Analysis of chemical bonding in actinide compounds based on relativistic quantum chemistry

2021 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 20K22553
• Research Category: Grant-in-Aid for Research Activity Start-up
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: 0502:Inorganic/coordination chemistry, analytical chemistry, inorganic materials chemistry, energy-related chemistry, and related fields
• Research Institution: Kyoto University
• Principal Investigator: Sunaga Ayaki 京都大学, 複合原子力科学研究所, 助教 (60885416)
• Project Period (FY): 2020-09-11 – 2022-03-31
• Keywords: 相対論的量子化学 / アクチノイド化学 / 化学結合 / 分子構造 / 電子相関 / 局在化軌道 / ウラニルイオン / 6p軌道

Outline of Final Research Achievements

Since actinide compounds are heavy systems, it is required to perform calculations that incorporate relativistic effects such as spin-orbit (S0) interactions. In this study, we developed a program to carry out the analysis of chemical bonds with reliable accuracy, taking SO effects into account. Using this program, we analyzed the chemical bonds of UO2(2+) and UN2 molecules and showed that these molecules form a triple bond between U-O and U-N even in the bent structure. Our accurate calculations at the relativistic CCSD(T) level indicate that the bent conformations of UO2(2+) and UN2 molecules are relatively stable compared to the predictions using the less accurate Hartree-Fock method reported in previous studies.

Free Research Field

物理化学

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

スピン軌道相互作用を考慮した分子軌道の射影電荷解析は、多配置性が重要となるd・fブロック原子の計算を行う段階が困難であった。当研究で相対論的な量子数κに対する占有数を指定して反復計算の収束を改善させるプログラムを開発したことで、この問題が解決された。作成したプログラムは全世界に無料で公開されているため、多配置性をもつ原子を含んだ分子の、スピン軌道相互作用を考慮した化学結合解析が加速することが期待される。また、ウランの6p(3/2)軌道がUO2(2+)分子の構造を支配することを見出したことで、アクチノイド化合物の構造に関する新しい知見をもたらした。