2021 Fiscal Year Research-status Report
量子力学的手法と分子動力学法を組み合わせた光化学反応経路を制御する動的因子の解析
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20K05423
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| Research Institution | Kanagawa University |
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Principal Investigator |
松原 世明 神奈川大学, 理学部, 教授 (60239069)
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2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 光誘起反応 / 円錐交差 / 反応経路選択 / 動的因子 / 量子力学計算 / 分子動力学計算 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
近年、光化学反応の有機材料などさまざまな分野への応用が注目を集めている。このような光化学反応では、異なる電子状態間の遷移が重要となる。内部転換によって遷移する場合、円錐交差点で存在する分かれ道のどの経路をとるかが反応制御において重要となる。しかしながら、その経路選択の理由は解明されておらず、その理由を明らかにするためには量子力学的手法と分子動力学法を組み合わせ、動力学的観点から円錐交差点の経路選択を解析する必要がある。本研究では、円錐交差点の経路選択における動的因子の解析法を構築し、経路選択している動的因子を解明することを目的としている。
本年度は、架橋アゾベンゼンのcis→trans光異性化反応について研究を行った。当初計画したいくつかの研究テーマには入っていないが、アゾベンゼンの光異性化反応はこの分野のトピックの一つである。最近、異性化量子収率が極めて高い架橋構造をもつアゾベンゼンが報告された。耐久性やエネルギー変換効率にも優れその応用が期待されている。そこで、量子収率向上において架橋構造がどのような役割を果たしているのか、架橋なしのアゾベンゼンと比較しながら非断熱分子動力学法を用い解析した。その結果、光異性化は架橋アゾベンゼンもアゾベンゼンと同様にS1/S0円錐交差を経由しN=Nのペダル回転運動で起こることが分かった。量子収率は、架橋アゾベンゼンおよびアゾベンゼンそれぞれ76%および55%と求められ、実験結果がよく再現された。架橋アゾベンゼンの場合に収率が20%高い理由は、架橋構造によりエネルギーの再分配が早く起こり、円錐交差点においてcisに戻る経路よりもtrans生成の経路をより効率的に選択するためであることが分かった。
次年度は、計画していた他の光化学反応について研究を行う。
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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
本研究では、1. ブタジエンの光反応、2. ベンゼンの光異性化反応、3. cis-bicyclo[4.2.0]oct-7-eneの光開環反応、4. フリルエノンの光環化反応、5. 紫外線によるDNA損傷機構ついて解析を行うことを計画していた。1のブタジエンの光反応については、昨年度、S1/S0円錐交差での反応経路選択において動的因子が重要な役割を果たしていることを明らかにし、その結果をまとめ、論文として発表した。その他の2-5についても円錐交差等の量子力学計算、さらに円錐交差における反応経路選択の動的因子を解析するための非断熱分子動力学計算も行った。しかしながら、「研究実績の概要」で述べた架橋アゾベンゼンのcis→trans光異性化反応を2-5よりも優先して進めた方がよいと判断し、今年度はこのテーマについて研究を行った。その結果をまとめた論文も準備している。研究目的を達成するためのテーマを着実に進め、意義がある結果が得られていることから、おおむね順調に進行していると言える。
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| Strategy for Future Research Activity |
「現在までの進捗状況」で述べたように、当初計画していたテーマについて概ね順調に進行していると言える。しかしながら、研究を進めていく中で、光誘起反応の円錐交差における経路選択に関わる動的因子の解明の目的を達成するために優先して進めた方がよいと判断された新たな光誘起反応が見つかったので、今年度はそのテーマを優先して遂行した。その結果をまとめた論文を準備している。昨年度のテーマ（「現在までの進捗状況」で述べた1のテーマ）についてはすでに論文発表している。昨年度、今年度のテーマの解析から得られた情報を「現在までの進捗状況」で述べた2-5のテーマにフィードバックし、今後、2-5のテーマも遂行する予定である。
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| Causes of Carryover |
「今後の研究の推進方策」に述べた今後の複数のテーマを取り入れた解析を効率よく遂行するにあたり、現状の計算機構築体系では充分な結果を得られないと判断し、計算能力向上のための費用に充てる。
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