2021 Fiscal Year Research-status Report
ナノ分子固体における光誘起機能発現の実時間・実空間シミュレーション
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18K05022
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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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2018-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 理論化学 / 光化学 / 分子マシン / ナノカーボン |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は、超多次元系であるナノ分子の内部運動や化学反応を光で制御する手法を開拓する。ナノ分子が光照射下で起こす運動や反応の実時間描像を実験的測定のみから描くことは難しく、理論計算によるアプローチが不可欠である。
平成30年度は、代表的な非断熱分子動力学法であるsurface hopping法における遷移確率の推定に断熱ポテンシャル勾配の時間微分を用いる改良法を開発した。ピラジンの超高速無輻射失活などに適用し、改良法は計算負荷が低く数値的に安定であることを確認した。
令和元年度は、X線自由電子レーザー（XFEL）を用いたナノ分子のイメージング法を考案した。XFELをプローブとした時間分解実験によってC60の近赤外レーザー誘起大振幅振動を追跡できることを計算で予測した。国内外の実験グループと協力し、XFEL照射によって多価イオン化した分子がオージェ崩壊などを経てクーロン爆発解離する過程の観測も達成した。
令和2年度は、光励起したナノ分子のシミュレーションを見据えて、平成30年度に開発した非断熱動力学法を二酸化炭素二量体カチオンの可視光解離に適用した。我々の計算は実測されたCO2フラグメントの速度分布（速い成分と遅い成分から成る）を再現し、フラグメントの速度に依らず励起後は即座に電子基底状態への遷移が起こることを明らかにした。有効2次元モデルに基づいて2種類の解離機構を説明することにも成功した。
令和3年度は、代表的なナノ分子である人工分子モーターの光異性化反応経路を非断熱動力学シミュレーションによって探索した。2状態モデルでは、数ピコ秒という極めて短い時間で異性化が起こる経路が見つかった。状態数を増やすと、近接した電子励起状態の存在により基底状態への遷移及び異性化が起こりにくくなった。実験では高い電子励起状態は急速に失活する可能性があり、2状態モデルの方が現実に近いのかもしれない。
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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
「研究実績の概要」に記述した令和2年度の成果を、令和3年度になって論文として国際誌に発表し、また複数の国内・国際会議において広く発信することができた。さらに、大規模系への適用を目指して開発した非断熱分子動力学法を使って、実際に代表的なナノ分子である分子モーターの光異性化シミュレーションを実行することに成功した。
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| Strategy for Future Research Activity |
分子モーターの光異性化シミュレーションの信頼性を向上させるために、電子状態評価における計算精度と計算負荷のバランスを図る。より実験に近い条件でシミュレーションを実施し、光異性化反応の機構を理解する。さらには、近赤外レーザーに晒された粉末C60(OH)24の温度上昇（振動励起）・崩壊・成長機構の解明を目指す。
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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。次年度に計画している研究の遂行に使用する。特に、大規模計算の実行、および出力される膨大な計算データの統計処理を行う博士研究員を雇用するための人件費などに充てる予定である。
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