第一原理計算を用いた分子動力学法の開発と界面への応用

• Project Area: Science on Function of Soft Molecular Systems by Cooperation of Theory and Experiment
• Project/Area Number: 26104522
• 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: Osaka University
• Principal Investigator: 大戸 達彦 大阪大学, 基礎工学研究科, 助教 (90717761)
• Project Period (FY): 2014-04-01 – 2016-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2015)
• Budget Amount: ¥4,810,000 (Direct Cost: ¥3,700,000、Indirect Cost: ¥1,110,000); Fiscal Year 2015: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000); Fiscal Year 2014: ¥3,510,000 (Direct Cost: ¥2,700,000、Indirect Cost: ¥810,000)
• Keywords: 第一原理分子動力学法 / 気液界面 / 和周波発生分光 / 密度汎関数法 / 分子動力学法 / 固液界面

Outline of Annual Research Achievements

界面付近に存在する少数の分子の構造とダイナミクスを分子レベルで理解することで、より自在な浸透性や濡れ性の設計が可能になると期待される。全原子分子動力学（MD）シミュレーションは、物質の挙動を分子レベルで理解するための強力な手法である。原子間相互作用を古典力場で表現した古典MDシミュレーションが広く行われており、分子からなる系に対しては特に有効であるが、古典力場は質点としての原子同士の相互作用に基づいて構築されており、非局在化した電荷分布や方向性のある化学結合を表現しにくいという弱点がある。そこで、最小限のパラメータから様々な物質を計算することのできる第一原理計算MDシミュレーションが強く望まれる。本研究では浸透圧調節物質として重要なトリメチルアミンオキサイド（TMAO）と水の混合物の第一原理MDシミュレーションを行い、これまでの古典MDシミュレーションでは再現できていなかった、TMAOの酸素まわりに水素結合するOH伸縮振動ピークの赤方偏移を再現した。これは第一原理計算によって水素結合の方向性を記述することができるためであり、今後の古典力場構築の指針としても重要になる結果である。さらに、界面近傍の分子の振動を検出することのできる和周波発生（SFG）分光スペクトルをシミュレーションすることで、実験結果と照らし合わせながら界面での水の挙動を明らかにしてきた。限定されたトラジェクトリからもSFGスペクトルを計算できるよう、SFG応答関数に対応した表面選択的速度・速度相関関数とそれに基づいたSFGスペクトルの表式を導出した。この表式の有効性を実証した上で、水／空気界面の第一原理MDトラジェクトリからSFGスペクトルを計算し、最新の実験結果と一致する結果を得ることができた。

