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Elucidation of synergistic effects and dynamic properties of hyper-ordered structures using large-scale quantum chemical calculations and crystal structure database

Publicly Offered Research

Project AreaProgressive condensed matter physics inspired by hyper-ordered structures
Project/Area Number 21H05544
Research Category

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

Allocation TypeSingle-year Grants
Review Section Transformative Research Areas, Section (II)
Research InstitutionHokkaido University

Principal Investigator

小林 正人  北海道大学, 理学研究院, 准教授 (40514469)

Project Period (FY) 2021-09-10 – 2023-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2022)
Budget Amount *help
¥7,800,000 (Direct Cost: ¥6,000,000、Indirect Cost: ¥1,800,000)
Fiscal Year 2022: ¥3,900,000 (Direct Cost: ¥3,000,000、Indirect Cost: ¥900,000)
Fiscal Year 2021: ¥3,900,000 (Direct Cost: ¥3,000,000、Indirect Cost: ¥900,000)
Keywords超秩序構造 / 大規模計算 / 準安定結晶構造 / データベース / 反応経路自動探索 / 量子化学 / 分子動力学 / 位相的データ解析 / 理論化学 / 大規模系計算 / 結晶構造
Outline of Research at the Start

「シナジー効果」と「動的特性」の2点に焦点を当て、超秩序構造材料の機能発現機構を原子レベルで解明するための計算化学プラットフォームを構築して領域内の融合研究に利用する。具体的には、(1)多様な超秩序構造材料の大規模量子分子動力学計算を実現するプログラムの開発と応用、(2)準安定結晶構造データベースとパーシステント・ホモロジー解析を利用したアモルファス構造と結晶構造の対応付けを行う。プラットフォーム構築と応用研究を通じて、超秩序構造の学理形成に資する。

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、(1)多様な超秩序構造材料の大規模量子分子動力学計算を実現するプログラムの開発と、(2)準安定結晶構造データベースとパーシステント・ホモロジー解析を利用したアモルファス-結晶の構造相関解析手法の開発を推進することにより、超秩序構造材料の機能発現機構を原子レベルで解明する計算化学プラットフォームを構築し、領域内の融合研究に利用する。
(1)に関して、昨年度開発した複合欠陥の大規模量子化学計算手法であるDC-xTB法のプログラムを拡張し、周期境界条件計算に対応した。本プログラムではエネルギー勾配の算定も可能であり、分子動力学計算に利用することもできる。また、部分状態密度(PDOS)のような電子状態を見ることも可能であり、これらの機能を利用した領域内共同研究も展開した。
(2)に関して、これまでSiO2とTiO2、MgOのデータベースを作成してきたが、本年度はSiO2と同様にガラス形成能の高いGeO2、また、酸化物以外で比較的ガラス形成能の高いZnCl2の準安定結晶構造データベースを作成し、そのパーシステント・ホモロジー解析を行った。低エネルギー準安定構造のダイアグラムを重ね合わせると、GeO2はSiO2と同様の傾向が見られたが、ZnCl2は低エネルギー準安定構造の数が非常に多く、酸化物と同様には比較できないことがわかった。
その他、領域内の融合研究として、GRRMを用いた4-ヒドロキシメチルフルフラールからのフミン生成初期過程の探索、パーシステント・ホモロジーを用いた反応経路地図の特徴量抽出法の開発、などを行った

Research Progress Status

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Report

(2 results)
  • 2022 Annual Research Report
  • 2021 Annual Research Report
  • Research Products

    (14 results)

All 2023 2022 2021

All Journal Article (1 results) (of which Peer Reviewed: 1 results) Presentation (13 results) (of which Int'l Joint Research: 3 results,  Invited: 5 results)

  • [Journal Article] Divide-and-Conquer Linear-Scaling Quantum Chemical Computations2023

    • Author(s)
      H. Nakai, M. Kobayashi, T. Yoshikawa, J. Seino, Y. Ikabata, Y. Nishimura
    • Journal Title

