イオン液体に適した分極力場の開発と輸送現象の分子論的解明

2019 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 17J01006
• Research Institution: Osaka University
• Principal Investigator: 石井 良樹 大阪大学, 基礎工学研究科, 特別研究員(PD) (20806939)
• Project Period (FY): 2017-04-26 – 2020-03-31
• Keywords: 分子動力学 / 密度汎関数法 / 第一原理計算 / 多体効果 / 分子モデリング / イオン液体 / 輸送係数

Outline of Annual Research Achievements

昨年度まで最適化した非分極力場を用いて[C2C1im]Cl系の輸送係数を評価したところ，電気伝導率と粘性率は最適化を経て収束した。その確度を検証するため，様々なイオン液体系で検証したところ，まず経験的な古典力場で得られる輸送係数は実験値と1オーダー程度異なる値を示した。一方で電荷分布とvdWパラメータも凝縮系における第一原理計算から最適化すると，計１３種のイオン液体系で組成によらない高い再現性が得られた。粘性率は実験値をやや過小評価するが，電気伝導率は実験値によく一致した。ここで各組成の分子の電荷分布の様態を評価したところ，電荷移動効果と分子内分極効果を表す物理量が相関関係を示したことから，凝縮系の多体効果を平均的に考慮できていることが実証された。本年度はさらにこれらの手法を，二酸化炭素を溶解させたガス吸収イオン液体，さらに尿素と混合させた機能性イオン溶液に適用し，混合溶液系における輸送物性の分子論について考察した。特に，疎水基が極端に長いイオン液体系のシミュレーションも行ったところ，実験結果に類似の不均一構造が再現でき，その中に溶存した二酸化炭素は，拡散係数から算出される摩擦係数が著しく小さくなることが分かった。さらに尿素系イオン液体として尿素-[C2C1im]Cl系に焦点を当てたところ，その高イオン伝導性を高い確度で再現できた。このとき尿素分子は，アニオンとカチオンのイオン結合を弱めて流動性をあげることから，分子潤滑剤のように振る舞いうることが分かった。これらのことから，本研究で得られた分子モデルの開発スキームは，複合系イオン液体の輸送物性推算においても機能することが分かった。

