2016 Fiscal Year Research-status Report
凝縮系の熱力学量に対する高精度量子化学計算法の開発
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15K13629
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| Research Institution | Waseda University |
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Principal Investigator |
中井 浩巳 早稲田大学, 理工学術院, 教授 (00243056)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
石川 敦之 早稲田大学, 理工学術院, 次席研究員(研究院講師) (80613893) [Withdrawn]
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | 量子化学計算 / 熱力学量 / 溶媒効果 / Henry定数 / CO2化学吸収法 / 遷移金属錯体 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、凝縮相の熱力学計算に対する高精度量子化学計算法の確立を目指している。まず、我々が開発した新しい理論モデルである調和溶媒和モデル(harmonic solvation model: HSM)の実践的応用を行った。その他、本目的に沿った理論的検討を行った。
量子化学計算による気液平衡の理論的検討：Henry定数などの気体分子の溶解度は、基礎的な物理化学のみならず環境科学など種々の応用分野においても重要なパラメータである。本研究では、25種類の気体分子に対してHSMを用いて溶解自由エネルギー、及び、その成分である溶解エンタルピーと溶解エントロピーを理論的に見積った。特に従来法では困難な溶解エントロピーの記述が改善され、溶解度の温度依存性を定量的に取扱えることが示された。
CO2化学吸収法における反応自由エネルギーの理論的検討：アミン溶液を用いたCO2化学吸収法は、地球温暖化の解決手段として注目されている。実用的な観点から、吸収塔における速い吸収と再生塔における低い再生エネルギーがアミン溶液に求められている。本研究では、特に、13種類のアミン溶液に対してCO2吸収反応の反応自由エネルギーを理論的に検討した。特に、水酸化物イオン、プロトン化アミン、カルバメートや重炭酸イオンなどのイオン種が含まれるため、PCMなどの連続誘電体モデルだけでは十分には溶媒効果が含められないことが示された。そして、あらわな水溶媒を第1溶媒和圏、第2溶媒和圏と含めることにより、一定値に収束することが見出された。
遷移金属錯体の生成エンタルピーの理論的検討：遷移金属錯体の熱力学量を実験的に高い精度で観測することは困難である。本研究では、23種類の遷移金属錯体に対して生成エンタルピーを理論的に検討した。その結果、電子相関効果の十分な取り込みに加えて相対論効果の考慮が不可欠であることが示された。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
当初は凝縮系の熱力学量に対する高精度量子化学計算法として、調和溶媒和モデル（HSM）のみに焦点を当てていた。しかし、2016年度は、HSMの応用研究に加えて、あらわな溶媒分子を考慮したクラスター連続体モデルの妥当性や相対論効果の必要性など、様々な方面からの検討を行い、重要な知見を得ることができた。さらに、溶媒分子の揺らぎを考慮するために、量子力学的分子動力学(QM-MD)法の開発も同時に進めており、来年度の応用研究に対しても予備的な知見を得つつある。
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| Strategy for Future Research Activity |
調和溶媒和モデル（HSM）の公開と普及：2017年度は、最終年度である。そこでまず、本研究で蓄積したHSMの実践的応用の成果を広く公表し、その重要性・有用性を示していく。そして、一般の研究者がHSMを用いた熱力学量の計算ができるように、HPによるソフトウェアの公開を目指す。合わせて、GAMESSなど広く用いられている量子化学計算パッケージへのHSMの実装を目指す。
量子力学的分子動力学(QM-MD)法による自由エネルギー計算法の確立：2016年度から進めているQM-MD法による自由エネルギー計算を推し進め、種々の凝縮系の反応自由エネルギーやpKaの見積りを実行する。この方法についても、プログラムの配布を検討する。
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| Causes of Carryover |
次年度使用額が生じた主な理由は、物品費のうちの消耗品費とその他の経費が当初計画と異なったためである。これは、学内経費からの支出が可能であったためである。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
本年度は最終年度となるため、研究成果をまとめて論文発表や学会発表など行う。繰り越した経費は、旅費やその他の経費への追加分として使用する。
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[Presentation] Recent Advances of DC-DFTB-K Program2016
Author(s)
H. Nakai
Organizer
International CECAM-Workshop~Approximate quantum methods in the ab initio world
Place of Presentation
Beijing Computational Science Research Center (CSRC), Beijing, China
Year and Date
2016-11-06 – 2016-11-13
Int'l Joint Research / Invited
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