2021 Fiscal Year Annual Research Report
大規模・高精度な第一原理計算による超秩序構造の機能解明とデザイン
| Project Area | Progressive condensed matter physics inspired by hyper-ordered structures |
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20H05883
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| Research Institution | National Institute for Materials Science |
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Principal Investigator |
中田 彩子 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 国際ナノアーキテクトニクス研究拠点, 主任研究員 (20595152)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
鷹野 優 広島市立大学, 情報科学研究科, 教授 (30403017)
森川 良忠 大阪大学, 工学研究科, 教授 (80358184)
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| Project Period (FY) |
2020-11-19 – 2025-03-31
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| Keywords | 超秩序構造 / 大規模第一原理計算 / 大域的構造探索 / 金属含有タンパク質 / 物性物理 / 理論化学 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
近年、ナノスケールの中距離秩序構造である「超秩序構造」が非晶質や生体材料、複合欠陥等の非周期構造を持つ材料の物性・機能に寄与することが指摘されつつある。本研究班では、「超秩序構造」を持つ物質の詳細な構造、物性や反応性を大規模第一原理計算により高精度に解明、予測することを目指す。
本年度は、領域がターゲットとする超秩序構造物質の構造や電子状態の解析、また超秩序構造解析のための手法構築に取り組んだ。
物材機構のグループでは、ゼオライトのAl置換や分子吸着の骨格依存性の解析を行った。Al置換サイトの安定性の差は非常に小さく、また隣接する孔に存在するAlからの影響も小さいことが示された。一方で、Alが隣接して存在する場合には大きな不安定化が見られた。また、N2O分子の吸着は物理吸着が主であるのに対し、競合するH2O分子の吸着では骨格内のO原子との水素結合による安定化のためN2O吸着より有利であることが示された。また、シリカのアモルファス構造の大規模第一原理計算および機械学習力場の作成、局所構造解析に取り組んだ。
阪大のグループでは、誘電材料における異種元素ドープによる巨大誘電応答に関して、ドーパント周りの局所原子構造と、その構造に起因する誘電応答への影響の解析を行った。ドーパント周囲の電荷変化によるスモールポーラロン形成が原子位置にずれを生じさせることを明らかにし、原子分解能ホログラフィー測定と連携しながら、局所構造の解明に取り組んだ。
広島市大のグループでは、金属含有タンパク質内の「超秩序構造」が生み出す機能の解明に取り組んだ。植物型フェレドキシン内の[2Fe-2S]クラスターに関して、酸化型と還元型でのクラスターの歪みの違いやその起源について明らかにした。また、機械学習手法の一つであるランダムフォレストを用いてヘムタンパク質の機能分類器の作成・評価を行った。
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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
全てのメンバーが実験との共同研究について議論し、進捗が見られている。装置の導入や研究員の雇用も順調に行われた。
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| Strategy for Future Research Activity |
物材機構ではゼオライトの分子吸着に関して、格子の形状と吸着性能との相関の解析を行う。また、領域内のトポロジー解析と連携して、吸着構造探索の効率化を目指す。Liイオン電池負極に関しては、大規模第一原理計算により異なるNb配置を持つ様々な構造の比較を行い、安定性や電子状態、およびLiイオン充放電との関連について解析する。アモルファス構造のモデリングに関しては、構造形成過程における圧力、温度等の環境の影響を機械学習力場、さらに大規模第一原理計算による分子シミュレーションを用いて調べる。シミュレーション中に現れる様々な局所構造をデータ科学的手法で解析し、成長条件と得られる構造の相関の解明を目指す。
大阪大学では酸化物中に異種元素をドープした際の周りの構造に関して、第一原理電子状態計算により安定構造を求める。さらに、異種元素ドープによって生成するポーラロン状態を求め、その安定状態について詳細に調べる。加えて、ポーラロンの拡散過程についても詳細に調べ、どのような配置が安定で、構造とその構造によって生じる分極の関係を明らかにする。さまざまな構造の分極状態が明らかになれば、さらに、電場に対する応答についても検討を行う。実験結果と比較してその誘電率増強機構に関する解明を目指す。
広島市大では、金属生体活性サイトである2Fe-2Sクラスターおよびヘムの電子状態や構造歪みによるタンパク質の構造や機能への影響を分子シミュレーションや統計解析により解明する。2Fe-2SクラスターについてはA01班と連携し、電子状態計算・分子動力学シミュレーション・QM/MM計算により2Fe-2Sクラスターの酸化還元によるタンパク質構造変化の機構の理解を目指す。ヘムタンパク質に関しては、PyDISHの拡張を進めるとともに、機械学習や分子シミュレーションを用いたヘムの構造歪みとヘムタンパク質の機能の関係の解明を進める。
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