Research Progress Status

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] パリ第6大学(フランス)
  • Country Name: FRANCE
  • Counterpart Institution: パリ第6大学
• [Int'l Joint Research] バス大学/ヨーク大学(英国)
  • Country Name: UNITED KINGDOM
  • Counterpart Institution: バス大学/ヨーク大学
• [Int'l Joint Research] テンプル大学(米国)
  • Country Name: U.S.A.
  • Counterpart Institution: テンプル大学
• [Journal Article] 周期境界DFT計算とBlochl電荷解析を基にした非分極力場の開発：イオン液体の輸送物性予測への応用 (2020)
  • Author(s): 石井良樹, 松林伸幸
  • Journal Title: アンサンブル Volume: 22 Pages: 142-150
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Self-Consistent Scheme Combining MD and Order-N DFT Methods: An Improved Set of Nonpolarizable Force Fields for Ionic Liquids (2020)
  • Author(s): Y. Ishii, N. Matubayasi
  • Journal Title: Journal of Chemical Theory and Computation Volume: 16 Pages: 651-665
  • DOI: 10.1021/acs.jctc.9b00793
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Elucidating Ionic Correlations Beyond Simple Charge Alternation in Molten MgCl2-KCl Mixtures (2019)
  • Author(s): F. Wu, S. Roy, A. S. Ivanov, S. K. Gill, M. Topsakal, E. Dooryhee, M. Abeykoon, G. Kwon, L. C. Gallington, P. Halstenberg, B. Layne, Y. Ishii, S. M. Mahurin, S. Dai, V. S. Bryantsev, C. J. Margulis
  • Journal Title: Journal of Physical Chemistry Letters Volume: 10 Pages: 7603-7610
  • DOI: 10.1021/acs.jpclett.9b02845
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Pressure induced structural transformations in amorphous MgSiO3 and CaSiO3 (2019)
  • Author(s): P. S. Salmon, G. S. Moody, Y. Ishii, K. J. Pizzey, A. Polidori, M. Salanne, A. Zeidler, M. Buscemi, H. E. Fischer, C. L. Bull, S. Klotz, R. Weber, C. J. Benmore, S. G. MacLeod
  • Journal Title: Journal of Non-Crystalline Solids X Volume: 3 Pages: 100024
  • DOI: 10.1016/j.nocx.2019.100024
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Bridging the gap between molecular dynamics and hydrodynamics in nanoscale Brownian motions (2019)
  • Author(s): K. Mizuta, Y. Ishii, K. Kim, N. Matubayasi
  • Journal Title: Soft Matter Volume: 15 Pages: 4380-4390
  • DOI: 10.1039/C9SM00246D
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Spatially-Decomposed Free Energy of Solvation Based on the Endpoint Density-Functional Method (2019)
  • Author(s): Y. Ishii, N. Yamamoto, N. Matubayasi, B. W. Zhang, D. Cui, R. Levy
  • Journal Title: Journal of Chemical Theory and Computation Volume: 15 Pages: 2896-2912
  • DOI: 10.1021/acs.jctc.8b01309
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Presentation] イオン液体の分子モデリングと機能性ナノ材料への応用 (2020)
  • Author(s): 石井良樹
  • Organizer: 凝縮系の理論化学2020
  • Invited
• [Presentation] Predicting Transport Properties of Ionic Liquids by Using Molecular Dynamics Simulation with DFT-based Force Field (2019)
  • Author(s): Yoshiki Ishii, Nobuyuki Matubayasi
  • Organizer: MRM2019
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Force-Fitting法で構築したイオン液体の非分極力場とその輸送物性 (2019)
  • Author(s): 石井良樹, Lukman HAKIM, 松林伸幸
  • Organizer: 第33回分子シミュレーション討論会
• [Presentation] 第一原理計算とForce-Fitting 法を用いたイオン液体の非分極力場の開発 (2019)
  • Author(s): 石井良樹, 松林伸幸
  • Organizer: 第10回イオン液体討論会
• [Presentation] Force-Fitted Potential of Ionic Liquids Determined by Self-Consistent Scheme Combining MD and DFT methods (2019)
  • Author(s): Yoshiki Ishii, Nobuyuki Matubayasi
  • Organizer: ICMS2019
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 第一原理DFT計算を用いたイオン液体の非分極分子力場の開発 (2019)
  • Author(s): 石井良樹, Lukman HAKIM, 松林伸幸
  • Organizer: 第42回溶液化学シンポジウム
• [Presentation] Modelling of Oxide Glasses Based on First-Principles Calculation: Predicting Structural and Transport Properties of Silicates, Aluminosilicates, and Borates (2019)
  • Author(s): Yoshiki Ishii, Nobuyuki Matubayasi, Kenji Shinozaki, Philip Salmon, Anita Zeidler, Mathieu Salanne, Norikazu Ohtori
  • Organizer: PACRIM13
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 溶融ハロゲン化物と溶融酸化物のイオン伝導率における密度効果の起源 (2019)
  • Author(s): 石井良樹, 笠井智, 喜古佐太郎, Mathieu Salanne, 大鳥範和, 松林伸幸
  • Organizer: 第51回溶融塩化学討論会
• [Presentation] Advanced Molecular Force Fields of Ionic Liquids for Transport Property Analysis: Development on the Basis of First-Principles DFT Calculation (2019)
  • Author(s): Yoshiki Ishii, Nobuyuki Matubayasi
  • Organizer: APPChE2019
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Transport Property Analysis of Ionic Liquids and their Mixtures by Using MD Simulation with Advanced Non-Polarizable Force Field (2019)
  • Author(s): Yoshiki Ishii, Nobuyuki Matubayasi
  • Organizer: APPChE2019
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 高イオン伝導性を示すイオン性融体の材料探索と物性予測 (2019)
  • Author(s): 石井良樹
  • Organizer: JHPCN第11回シンポジウム
• [Presentation] 第一原理DFT計算を用いたイオン液体の非分極力場の開発力場の開発 (2019)
  • Author(s): 石井良樹, 松林伸幸
  • Organizer: 第22回理論化学討論会
• [Remarks] ホームページ
  • URL: http://md91.gs.niigata-u.ac.jp/y.ishii/
• [Remarks] Google Scholar
  • URL: https://scholar.google.co.jp/citations?user=23VEd1gAAAAJ&hl=en
• [Remarks] Research Gate
  • URL: https://www.researchgate.net/profile/Yoshiki_Ishii2
• [Remarks] Researchmap
  • URL: https://researchmap.jp/yoshiki_ishii/
• [Remarks] ORCID
  • URL: https://orcid.org/0000-0003-0102-9326