Research Progress Status

27年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

27年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] マックスプランクポリマー研究所(ドイツ)
• [Journal Article] Molecular Modeling of Water Interfaces: From Molecular Spectroscopy to Thermodynamics (2016)
  • Author(s): Yuki Nagata, Tatsuhiko Ohto, Ellen H.G. Backus, and Mischa Bonn
  • Journal Title: Journal of Physical Chemistry B Volume: 未定 Issue: 16 Pages: 3785-3796
  • DOI: 10.1021/acs.jpcb.6b01012
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Impedance spectroscopy of organic magnetoresistance devices – Effect of interface disorder (2015)
  • Author(s): Marine Fayolle, Mariko Yamaguchi, Tatsuhiko Ohto, and Hirokazu Tada
  • Journal Title: Journal of Applied Physics Volume: 117 Issue: 7
  • DOI: 10.1063/1.4913272
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Ab initio liquid water dynamics in aqueous TMAO solution (2015)
  • Author(s): Kota Usui, Johannes Hunger, Marialore Sulpizi, Tatsuhiko Ohto, Mischa Bonn, and Yuki Nagata
  • Journal Title: Journal of Physical Chemistry B Volume: 119 Issue: 33 Pages: 10597-10606
  • DOI: 10.1021/acs.jpcb.5b02579
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] The surface roughness, but not the water molecular orientation varies with temperature at the water-air interface (2015)
  • Author(s): Yuki Nagata, Taisuke Hasegawa, Ellen H. G. Backus, Kota Usui, Seiji Yoshimune, Tatsuhiko Ohto and Mischa Bonn
  • Journal Title: Phys. Chem. Chem. Phys. Volume: 17 Issue: 36 Pages: 23559-23564
  • DOI: 10.1039/c5cp04022a
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Toward ab initio molecular dynamics modeling for sum-frequency generation spectra; an efficient algorithm based on surface-specific velocity-velocity correlation function (2015)
  • Author(s): Tatsuhiko Ohto, Kota Usui, Taisuke Hasegawa, Mischa Bonn and Yuki Nagata
  • Journal Title: Journal of Chemical Physics Volume: 143 Issue: 12 Pages: 124702-10
  • DOI: 10.1063/1.4931106
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Lipid carbonyl groups terminate the hydrogen bond network of membrane-bound water (2015)
  • Author(s): Tatsuhiko Ohto, Ellen H. G. Backus, Cho-Shuen Hsieh, Marialore Sulpizi, Mischa Bonn and Yuki Nagata
  • Journal Title: Journal of Physical Chemistry Letters Volume: 6 Issue: 22 Pages: 4499-4503
  • DOI: 10.1021/acs.jpclett.5b02141
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Determination of the mechanism behind the organic magnetoresistance by using impedance spectroscopy (2015)
  • Author(s): Marine Fayolle, Mariko Yamaguchi, Song Toan Pham, Tatsuhiko Ohto, and Hirokazu Tada
  • Journal Title: International Journal of Nanotechnology Volume: 12 Issue: 3/4 Pages: 238-247
  • DOI: 10.1504/ijnt.2015.067209
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Single molecular resistive switch obtained via sliding multiple anchoring points and varying effective wire length (2014)
  • Author(s): M. Kiguchi, T. Ohto, S. Fujii, K. Sugiyasu, S. Nakajima, M. Takeuchi, and H. Nakamura
  • Journal Title: J. Am. Chem. Soc. Volume: 136 Issue: 20 Pages: 7327-7332
  • DOI: 10.1021/ja413104g
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Influence of surface polarity on water dynamics at the water/rutile TiO2(110) interface (2014)
  • Author(s): Tatsuhiko Ohto, Ankur Mishra, Seiji Yoshimune, Hisao Nakamura, Mischa Bonn and Yuki Nagata
  • Journal Title: Journal of Physics: Condensed Matter Volume: 26 Issue: 24 Pages: 244102-244102
  • DOI: 10.1088/0953-8984/26/24/244102
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Thermopower of Benzenedithiol and C60 Molecular Junctions with Ni and Au Electrodes (2014)
  • Author(s): See Kei Lee , Tatsuhiko Ohto , Ryo Yamada , and Hirokazu Tada
  • Journal Title: Nano Letteters Volume: 14 Issue: 9 Pages: 5276-5280
  • DOI: 10.1021/nl502305e
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Presentation] Toward ab initio molecular dynamics modeling for sum-frequency generation spectra; an efficient algorithm based on surface-specific velocity-velocity correlation function (2015)
  • Author(s): Tatsuhiko Ohto, Kota Usui, Taisuke Hasegawa, Mischa Bonn and Yuki Nagata
  • Organizer: Pacifichem 2015
  • Place of Presentation: Hawaii Convention Center, Honolulu, USA
  • Year and Date: 2015-12-19
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] On the hydration structure and dynamics near hydrophilic/hydrophobic group: A view from ab initio molecular dynamics simulation (2015)
  • Author(s): Tatsuhiko Ohto
  • Organizer: IBS Colloquium
  • Place of Presentation: Korea University, Seoul, Korea
  • Year and Date: 2015-09-24
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Development of molecular dynamics method with the aid of first-principles calculations and application to the interface (2015)
  • Author(s): Tatsuhiko Ohto
  • Organizer: International Symposium on "Studying the Function of Soft Molecular Systems
  • Place of Presentation: Miraikan Hall, Tokyo, Japan
  • Year and Date: 2015-07-10
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Ni-C60-Niスピンバルブ素子の第一原理計算 (2015)
  • Author(s): 大戸達彦，山田亮，夛田博一
  • Organizer: 第６２回応用物理学会春季学術講演会
  • Place of Presentation: 日本大学船橋キャンパス
  • Year and Date: 2015-03-11 – 2015-03-14
• [Presentation] First-Principles Study of Thermoelectric Properties of Ni-Molecule-Ni Junction (2014)
  • Author(s): Tatsuhiko Ohto, See Kei Lee, Ryo Yamada and Hirokazu Tada
  • Organizer: The 2014 Asian Conference on Nanoscience and Nanotechnology (AsiaNANO 2014)
  • Place of Presentation: Ramada Plaza Jeju Hotel, Jeju, Korea
  • Year and Date: 2014-10-27 – 2014-10-29
• [Presentation] First-principles calculation of molecular junctions with ferromagnetic electrodes for spintronics and thermoelectronics (2014)
  • Author(s): Tatsuhiko Ohto, See Kei Lee, Ryo Yamada and Hirokazu Tada
  • Organizer: Mini-Symposium on Recent progress in single molecule electronics and single molecule magnets
  • Place of Presentation: Osaka University
  • Year and Date: 2014-10-09
• [Presentation] Ni-ベンゼンジチオール-Ni接合の熱起電力の第一原理計算 (2014)
  • Author(s): 大戸達彦，See Kei Lee，山田亮，夛田博一
  • Organizer: 第７５回応用物理学会秋季学術講演会
  • Place of Presentation: 北海道大学
  • Year and Date: 2014-09-17 – 2014-09-20