Deuterium enrichment mechanism in interstellar molecular clouds by novel quantum chemistry considering nuclear quantum effect

• Project Area: Next Generation Astrochemistry: Reconstruction of the Science Based on Fundamental Molecular Processes
• Project/Area Number: 23H03993
• Research Category: Grant-in-Aid for Transformative Research Areas (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Transformative Research Areas, Section (II)
• Research Institution: Yokohama City University
• Principal Investigator: 立川 仁典 横浜市立大学, 生命ナノシステム科学研究科(八景キャンパス), 教授 (00267410)
• Project Period (FY): 2023-04-01 – 2025-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥5,200,000 (Direct Cost: ¥4,000,000、Indirect Cost: ¥1,200,000); Fiscal Year 2024: ¥2,600,000 (Direct Cost: ¥2,000,000、Indirect Cost: ¥600,000); Fiscal Year 2023: ¥2,600,000 (Direct Cost: ¥2,000,000、Indirect Cost: ¥600,000)
• Keywords: 重水素濃縮 / H/D同位体効果 / 多成分系分子理論 / 水素の量子効果

Outline of Research at the Start

重水素濃縮現象は星間塵を覆う氷表面において数多く観測されているものの、その濃縮機構は不明である。そこで本研究では、立川が独自に開発・実装してきた、水素原子の量子力学的効果を直接考慮できる新しい量子化学である、(1) 量子多成分系分子理論の高度化とデータ科学との融合による新規システムの構築により、(2) 星間分子雲における重水素体の生成機構を解明する。申請者の量子化学手法と実験研究者との有機的な結びつきにより、「次世代アストロケミストリー」の推進に大きく貢献する。

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、立川が独自に開発・実装してきた、水素原子の量子力学的効果を直接考慮できる新しい量子化学である、(1) 量子多成分系分子理論の高度化とデータ科学との融合による新規システムの構築により、(2) 星間分子雲における重水素体の生成機構を解明する。具体的には、立川の量子多成分系分子理論を軸に、周囲環境を階層的に取り込む多階層マルチスケール法やさらにはデータ科学手法を実装する。これにより、氷表面におけるH2COやCH3OH分子の重水素体の生成反応や、重水素化有機物の生成反応を計算し、重水素濃縮機構の解明に挑む。
本年度は、量子多成分系分子理論の高度化として、立川が開発した量子多成分系分子理論において、ハイブリッド手法を導入した。一方、星間塵氷表面での水素の量子効果を含めた化学反応の計算を実現するために、周囲環境の効果を計算レベルに応じて階層的な場として繰り込む多階層マルチスケール手法を開発した。具体的計算としては、まずはCOへのH・D原子付加および引き抜き反応に焦点を充て、CO分子へのH原子とD原子の付加反応を計算した。現在、氷表面も含めた生成反応に関する大規模精密計算のための準備計算を行っている。また、研究協力者の桑畑は、氷構造の相転移計算を実施した。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

本年度は、囲環境の効果を計算レベルに応じて階層的な場として繰り込む多階層マルチスケール手法を開発した。具体的計算としては、まずはCOへのH・D原子付加および引き抜き反応に焦点を充て、CO分子へのH原子とD原子の付加反応を計算した。た、研究協力者の桑畑は、氷構造の相転移計算を実施した。

Strategy for Future Research Activity

本研究では、立川が独自に開発・実装してきた、水素原子の量子力学的効果を直接考慮できる新しい量子化学である、(1) 量子多成分系分子理論の高度化とデータ科学との融合による新規システムの構築により、(2) 星間分子雲における重水素体の生成機構を解明する。具体的には、立川の量子多成分系分子理論を軸に、周囲環境を階層的に取り込む多階層マルチスケール法やさらにはデータ科学手法を実装する。これにより、氷表面におけるH2COやCH3OH分子の重水素体の生成反応や、重水素化有機物の生成反応を計算し、重水素濃縮機構の解明に挑む。
本年度は、量子多成分系分子理論の高度化として、立川が開発した量子多成分系分子理論を軸に、囲環境の効果を計算レベルに応じて階層的な場として繰り込む多階層マルチスケール手法を高度化する。また具体的計算としては、氷表面におけるCOへのH・D原子付加および引き抜き反応に焦点を充てる。H2COやCH3OH分子は、星間塵を覆う氷表面において、CO分子にH原子が逐次付加反応によって生成する。実際の分子雲では付加反応だけではなく、H原子によるD原子の引き抜き反応も提案されている。そこで、氷表面も含めた生成反応に関する大規模精密計算を実施し、星間分子雲における重水素濃縮を議論する。

