2022 Fiscal Year Final Research Report

High precision prediction of hydrogen function by advanced simulations

Planned Research

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Project Area	HYDROGENOMICS: Creation of Innovative Materials, Devices, and Reaction Processes using Higher-Order Hydrogen Functions
Project/Area Number	18H05519
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	The University of Tokyo
Principal Investigator	Tsuneyuki Shinji 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 教授 (90197749)
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)
Project Period (FY)	2018-06-29 – 2023-03-31
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
Outline of Final Research Achievements	To elucidate the structure and physical properties of hydrogen-containing materials, which are difficult to observe, we have developed various first-principles simulation methods, including data assimilation structure search methods that accelerate structural simulations using limited experimental data, and highly efficient and sophisticated path integral molecular dynamics methods that enable quantitative evaluation of quantum effects of atomic nuclei. Using these methods, in collaboration with experimental groups in this area, we have elucidated the mechanisms of hydrogen functionality, including hydrogen or hydride diffusion in solids, water structure and ionization, insulator-metal transition in solids due to hydrogen transfer, and molecular adsorption structure on hydrogen conversion catalysts. This revealed that quantum effects and changes in the charge state of hydrogen atoms in solids and liquids lead to changes in various physical properties of materials.
Free Research Field	計算物質科学
Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements	物質中での水素原子核の量子効果が、水の電離度など予想以上に多様な形であらわれることが示されたこと、物質内での水素移動にともなう荷電状態の変化がデバイス応用も期待できるほどの大きな物性変化をもたらすことを理論的に裏づけたことは、水素を含む材料の研究全般にインパクトを与える成果である。また限られた実験データを利用して物質の構造解明を可能にするデータ同化構造探索手法は汎用性が高く、高圧実験やコンビナトリアル実験手法と組み合わせてさまざまな材料研究に利用することができる。この成果は、実験とシミュレーションを相補的に利用する材料研究のためのデジタルツイン構築へとつながるものである。