2020 Fiscal Year Annual Research Report
High precision prediction of hydrogen function by advanced simulations
| Project Area | HYDROGENOMICS: Creation of Innovative Materials, Devices, and Reaction Processes using Higher-Order Hydrogen Functions |
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| Project/Area Number |
18H05519
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
常行 真司 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 教授 (90197749)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
志賀 基之 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構, システム計算科学センター, 研究主幹 (40370407)
濱田 幾太郎 大阪大学, 工学研究科, 准教授 (80419465)
杉野 修 東京大学, 物性研究所, 教授 (90361659)
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| Project Period (FY) |
2018-06-29 – 2023-03-31
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| Keywords | 水素 / ハイドロジェノミクス / 高次水素機能 / 第一原理計算 / データ同化 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
水素データ同化に粉末回折実験データの強度を直接用いる相関関数型ペナルティー関数を導入した。この改良により、実験データが大きなノイズを含む場合にも水素データ同化が可能であることを確認した。またX線と中性子の粉末回折実験データを同時に用いる手法を開発し、これにより結晶構造決定の成功率が向上することを示した。
第一原理経路積分計算を用いて水素の量子効果を取り入れ、水溶液における酸解離定数を非経験的計算で正しく評価することに初めて成功した。古典論では水の自己解離定数pKwを過大評価する問題が知られていたが、水素の量子ゆらぎは水分子の解離を大きく促進し、pKwを4程度下げる効果があることを見出し、重水のpKwが軽水のそれよりも高い理由も説明することができた。この研究を通じて、酸・塩基性の基本的指標である酸解離定数の精緻な予測において、水素の量子効果の考慮が不可欠であることが明らかとなった。
ギ酸分子（HCOOH）は水素キャリアの候補の一つとして研究が行われている。HCOOHは表面上で凝集体を形成する。さらに昇温により脱水素化しフォルメイト（HCOO）となり、昇温する温度に依存したHCOOH-HCOO複合体超構造を形成する。しかしながらそれらの構造は決定されていなかった。本研究では走査型トンネル顕微鏡、非接触原子間力顕微鏡およびDFT計算により銅(111)表面上に形成されたHCOOHおよびHCOOH-HCOO複合体の凝集体超構造の決定に成功した。
A03-2班の小林グループと共同でH-導電体Ba56Li32H88O28の研究を行い、超イオン導電体としての機能性を調べた。実験から推定された構造に基づき第一原理分子動力学シミュレーションを行い、高温相においてH-がLi+と相関しながら拡散する様子(協奏的拡散)を捉え、それが高速なH-伝導の原因になっていることを示唆した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
水素データ同化手法による結晶構造予測の成功率が大きく向上し、より実用的な手法になった。
経路積分第一原理分子動力学法により、水素を含む物質で、原子核の量子効果が本質的に重要であることを示す事例が見つかった。
そのほか、領域内外の実験グループとの連携が進み、水素を含む様々な系の構造やダイナミクスのシミュレーションが進展した。
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| Strategy for Future Research Activity |
不完全な回折実験データを利用する水素データ同化構造探索手法を用いて、計画研究A01、A02、A05-1、および領域外の研究グループと連携して、水素を含む結晶の実験データを用いた実証計算を行う。とくに水素が重要な役割を果たすイオン伝導体の動的構造と、水素を含む新規材料の構造を明らかにする。
アモルファス氷中ミューオンの計算（A05-1との連携）、有機プロトン伝導体の計算(A03-2との連携)を行うとともに、金属中水素拡散の計算、水溶液や水素結合系誘電体の構造に関する経路積分計算、PIMD コードの拡張（A05-2内部連携、機械学習ポテンシャルの実装など）を進める。中性子実験との共同研究を模索する（A05-1, A01と連携）。
A03-2と連携してヒドリド伝導体中の水素イオンとリチウムイオンの協奏的拡散機構を解明する。第一原理からの分子動力学法・モンテカルロ計算手法を用いて拡散と構造相転移の関連を明らかにする。また、ほかの班と広く連携して物質中の水素イオン拡散に関する学理を構築する。
A04を中心とした研究計画および領域内外の実験グループと連携し、表面吸着分子系における水素の同位体効果の起源の解明、ギ酸およびフォルメートの表面吸着状態および反応素過程の解明、ホウ化水素シートからの水素発生のメカニズムの解明などに取り組む。酸化物中のプロトン拡散に関する研究にも取り組む。
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Research Products
(23 results)
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[Journal Article] Anomalous High‐Temperature Superconductivity in YH62021
Author(s)
I. A. Troyan, D. V. Semenok, A. G. Kvashnin, A. V. Sadakov, O. A. Sobolevskiy, V. M. Pudalov, A. G. Ivanova, V. B. Prakapenka, E. Greenberg, A. G. Gavriliuk, I. S. Lyubutin, V. V. Struzhkin, A. Bergara, I. Errea, R. Bianco, M. Calandra, F. Mauri, L. Monacelli, R. Akashi, A. R. Oganov
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Journal Title
Advanced Materials
Volume: 33
Pages: 2006832-1-10
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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[Journal Article] Polarity reversal of the charge carrier in tetragonal TiHx (x=1.6-2.0) at low temperatures2020
Author(s)
R. Shimizu, Y. Sasahara, I. Hamada, H. Oguchi, S. Ogura, T. Shirasawa, M. Kitamura, K. Horiba, H. Kumigashira, S. Orimo, K. Fukutani, and T. Hitosugi
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Journal Title
Phys. Rev. Research
Volume: 2
Pages: 033467-1-9
DOI
Peer Reviewed / Open Access
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