2021 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, 大学院工学研究科, 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 |
実験グループA02が薄膜合成に成功した、光で金属化するイットリウム酸水素化物の結晶構造と電子状態について、水素データ同化手法と第一原理計算を用いて調べ、金属化がイットリウム格子の八面体格子間サイトを占める水素原子の移動と電荷状態の変化に由来することを示した。またいくつかの水素化物の超伝導転移に関する計算を行い、ATiO2H(Aはアルカリ金属)では少量ホールドープ領域において分極と超伝導の共存相が安定化することを提案した。
第一原理経路積分分子動力学法を用いて、温度や密度の異なる条件下での水の構造を調べた結果、核量子効果が高温でも無視できず、亜臨界・超臨界状態でも水の分子内構造や近接水分子間の水素結合構造に影響することがわかった。また、ファンデルワールス補正を含んだ高精度な密度汎関数により、水の動径分布関数が実験データとよく一致することが明らかになった。分子構造が非対称な半重水（HDO）を含む常温の水では、軽水や重水に比べて乱れがあることもわかった。
金属上に吸着したメタン分子における核の量子効果を擬調和近似の範囲で種々の金属表面上で系統的に検討し、吸着の強さに応じた水素の同位体効果があることを明らかにした。逆同位体効果は水素-炭素結合長の伸長、すなわちソフト化に起因していることを明らかにした。また新しい水素貯蔵物質として最近合成されたホウ化水素（HB）ナノシートについて、その水分子に対する化学的安定性を評価・確認し、その安定性の起源を電子状態解析から明らかにした。
実験グループA03-2によるBaLiHOヒドリド伝導体中のH-高速導電性の原因を探るために、第一原理分子動力学計算を行った。平均二乗変位に基づく拡散係数などの解析からは導電性の異常が見られなかったが、リンデマン係数からは格子の部分溶融の兆候が見られるなど、高速導電性との関連を示唆するデータが得られた。
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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
実験グループとの連携研究が多数行われ、20編の論文が出版された。その中で、物質中での水素移動に伴う荷電状態変化や、さまざまな量子効果の現れ方が明らかになった。
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| Strategy for Future Research Activity |
実験グループのニーズをもとに、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拡張して、アモルファス物質も含め、さらに広い用途で活用できる汎用手法とする。
経路積分分子動力学法の高度化を進め、さまざまな結晶中での水素原子核の量子効果を系統的に調べる。
また水素の学理開拓に向け、光誘起金属化を示すイットリウム酸水素化物のような、結晶中の水素原子位置と荷電状態変化が材料物性を大きく左右する現象について、電子論に基づき理解を深める。
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[Journal Article] Repeatable Photoinduced Insulator-to-Metal Transition in Yttrium Oxyhydride Epitaxial Thin Films2022
Author(s)
Y. Komatsu, R. Shimizu, R. Sato, M. Wilde, K. Nishio, T. Katase, D. Matsumura, H. Saitoh, M. Miyauchi, J.R. Adelman, R.M.L. McFadden, D. Fujimoto, J.O. Ticknor, M. Stachura, I. McKenzie, G.D. Morris, W.A. MacFarlane, J. Sugiyama, K. Fukutani, S.i Tsuneyuki, and T. Hitosugi
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Journal Title
Chemistry of Materials
Volume: 34
Pages: 3616～3623
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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[Journal Article] Superconductivity at 253K in lanthanum-yttrium ternary hydrides2021
Author(s)
D. V. Semenok, I. A. Troyan, A. G. Ivanova, A. G. Kvashnin, I. A. Kruglov, M. Hanfland, A. V. Sadakov, O. A. Sobolevskiy, K. S. Pervakov, I. S. Lyubutin, K. V. Glazyrin, N. Giordano, D. N. Karimov, A. L. Vasiliev, R. Akashi, V. M. Pudalov, A. R. OganovArtem R.
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Journal Title
Materials Today
Volume: 48
Pages: 18～28
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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[Journal Article] Chemical stability of hydrogen boride nanosheets in water2021
Author(s)
Rojas Kurt Irvin M.、Cuong Nguyen Thanh、Nishino Hiroaki、Ishibiki Ryota、Ito Shin-ichi、Miyauchi Masahiro、Fujimoto Yoshitaka、Tominaka Satoshi、Okada Susumu、Hosono Hideo、Arboleda Nelson B.、Kondo Takahiro、Morikawa Yoshitada、Hamada Ikutaro
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Journal Title
Communications Materials
Volume: 2
Pages: 81-1-8
DOI
Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
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