2018 Fiscal Year Research-status Report
Development of combined plane wave and localized orbital electronic structure calculation and application of proton transfer in hydrophobic nano structure
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18K05035
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| Research Institution | Yokohama City University |
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Principal Investigator |
石元 孝佳 横浜市立大学, 国際総合科学部(八景キャンパス), 准教授 (50543435)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | プロトン移動 / 疎水ナノ細孔 / ハイブリッド法 / 電子状態計算 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
疎水ナノ細孔中ではバルク中よりも高速にプロトン伝導することが実験的に観測されているが、そのメカニズムや新規プロトン伝導材料設計につながる有力な知見はほとんどない。そこで、本申請では、疎水性ナノ細孔における高速プロトン移動機構の起源を明らかにするために、大規模系を計算可能な平面波基底と高精度計算に有利な局在基底の双方の特徴を併せ持つ平面波局在基底混合電子状態計算の開発および開発手法を用いて疎水性ナノ細孔における水の水素結合ネットワーク構造および高速プロトン移動機構の起源を解明する。
本年度は特に、平面波局在基底混合電子状態計算手法の開発に取り組んだ。これまでは、開発手法を用いたエネルギー計算のみが可能であったが、本年度の取り組みにより、解析的な構造最適化計算が可能になった。本手法の確立により、第一原理分子動力学計算で必要な原子核座標に対する微分を計算することが出来るため、プロトン移動の解析が今後可能になっていくと考えられる。また、同時に非ボルン－オッペンハイマー型量子化学計算(non-BO法)を実装したことで、水素・重水素の同位体効果の解析も可能となった。今後のプログラム開発により、プロトン移動反応におけるH/D同位体効果の解析などにも適用可能である。
今後は引き続きプログラムの開発に取り組んでいくと共に、ナノ細孔内でのプロトン移動の解析にも着手していく予定である。
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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
これまで申請者が開発していた、平面波局在基底混合電子状態計算手法では、エネルギー計算のみが可能であったが、今年度の取り組みにより、構造最適化計算が可能になった。これにより、疎水ナノ細孔という複雑な環境下での水素の精密な計算が可能となった。これは開発手法の実装、という点では本年度予定していた項目をクリアすることが出来た。また、局在基底系での電子状態計算にnon-BO法を適用することにも成功した。これにより、複雑な外部因子の影響下での水素・重水素の同位体効果の解析も可能になった。プログラムの修正や有効性・妥当性の検証に多くの時間を費やすことになったため、応用計算については十分に取り組めない部分は若干あったが、開発手法を活用して今後は応用計算にも取り組んでいきたい。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後の研究については以下にあげる2項目について重点的に取り組む。
課題①局在平面波基底混合電子状態計算手法の開発
疎水性ナノ細孔部分に対する大規模計算と細孔内の水分子に対する高精度計算を実現するために、新たな局在平面波基底混合電子状態計算手法を開発する。すでに構造最適化のための解析プログラムや水素の量子効果の精密描写を実現した計算手法との融合には成功したが、今後は時間発展を可能にするために、分子動力学計算プログラムの実装に取り組む。解析的な原子核座標微分は計算可能であるため、Verlet法などに基づく分子動力学計算プログラムの実装に取り組む。合わせて、プロトン移動反応におけるH/D同位体効果を解析するために、NEB法を実装する。こちらも原子核に対するForceを活用したプログラム開発であるため、これまでのプログラム開発を発展させることで実現可能である。また、開発手法に関する論文をまとめる。
課題②疎水性ナノ細孔内でのプロトン移動機構の解析
課題①で開発した計算手法を用いて疎水性ナノ細孔内での水の水素結合ネットワーク構造を解析する。まずは疎水性ナノ細孔内に閉じ込められた水の安定性を明らかにする。計算対象としては、カーボンナノチューブを取り上げ、開発手法による分子動力学計算や、遷移状態探索に取り組む。
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| Causes of Carryover |
今年度は主に人件費・謝金としての利用が当初計画とは異なったため、次年度への使用額の繰り越しが生じた。次年度は学生アルバイトによるプログラム開発と応用計算を進める予定であり、当初からの次年度請求額と合わせて活用する。
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