Research Products

• [Int'l Joint Research] チェンマイ大学/ウボンラチャタニ大学(タイ)
• [Journal Article] Theoretical investigations of positron affinities and their structure-dependent properties of carbon dioxide clusters (CO2)n(n=1~5) (2023)
  • Author(s): Miku Furushima, Makito Takagi, Daisuke Yoshida, Yukiumi Kita, Tomomi Shimazaki and Masanori Tachikawa
  • Journal Title: Physical Chemistry Chemical Physics Volume: 25 Issue: 1 Pages: 625-632
  • DOI: 10.1039/d2cp03788b
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Improved activity for the oxygen evolution reaction using a tiara-like thiolate-protected nickel nanocluster (2023)
  • Author(s): Funaki Sota、Kawawaki Tokuhisa、Okada Tomoshige、Takemae Kana、Hossain Sakiat、Niihori Yoshiki、Naito Takumi、Takagi Makito、Shimazaki Tomomi、Kikkawa Soichi、Yamazoe Seiji、Tachikawa Masanori、Negishi Yuichi
  • Journal Title: Nanoscale Volume: 15 Issue: 11 Pages: 5201-5208
  • DOI: 10.1039/d2nr06952k
  • Peer Reviewed / Open Access
• [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] Metal Single‐Atom Cocatalyst on Carbon Nitride for the Photocatalytic Hydrogen Evolution Reaction: Effects of Metal Species (2023)
  • Author(s): Akinaga Yuki、Kawawaki Tokuhisa、Kameko Hinano、Yamazaki Yuki、Yamazaki Kenji、Nakayasu Yuhi、Kato Kosaku、Tanaka Yuto、Hanindriyo Adie Tri、Takagi Makito、Shimazaki Tomomi、Tachikawa Masanori、Yamakata Akira、Negishi Yuichi
  • Journal Title: Advanced Functional Materials Volume: 33 Issue: 33 Pages: 23033211-8
  • DOI: 10.1002/adfm.202303321
  • Peer Reviewed / Open Access
• [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] Stability and bonding nature of positronic lithium molecular dianion (2023)
  • Author(s): Ito Shumpei、Yoshida Daisuke、Kita Yukiumi、Shimazaki Tomomi、Tachikawa Masanori
  • Journal Title: The Journal of Chemical Physics Volume: 158 Issue: 20 Pages: 204303-204303
  • DOI: 10.1063/5.0150246
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Computational analysis of H/D isotope effect on adsorption of water and its dissociated species on Pt(111) surface (2023)
  • Author(s): Nasu Kazuma、Sakagami Hiroki、Kanematsu Yusuke、Rivera Rocabado David S.、Shimazaki Tomomi、Tachikawa Masanori、Ishimoto Takayoshi
  • Journal Title: AIP Advances Volume: 13 Issue: 6 Pages: 065305-065305
  • DOI: 10.1063/5.0151660
  • Peer Reviewed / Open Access
• [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] Theoretical Study of the Molecular Passivation Effect of Lewis Base/Acid on Lead-Free Tin Perovskite Surface Defects (2023)
  • Author(s): Naito Takumi、Takagi Makito、Tachikawa Masanori、Yamashita Koichi、Shimazaki Tomomi
  • Journal Title: The Journal of Physical Chemistry Letters Volume: 14 Issue: 29 Pages: 6695-6701
  • DOI: 10.1021/acs.jpclett.3c01450
  • 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] Analysis of the structural H/D isotope effect with an excess proton/deuteron in light/heavy water solvent using path integral molecular dynamics simulations (2023)
  • Author(s): Tatenuma Kazuki、Takagi Makito、Shimazaki Tomomi、Tachikawa Masanori
  • Journal Title: Bulletin of the Chemical Society of Japan Volume: 97 Issue: 1
  • DOI: 10.1093/bulcsj/uoad009
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Molecular Dynamics Study on the Structure-Property Relationship of Self-Assembled Gear-Shaped Amphiphile Molecules with/without Methyl Groups (2022)
  • Author(s): Murata Moe、Koide Takuya、Kobayashi Osamu、Hiraoka Shuichi、Shimazaki Tomomi、Tachikawa Masanori
  • Journal Title: The Journal of Physical Chemistry B Volume: 127 Issue: 1 Pages: 328-334
  • DOI: 10.1021/acs.jpcb.2c07444
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Quantum Monte Carlo study on positron binding to atomic anion dimers (2023)
  • Author(s): Masanori Tachikawa
  • Organizer: ICPEAC2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Quantum Monte Carlo study on positron binding to atomic anion dimers (2023)
  • Author(s): Masanori Tachikawa
  • Organizer: POSMOL2023
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Quantum Monte Carlo study on positron binding to atomic anion dimers (2023)
  • Author(s): Masanori Tachikawa
  • Organizer: TACC2023
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Path integral simulation for H/D isotope effect in protonated/deuterated aqueous solution (2023)
  • Author(s): Masanori Tachikawa
  • Organizer: CCM-2023
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] H/D Isotope Effect in protonated/deuterated aqueous solution (2023)
  • Author(s): Masanori Tachikawa
  • Organizer: Fifth JSPSAAA Annual Symposium
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Muonium and Positron Binding to Molecules (2023)
  • Author(s): Masanori Tachikawa
  • Organizer: 第二回冷却分子・精密分光シンポジウム
  • Invited
• [Book] 計算化学（第３版） (2023)
  • Author(s): フランク・ジェンセン (原著)、後藤仁志（監訳）、立川仁典（監訳）、長嶋雲兵（監訳）
  • Total Pages: 912
  • Publisher: 森北出版
• [Remarks] 横浜市立大学量子物理化学研究室（立川・島崎・北グループ）
  • URL: http://www-user.yokohama-cu.ac.jp/~tachi/index.html
• [Funded Workshop] 8th Japan-Thai workshop on Theoretical and Computational Chemistry 2023 (2024)