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2023 Fiscal Year Research-status Report

Theoretical study of physicochemical process for water photolysis and radiolysis

Research Project

Project/Area Number 22K04993
Research InstitutionJapan Atomic Energy Agency

Principal Investigator

甲斐 健師  国立研究開発法人日本原子力研究開発機構, 原子力科学研究部門 原子力科学研究所 原子力基礎工学研究センター, 研究主幹 (70403037)

Project Period (FY) 2022-04-01 – 2025-03-31
Keywords水の光分解・放射線分解 / モンテカルロコード
Outline of Annual Research Achievements

水の光分解・放射線分解に関する最先端の基礎研究は、生命科学における放射線DNA損傷や原子力科学における水化学の新たな知見となるため社会的関心が非常に高い。その過程は、物理・物理化学・化学過程に分類される。その中でも特に、化学活性種の初期生成に相当する物理化学過程は、実験・シミュレーション共に非常に困難であり、多くの未解明メカニズムが存在する。本研究では、物理化学過程に特化した計算コードを高度化することで、ラジカルの初期生成メカニズムを解明し、得られた結果を化学過程に接続することで、水分解の全貌解明を目指す。この基礎科学における新展開は、自然科学におけるブレークスルーとなり、水分解が関与する生命科学・原子力科学のみならず様々な分野のイノベーションに貢献する。
令和5年度は、水の光分解により生じるスパーの初期空間分布を理論予測した。その結果は実験値を再現し、物理化学コードを検証した。本研究でさらに、水中における電子の減速、熱化、水和の時間スケールを決定することにも成功した。この成果を発展させ、スパーのエネルギー付与依存性を明らかにした。ここでは、スパー半径と電子の熱化の関係を明らかにすることにも成功した。また、水の光分解の結果生じる水の分解化学種の拡散反応をシミュレーションする化学コードを開発した。この化学コードを利用した、水の分解化学種が誘起するDNA損傷の収量を理論予測可能にした。これにより、放射線物理と放射線化学の理論的融合研究を推進した。これらの成果は、今後展開する水分解の全貌解明に向けた基礎基盤となる。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

令和5年度は当初計画どおりに以下、(1)~(3)に挙げるとおり、物理化学過程における研究成果を挙げ、化学コードの開発に成功したことから、おおむね順調に進展している、と判断する。
(1)水の光分解の結果生じるスパーの空間分布を理論予測し、化学実験から得られた実験値を再現することに成功し、米国物理学協会のThe Journal of chemical physics (IF=4.4)に掲載された。
(2)光分解におけるスパーのエネルギー付与依存性を明らかにした。これにより、スパー半径と電子の熱化時間の関係が明らかになり、英国化学会のRSC Advances (IF=3.9)に掲載された。
(3)放射線物理と放射線化学の理論的融合研究を展開するための、化学コードを開発した。

Strategy for Future Research Activity

令和6年度は、以下に挙げる(1)~(3)を実施する。
(1)開発した物理化学コードと化学コードを接続し、水の光分解における実験結果を解析することで、新たな光速化学反応経路の発見を目指す。
(2)物理化学コードと化学コードを発展させ、水の放射線分解に関する物理と化学の理論的融合研究を推進する。
(3)開発した化学コードを利用した応用研究を展開する。ここでは、放射線生物影響に関与する複雑なDNA損傷の定量的評価を実施する。

Causes of Carryover

令和5年度においては、オープンアクセス誌への投稿を希望した二報の論文の投稿が遅れたことから次年度使用額が生じた。次年度使用額は、次年度分研究費と合わせて、論文投稿や水の放射線分解における計算に係る費用として使用する。

  • Research Products

    (8 results)

All 2024 2023

All Journal Article (7 results) (of which Peer Reviewed: 7 results,  Open Access: 1 results) Presentation (1 results) (of which Invited: 1 results)

  • [Journal Article] A step-by-step simulation code for estimating yields of water radiolysis species based on electron track-structure mode in the PHITS code2024

    • Author(s)
      Matsuya Yusuke、Yoshii Yuji、Kusumoto Tamon、Akamatsu Ken、Hirata Yuho、Sato Tatsuhiko、Kai Takeshi
    • Journal Title

      Physics in Medicine & Biology

      Volume: 69 Pages: 035005~035005

    • DOI

      10.1088/1361-6560/ad199b

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Development of a model for evaluating the luminescence intensity of phosphors based on the PHITS track-structure simulation2024

    • Author(s)
      Hirata Yuho、Kai Takeshi、Ogawa Tatsuhiko、Matsuya Yusuke、Sato Tatsuhiko
    • Journal Title

      Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms

      Volume: 547 Pages: 165183~165183

    • DOI

      10.1016/j.nimb.2023.165183

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Changes in molecular conformation and electronic structure of DNA under 12C ions based on first-principles calculations2024

    • Author(s)
      Sekikawa Takuya、Matsuya Yusuke、Hwang Beomju、Ishizaka Masato、Kawai Hiroyuki、?no Yoshiaki、Sato Tatsuhiko、Kai Takeshi
    • Journal Title

      Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms

      Volume: 548 Pages: 165231~165231

    • DOI

      10.1016/j.nimb.2023.165231

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Nature of the physicochemical process in water photolysis uncovered by a computer simulation2023

    • Author(s)
      Kai Takeshi、Toigawa Tomohiro、Ukai Masatoshi、Fujii Kentaro、Watanabe Ritsuko、Yokoya Akinari
    • Journal Title

      The Journal of Chemical Physics

      Volume: 158 Pages: 164103~164103

    • DOI

      10.1063/5.0149333

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] First-principles simulation of an ejected electron produced by monochromatic deposition energy to water at the femtosecond order2023

    • Author(s)
      Kai Takeshi、Toigawa Tomohiro、Matsuya Yusuke、Hirata Yuho、Tezuka Tomoya、Tsuchida Hidetsugu、Yokoya Akinari
    • Journal Title

      RSC Advances

      Volume: 13 Pages: 32371~32380

    • DOI

      10.1039/d3ra05075k

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Improvement of the hybrid approach between Monte Carlo simulation and analytical function for calculating microdosimetric probability densities in macroscopic matter2023

    • Author(s)
      Sato Tatsuhiko、Matsuya Yusuke、Ogawa Tatsuhiko、Kai Takeshi、Hirata Yuho、Tsuda Shuichi、Parisi Alessio
    • Journal Title

      Physics in Medicine & Biology

      Volume: 68 Pages: 155005~155005

    • DOI

      10.1088/1361-6560/ace14c

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Development of an electron track-structure mode for arbitrary semiconductor materials in PHITS2023

    • Author(s)
      Hirata Yuho、Kai Takeshi、Ogawa Tatsuhiko、Matsuya Yusuke、Sato Tatsuhiko
    • Journal Title

      Japanese Journal of Applied Physics

      Volume: 62 Pages: 106001~106001

    • DOI

      10.35848/1347-4065/ad00f4

    • Peer Reviewed
  • [Presentation] 放射線生物影響の最初期過程に関する計算機シミュレーション ―DNA損傷の直接効果と間接効果―2023

    • Author(s)
      甲斐健師
    • Organizer
      第3回日本量子医科学会学術大会
    • Invited

URL: 

Published: 2024-12-25  

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