2015 Fiscal Year Research-status Report
結晶性分子ジャイロスコープの光駆動高速内部回転制御：理論設計・合成・観測
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15KT0138
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
菅野 学 東北大学, 理学研究科, 助教 (30598090)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
瀬高 渉 首都大学東京, 都市環境科学研究科, 准教授 (60321775)
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| Project Period (FY) |
2015-07-10 – 2018-03-31
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| Keywords | 遷移状態 / 結晶 / 動的機能分子 / ナノテクノロジー / テラヘルツ波 / 分子動力学計算 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は、気相あるいは溶液中の小規模な分子系に限られていた従来の遷移状態研究の枠を越え、超多次元系である固体（結晶）における化学反応や分子運動の遷移状態を制御する手法を開拓するものである。具体的な対象として、結晶性分子ジャイロスコープの高速内部回転制御を目指す。分子ジャイロスコープは外部骨格（固定子）によって保護された環（回転子）を持ち、それが結合を軸として回転する。回転子の挙動を瞬時に制御できれば、液晶よりも高速に動作する光学材料としての応用が見込まれる。我々は分子設計に基づく静的制御（ポテンシャルエネルギー曲面の形状操作）と光照射による動的制御（内部回転運動の直接励起）を組み合わせた研究を計画した。
平成27年度は、「結晶性分子ジャイロスコープの内部回転遷移状態における分子間相関の解明」に取り組んだ。フッ素置換回転子とジシロキサンかご状骨格を持つ分子ジャイロスコープの内部回転の有効ポテンシャルエネルギー曲線を算出することに成功し、約 5 kcal/mol の回転障壁を有する 2 つの遷移状態が存在することを明らかにした。この回転障壁の値は、これまでに合成された分子ジャイロスコープの中でも特に低い。内部回転の有効反応座標は環が結合軸周りに回転するだけの単純なものではなく、回転子と固定子が互いに相関した複雑な運動である一方、この分子ジャイロスコープに関しては分子間相関が比較的小さいと言える。ナノ秒分子動力学計算から室温での回転頻度を評価し、約 3 ns に 1 回の頻度で遷移状態を越えて内部回転が起こると予測した。
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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
平成27年度に計画していた「結晶性分子ジャイロスコープの内部回転遷移状態における分子間相関の解明」がおおむね達成できたため。「研究実績の概要」に記述した成果を総説として報告し、更に招待講演を含む国内外の研究会にて広く発表することができた。
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| Strategy for Future Research Activity |
「内部回転の光制御シミュレーション：光から回転子へのエネルギー供給効率の評価」に取り組む。フッ素置換回転子とジシロキサンかご状骨格を持つ分子ジャイロスコープの基準振動解析から内部回転の調和振動数を割り出し、それと共鳴する他の振動があり得るかを確認する。次に、環の回転に共鳴するテラヘルツレーザー光を照射した場合のナノ秒分子動力学シミュレーションを行う。光駆動内部回転の速度を見積もり、熱運動のみの場合と比較してどの程度高速化されるかを検証する。また、分子の電子エネルギーを各原子に分割して割り当てる原子分割エネルギー解析法を用いて、回転子および固定子の分割エネルギーの変化を評価し、光から内部回転の自由度へのエネルギー供給効率を定量化する。これらの解析を通して、テラヘルツ光照射下における実時間スケールでの回転子および固定子の挙動を解明し、フッ素置換回転子とジシロキサン固定子の性能を判断する。
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| Causes of Carryover |
本年度の研究を効率的に推進したことに伴い発生した未使用額である。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
平成28年度請求額と合わせて次年度に計画している研究の遂行に使用する。特に、(1) 結晶性分子ジャイロスコープの内部回転の光制御シミュレーションに使用するワークステーションの購入と東北大学大型計算機の使用料、(2) これまでの研究成果を発表するための国内および外国旅費、(3) 関連書籍やソフトウェアの購入、などに充てる予定である。
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Research Products
(5 results)
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[Presentation] Dynamics of Crystalline Molecular Gyroscopes Driven by Terahertz Radiations2015
Author(s)
Wilfredo Credo Chung, Tomoya Michimata, Tomohito Kobayashi, Kazuto Ikeda, Anant Babu Marahatta, Manabu Kanno, Wataru Setaka, Stephan Irle, Hirohiko Kono
Organizer
5th International Workshop on Massively Parallel Programming Now in Quantum Chemistry and Physics - Toward exascale computing
Place of Presentation
東京大学本郷キャンパス（東京都・文京区）
Year and Date
2015-11-26 – 2015-11-27
Int'l Joint Research
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