2021 Fiscal Year Research-status Report
Creation of a methodology to search for new materials by utilizing a metadynamics method effectively
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21K18610
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| Research Institution | National Institute of Advanced Industrial Science and Technology |
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Principal Investigator |
灘 浩樹 国立研究開発法人産業技術総合研究所, エネルギー・環境領域, 研究グループ長 (90357682)
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| Project Period (FY) |
2021-07-09 – 2023-03-31
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| Keywords | イオン液体 / 計算科学 / 結晶化 / 構造探索 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、メタダイナミクス（Metadynamics, MTD）法を分子動力学（Molecular Dynamics, MD）法に組み込んだシミュレーション計算（以下、メタダイナミクス計算）をイオン性分子集合系であるイオン液体に対して実施し、そこから出現する結晶構造とその形成経路を調べる。イオン液体とは有機イオンや錯イオンから成る常温の液体であり、超不揮発性、超難燃性、高イオン伝導度等の優れた性質を有し、水、有機物、高分子やセルロースまで溶かす特異な溶媒である。低温または高圧で起こるその結晶相転移は、時に数日も要するほど遅いため出現する安定相や準安定相の結晶構造が不明なものが多い。実験追求が困難なイオン液体の遅い相転移により出現する結晶構造やその形成経路などをメタダイナミクス計算により明らかにすることで、この方法により分子集合系に潜む未知の相の構造やその形成経路等の理論探索が可能なことが実証される。
本年度は、イミダゾリウム系カチオンの一つ[C1min]+（1-methyl-3-methylimidazolium）とPF6－のアニオンからなるイオン液体に対するメタダイナミクス計算を室温の条件で実施し、その計算データの解析により得られる自由エネルギーランドスケープの形状とそこに出現するローカルミニマムに出現する構造を調べた。自由エネルギーランドスケープには液体相に相当する幅の広いローカルミニマムが出現した。そのローカルミニマムの幅の広さは液体構造の自由度が高いことを反映しており、イオン液体の結晶の融点が低いことと関係していると考えられる。また、自由エネルギーランドスケープ上の自由エネルギーの高い領域に実験で見つかっているα相やβ相とは違う構造を持つ結晶類似相が出現した。その結晶類似相は、メタダイナミクス計算に使用するイオン間相互作用モデルを変えても出現することが判った。
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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
イミダゾリウム系イオン液体に対するメタダイナミクス計算を当初の計画通りに実施できた。計算データの解析により、結晶の融点が異常に低いイオン液体の謎解明につながる知見が得られた。また、実験的に未だ見つかっていない構造を持つ結晶類似相の検出にも成功した。これらの結果は、メタダイナミクス計算が複雑な分子集合系の物性解明や新物質探索のための理論的手法として適用可能なことを実証する、という本挑戦的研究課題の目的が既に達成されつつあることを示している。したがって、本研究課題はおおむね順調に進展していると言える。
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| Strategy for Future Research Activity |
本年度の得られた結晶類似相が未知の結晶相に相当するかどうかを、集団変数（Collective Variables, CVs）を変えたメタダイナミクス計算を実施するなどして検証する。未知の結晶相と判断される場合、その密度情報から形成される圧力を推定する。他のイミダゾリウム系イオン液体（[Cnmin]PF6, n= 2, 3, 4）に対しても本年度と同様なメタダイナミクス計算を実施して未知の結晶相等を探索し、形成条件を推定する。以上の研究により、メタダイナミクス法を物質探索の新しい手法として確立させる。
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| Causes of Carryover |
当初参加と成果発表を予定していた国際学会がコロナ禍で延期されたため次年度使用が生じた。次年度の学会発表料や論文発表オープンアクセス料へ使用する計画である。
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Research Products
(3 results)
