講師(A02班、防衛大学校)のグループで合成および弾性的な曲げ応答特性とメカのクロミック特性が報告されたアントラセン誘導体結晶について弾性機構と発光機構を解明するために、第一原理密度汎関数理論(DFT)計算により結晶を曲げた際の構造をモデリングし、外力を加えた際の結晶の構造変化と相対安定性を評価する研究を行った。その結果、結晶の弾性極限以内でのa軸の大きな伸縮変化の振る舞いとその相対安定性性が弾性的な曲げ応答特性に重要な寄与をしていることを明らかにした。その際に、アントラセン分子が平面的に滑る構造変化をすることに伴い、π軌道性をもつHOMO、LUMOの重なりが変化することにより発光色が変化する機構が明らかとなった。
(2)平成29年度に斎藤雅一教授(A01班、埼玉大学)のグループにより合成され、関修平教授(A03班、京都大学)のグループにより時間分解マイクロ波分光(TRMC)法にて電子移動度が測定された含硫黄スマネン共有結合性有機骨格構造体(S-COF)を対象に、第一原理DFT計算によりバンド構造の計算を行い電子移動機構の解明した。ヨウ素ドープを行っていないS-COFのバンド構造は金属的であるが価電子帯の電子が量が少ないため電子移動度が低いが、ヨウ素ドープにより価電子帯の電子の量が大きくなる結果で電子移動度が大きくなる機構が明らかとなった。本結果はTRMC法による実験結果として報告されたヨウ素ドープによる大きな電子移動度向上をよく説明する結果となった。
(3)有機太陽電池や有機半導体に用いるドナー・アクセプターポリマーのHOMO-LUMOエネルギー差をHuckel理論に基づき効率的に外挿値を求める計算方法の開発を行った。380種類のポリマーを対象にテストを実施した所、周期境界条件に基づくDFT計算の結果をよく再現すると共に大幅な計算コスト削減を確認した。

Research Progress Status

平成30年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

平成30年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] A Simple Model for Relative Energies of All Fullerenes Reveals the Interplay between Intrinsic Resonance and Structural Deformation Effects in Medium-Sized Fullerenes (2019)
  • Author(s): Chan Bun、Kawashima Yukio、Dawson William、Katouda Michio、Nakajima Takahito、Hirao Kimihiko
  • Journal Title: Journal of Chemical Theory and Computation Volume: 15 Issue: 2 Pages: 1255-1264
  • DOI: 10.1021/acs.jctc.8b00981
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Extrapolation of polymer gap by combining cluster and periodic boundary condition calculations with Hueckel theory (2018)
  • Author(s): Imamura Yutaka、Tashiro Motomichi、Katouda Michio、Hada Masahiko
  • Journal Title: Chemical Physics Letters Volume: 707 Pages: 44-48
  • DOI: 10.1016/j.cplett.2018.07.023
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Automatic High-Throughput Screening Scheme for Organic Photovoltaics: Estimating the Orbital Energies of Polymers from Oligomers and Evaluating the Photovoltaic Characteristics (2017)
  • Author(s): Imamura Yutaka、Tashiro Motomichi、Katouda Michio、Hada Masahiko
  • Journal Title: Journal of Physical Chemistry C Volume: 121 Issue: 51 Pages: 28275-28286
  • DOI: 10.1021/acs.jpcc.7b08446
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] From Linear to Foldamer and Assembly: Hierarchical Transformation of a Coplanar Conjugated Polymer into a Microsphere (2017)
  • Author(s): Kushida Soh、Oki Osamu、Saito Hitoshi、Kuwabara Junpei、Kanbara Takaki、Tashiro Motomichi、Katouda Michio、Imamura Yutaka、Yamamoto Yohei
  • Journal Title: Journal of Physical Chemistry Letters Volume: 8 Issue: 18 Pages: 4580-4586
  • DOI: 10.1021/acs.jpclett.7b02102
  • Peer Reviewed
• [Presentation] ボウル型トリカルコゲナスを基本π骨格とする共有結合性有機構造体の構造・電子機構の理論的研究 (2018)
  • Author(s): 河東田道夫, 今村穣, 田代基慶
  • Organizer: 第21回理論化学討論会
• [Presentation] DFT Investigation of Structural and Electronic Properties of Covalent Organic Frameworks Containing Trichalcogenasumanene (2018)
  • Author(s): Michio Katouda, Yutaka Imamura, Motomichi Tashiro, Shunsuke Furukawa, Keisuke Hayashi, Masaichi Saito, Ichiro Hisaki, Daisuke Sakamaki, Shu Seki
  • Organizer: 16-ICQC (International Congress of Quantum Chemistry)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Performance evaluation of multi-GPU implementation of RI-MP2 (2017)
  • Author(s): M. Katouda, T. Nakajima
  • Organizer: GTC Japan 2017
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 全原子古典分子動力学シミュレーションによるカルバゾールデンドリマー分子集合構造の解析 (2017)
  • Author(s): 河東田道夫、田代基慶、今村穣
  • Organizer: 第31回分子シミュレーション討論会
• [Presentation] 計算科学による高効率な有機薄膜太陽電池材料の探索と設計 (2017)
  • Author(s): 今村穣，田代基慶，河東田道夫，波田雅彦
  • Organizer: 日本コンピュータ化学会2017秋季年会
• [Presentation] 分子動力学シミュレーションによるカルバゾールデンドリマーの分子集合過程の解明 (2017)
  • Author(s): 河東田道夫，田代基慶，今村穣
  • Organizer: 第11回分子科学討論会2017
• [Presentation] 次世代有機太陽電池に関する自動材料探索スキーム (2017)
  • Author(s): 今村穣，田代基慶，河東田道夫，波田雅彦
  • Organizer: 第11回分子科学討論会2017
• [Presentation] Molecular Dynamics Simulation Study of Self-organization of Carbazole Dendrimer (2017)
  • Author(s): M. Katouda, M. Tashiro, Y. Imamura
  • Organizer: WATOC 2017
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 計算科学による高効率な有機薄膜太陽電池材料の探索と設計 (2017)
  • Author(s): 今村穣，田代基慶，河東田道夫，波田雅彦
  • Organizer: 第20回理論化学討論会
• [Presentation] Massively parallel algorithm and implementation of RI-MP2 energy calculations for multi-GPU supercomputers (2017)
  • Author(s): M. Katouda, A. Naruse, Y. Hirano, T. Nakajima
  • Organizer: GTC2017
  • Int'l Joint Research / Invited