2018 Fiscal Year Research-status Report
ダイレクト・アブイニシオMD法による微視的溶媒和クラスター反応の実時間追尾
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18K05021
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| Research Institution | Hokkaido University |
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Principal Investigator |
田地川 浩人 北海道大学, 工学研究院, 助教 (10207045)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 反応設計 / 分子設計 / 一分子デバイス / プロトン移動 / DNA損傷 / 宇宙化学 / クラスター / 光劣化 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
微視的溶媒和クラスターは、少数の溶媒分子によって取り囲まれた分子からできるクラスターであり、溶質の周りの溶媒を部分的に切り出したナノスケールの溶液といえる。最近、クラスターサイズを選別したクラスターを任意に生成する実験が可能となってきており、レーザー分光法を組み合わせることによって、その反応ダイナミクスについて、詳細な解明が可能となってきている。これに対し、溶媒和クラスターに関する理論的なアプローチは極めて少ない。本研究課題では、ダイレクト・アブイニシオ分子動力学（AIMD）法を、微視的溶媒和クラスター内での反応ダイナミクスの理論解明に応用した。特に、光照射後の反応を実時間で追尾することにより、微視的溶媒和の効果を理論的に予測した。本年度は、以下の２テーマについて詳細な計算を行った。
(1)微視的溶媒和ベンゼンクラスターが超高速デバイスになることを理論予測
半導体などの電子材料は通常、たくさんの分子が集まった分子集合体によって構成されている。本研究では、AIMD法により、数個の分子からなるクラスターが高速な分子デバイスとして作用することを理論的に予測した。さらに、このクラスターに水分子（H2O）が一分子付加することによって，この性能が向上することを発見した。
(2)微視的溶媒和された二酸化炭素(CO2)が光反応により活性ラジカルになることを理論予測
二酸化炭素は不活性な分子であり、その処理について問題になっている。本研究では、水分子に微視的溶媒和された二酸化炭素(CO2)が、光照射によって、活性ラジカル（OHCO2 radical)になることを理論計算により明らかにした。
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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
本研究課題の当初の目標では、ダイレクト・アブイニシオ分子動力学法をクラスター反応系を取り扱えるように拡張すること、および、（２）作成したプログラムをテスト計算することの２つ課題が、2018年度の目標であったが、課題（１）および（２）は終了し、すでに、2019年度の目標である反応系への応用が、スタートしている。特に、(a) 「微視的溶媒和ベンゼンのJahn-Teller効果」について研究を行い、アメリカ化学会物理化学誌（J. Phys. Chem. A）への公表を行った [H. Tachikawa: JahnーTeller Effect of the Benzene Radical Cation: A Direct ab Initio Molecular Dynamics Study, J. Phys. Chem. A, 2018, 122, 4121ー4129.] 。
また、 (b) 「ベンゼンクラスターの微視的溶媒和の効果」の研究が順調に進行し、Scientific Reports誌（ネイチャー・パブリッシング・グループの総合科学論文誌）への公表を行った：[H. Tachikawa et al. Water-accelerated π-Stacking Reaction in Benzene Cluster Cation
Scientific Reports, 9, 2377 (2019) ]。以上のことより、「研究の目的」の達成度として「当初の計画以上に進展している」と判断した。
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| Strategy for Future Research Activity |
本年度の研究課題として、(1)「SN2反応ダイナミックスへの微視的溶媒和の効果」、および(2)「微視的溶媒和された二酸化炭素(CO2)の光反応の解明」を行う。テーマ１の求核的２分子置換反応（SN2反応）は、有機反応の中の基本反応一つである。しかしながら、その動的なメカニズムについて、ほとんどわかっていない。本研究では、ダイレクト・アブイニシオ分子動力学法により、求核イオンによるSN2反応：SN2反応 X- + CH3Cl (X=ハロゲン、および分子)、および、その溶媒を含む反応 X-(H2O)+CH3Clを研究する。解明する点は、「微視的溶媒和（水分子、および水クラスター）の存在は、反応ダイナミクスへどのような影響を及ぼすか。たとえば、反応速度が加速するか、減速するか？（抑制効果）を明らかにし、新たな反応を理論的に予測する。
これまで、微視的溶媒和された二酸化炭素(CO2)が光反応により活性ラジカルになることを理論的に予測した。具体的には、水分子に微視的溶媒和された二酸化炭素(CO2)が、光照射によって、活性ラジカル（OHCO2 radical)になることを理論計算により明らかにした。本年度は、この研究を発展させ、この活性ラジカルの反応性、および、微視的溶媒和による安定化のメカニズムを解明する。
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| Causes of Carryover |
平成３０年度の未使用額は、計算機購入がDELL社の製品販売が遅れているため生じた。本年度は、計算機発売後、すみやかに購入する予定である。
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