2016 Fiscal Year Annual Research Report
Theory of Structure and Functions of Liquid and Polymer Interfaces
| Project Area | Science on Function of Soft Molecular Systems by Cooperation of Theory and Experiment |
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| Project/Area Number |
25104003
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
森田 明弘 東北大学, 理学研究科, 教授 (70252418)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
石山 達也 富山大学, 大学院理工学研究部(工学), 准教授 (10421364)
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| Project Period (FY) |
2013-06-28 – 2018-03-31
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| Keywords | 界面 / 和周波発生分光 / 分子シミュレーション |
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| Outline of Annual Research Achievements |
申請者がこれまでに開発してきた分子シミュレーションに基づく界面分光の理論の成果をもとに、本領域内の分光計測の実験研究者と本グループの理論解析との緊密な共同研究を展開し、溶液・高分子などの柔らかな界面構造の理解を格段に深化させる。さらに溶液界面構造の詳細な理解に基づいて、柔らかな界面での物質移動や反応場としての機能を分子科学の立場から解明する。本年度には、和周波発生(SFG)分光および関連の分光に関する以下の成果を得た。
(1)水表面での変角振動のSFG分光の解明: 水表面のSFGによる研究では従来OH伸縮振動がプローブされてきたが、変角振動から相補的な情報が得られることが期待される。本研究では領域内の田原グループの実験と我々の理論計算の共同研究を実施し、その結果変角振動のSFGはバルク中の四重極成分が支配的であることを示した。
(2)有機溶媒表面のSFG分光の理論解析: 本グループで開発されたSFG理論を有機溶媒に拡張し、電池系の溶液などで広く用いられる有機炭酸エステル溶媒の界面構造をSFG分光実験と合わせて解明した。特に環状のプロピレンカーボネートと鎖状のジメチルカーボネートではSFGの位相が反転することを予想し、前者では界面近傍で二量体構造を形成するためであることを明らかとした。
(3)振動差スペクトルの理論計算手法の開発: 実験的な分光観測で系の特定の部分への選択性を高めるため、差スペクトルを得ることがしばしばなされるが、微小な差スペクトルを理論計算で得ることは難しい問題であった。本グループでは差スペクトルそのものをバックグランドなしで求める手法を開発し、それを実用的な系に応用することを可能とした。
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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
上の研究実績で示した3つの成果は、いずれも当該年度に論文発表を行うことができたものである。本研究の当初からの方針によって、界面振動分光の理論と実験計測との緊密な共同研究を推進して、水分子の変角振動について重要な成果を得るとともに、水溶性界面を超えて有機分子界面への応用についても、その界面構造を明らかにする成果を得ることができた。また振動スペクトルの微小な差スペクトルを計算する新たな方法論を実用化することに成功した。
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| Strategy for Future Research Activity |
界面振動分光の理論は国際的にも当グループが先端的にリードする立場にあり、その優位を維持して界面分光の理論と実験計測との共同研究をさらに推進する。界面振動分光に関して、従来から多くの実験研究のなかで基礎的に未解明とされていた問題点（配向解析の意味や信頼性、および帯電した界面におけるchi3効果など）を理論計算の強味を生かして解明することを目指す。差スペクトルの理論を固液界面での電気二重層構造の解明などの応用へと発展させていく。さらに、液液界面でのイオン輸送についてのwater fingerの役割を定量化し、微視的な輸送メカニズムについての知見を深める。
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[Journal Article] Experimental and Theoretical Evidence for Bilayer-by-Bilayer Surface Melting of Crystalline Ice2017
Author(s)
M. Alejandra Sanchez, Tanja Kling, Tatsuya Ishiyama, Marc-Jan van Zadel, Patrick J. Bisson, Markus Mezger, Mara Nikola Jochum, Jenee D. Cyran, Wilbert J. Smit, Huib J. Bakker, Mary Jane Shultz, Akihiro Morita, Davide Donadio, Yuki Nagata, Mischa Bonn, Ellen H. G. Backus
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Journal Title
Proc. Natl. Acad. Sci.
Volume: 114
Pages: 227-232
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
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[Presentation] 液体界面の分子科学2017
Author(s)
森田 明弘
Organizer
日本物理学会第72回年次大会
Place of Presentation
大阪大学 豊中キャンパス (大阪府豊中市)
Year and Date
2017-03-18 – 2017-03-18
Invited
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[Presentation] 液体界面の分子科学2017
Author(s)
森田 明弘
Organizer
お茶の水女子大学セミナー
Place of Presentation
お茶の水女子大学 (東京都文京区）
Year and Date
2017-01-25 – 2017-01-25
Invited
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