      The Journal of Physical Chemistry A

      Volume: 127 Issue: 3 Pages: 589-618

    • DOI

      10.1021/acs.jpca.2c06965

    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Presentation] DC-xTB-MD法: 複合欠陥を含む超大規模系の量子分子動力学計算手法の開発2023

    • Author(s)
      藤原孝太郎・西田叡倫・小林正人・武次徹也
    • Organizer
      化学系学協会北海道支部2023年冬季研究発表会
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] Characterizing Reaction Route Map of Realistic Molecular Reactions based on Weight Rank Clique Filtration of Persistent Homology2023

    • Author(s)
      B. Murayama, M. Kobayashi, M. Aoki, S. Ishibashi, T. Saito, T. Nakamura, H. Teramoto, and T. Taketsugu
    • Organizer
      10th conference of the Asia Pacific Association of Theoretical and Computational Chemistry (APATCC-10)
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Toward large-scale quantum chemical calculations with annealers: Divide-and-conquer (DC) and annealing + Bayesian-optimization configuration interaction (ABCI) methods2023

    • Author(s)
      M. Kobayashi
    • Organizer
      10th conference of the Asia Pacific Association of Theoretical and Computational Chemistry (APATCC-10)
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] DC-xTB法: 複合欠陥を含む超大規模系の量子化学計算手法の開発2022

    • Author(s)
      藤原孝太郎・西田叡倫・小林正人・武次徹也
    • Organizer
      第24回理論化学討論会
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] 大規模量子化学計算法divide-and-conquer法の現在と展望2022

    • Author(s)
      小林正人
    • Organizer
      日本コンピュータ化学会 20周年記念シンポジウム
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] Large-scale quantum chemical calculations based on divide-and-conquer (DC) method: Recent developments and future prospects2022

    • Author(s)
      M. Kobayashi
    • Organizer
      T2CoMSA monthly talk
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] バイオマス由来HMFのフミン化とアセタール保護によるその抑制に関する計算化学的研究2022

    • Author(s)
      田代啓介・小林正人・中島清隆・武次徹也
    • Organizer
      シンポジウム「化学反応経路探索のニューフロンティア2022」
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] 準安定結晶構造探索とパーシステント・ホモロジー解析によるアモルファス構造と結晶構造の橋渡し2022

    • Author(s)
      小林正人・宮越洸二・斉田謙一郎・小野寺陽平・志賀元紀・小原真司・武次徹也
    • Organizer
      シンポジウム「化学反応経路探索のニューフロンティア2022」
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] 反応経路に基づくフミン生成反応の計算化学的研究2022

    • Author(s)
      田代啓介・小林正人・中島清隆・武次徹也
    • Organizer
      分子科学討論会2022横浜
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] Weight Rank Clique Filtrationを用いたパーシステント・ホモロジーによる実在分子の反応経路地図の可視化2022

    • Author(s)
      村山武来・小林正人・青木雅允・石橋卓・齋藤琢弥・中村壮伸・寺本央・武次徹也
    • Organizer
      分子科学討論会2022横浜
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] 大規模量子化学計算法divide-and-conquer法の現在と展望2022

    • Author(s)
      小林正人
    • Organizer
      2022年度第1回計算科学フォーラム
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] 重み付きグラフに対するパーシステント・ホモロジー解析と化学反応経路地図への応用2022

    • Author(s)
      小林正人・青木雅允・村山武来・石橋卓・齋藤琢弥・中村壮伸・寺本央・武次徹也
    • Organizer
      TDA-MI Workshop 2022
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] ヒドロキシメチルフルフラールからのフミン生成に対する反応経路解析2021

    • Author(s)
      田代啓介・小林正人・中島清隆・武次徹也
    • Organizer
      シンポジウム「化学反応経路探索のニューフロンティア2021」
    • Related Report
      2021 Annual Research Report

URL: 

Published: 2021-10-22   Modified: 2023-12-25  

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