2017 Fiscal Year Annual Research Report
First-Principles Analysis of Reaction Fields in Nano-Bio Materials
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15K21459
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| Research Institution | Kanagawa Institute of Technology |
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Principal Investigator |
神谷 克政 神奈川工科大学, 基礎・教養教育センター, 准教授 (60436243)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | ナノ・バイオ系 / 反応場 / 量子論的シミュレーション / 電子状態と原子構造の相関 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本年度は、生体分子以外のナノ物質の反応場の例として、長寿命で保存可能なメモリデバイスの候補の１つであるMetal-Oxide-Nitride-Oxide-Semiconductor（MONOS）メモリを取り上げた。このメモリは1000年単位でデータを保存可能であることが提案されている。MONOSメモリは原子レベルの格子欠陥に電荷を注入することでデータを記憶する。この電荷注入は欠陥周囲の原子構造の変化を引き起こす。そこで、本研究では、MONOSメモリ中のSi3N4層に存在する酸素置換型欠陥に着目し、その電荷注入による構造変化を量子論的シミュレーションの手法で調べた。その結果、Si3N4中の酸素置換型欠陥では、電荷注入により不可逆的な構造変化を引き起こすことがわかった。
上記現象の本質は、「ナノ物質に電荷が注入されることで、電子状態の変化により断熱ポテンシャルが変化し、外部からの熱供給により構造変化が起こる」という現象である。これはナノ物質がつくる反応場とタンパク質がつくる反応場の共通項の可能性がある。すなわち、タンパク質反応場では、アミノ酸のプロトン化状態の変化（電子状態の変化）と立体構造の熱揺らぎの協調が反応場の動的変化を引き起こし、その結果として機能が発現する可能性がある。
プロトン化がタンパク質の動的変化を引き起こす現象は、最近、水素原子を利用したタンデム質量分析技術で注目されている。この分析法では、タンパク質にプロトンと電子（水素原子）を付加することでペプチドをフラグメントに切断する。そこで本年度は、プロトンと電子をそれぞれ１つずつ付加したペプチドの分解反応を量子論的シミュレーションにより検討することで、電荷注入をトリガーとする反応場の動的変化について調べた。その結果、500K程度で1ps以内に分解反応が生じることがわかった。
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