2023 Fiscal Year Annual Research Report
Diversity and Specificity on the Crystals of Tetrahedral Molecules
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21H01047
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Research Institution | Okayama University |
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Principal Investigator |
松本 正和 岡山大学, 異分野基礎科学研究所, 准教授 (10283459)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
田中 秀樹 公益財団法人豊田理化学研究所, フェロー事業部門, フェロー (80197459)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2026-03-31
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| Keywords | 分子動力学 / 分子シミュレーション / 正四面体分子 / 多形 / プラスチック相 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
メタンに代表される、正四面体型の分子の結晶構造を俯瞰的に調査する。水分子は4面体型ネットワークにより、19種類もの結晶構造を持つことが知られており、 単成分の単純な物質としては異常に多様な相があると言われている。しかし、水素結合の向きの乱雑性に起因する水素無秩序性の効果を除くと、実質的には6種類 (I,II,III,V,VI,VII)の安定結晶相を持つ。一方、水分子よりもさらに対称性が高く単純な分子と言えるメタンには、実に9種類の安定結晶相が知られている。ま た、単純な分子の結晶構造は単純とは限らず、メタンB相は単位胞に29分子を含み、最も複雑な高圧氷相である氷Vの28分子を凌ぐ超複雑結晶を持つと言われてい る。四面体型分子の結晶が複雑になる原因の一つは、立体構造のパッキングしにくさにあると考えられる。実際、剛体正四面体の最密充填構造は準結晶になると 言われている。メタンを含む正四面体型分子は、球と正四面体剛体の中間構造とみなすことができ、どのように結晶構造が決定されるのかが興味深い。2023年度は幅広い温度圧力範囲におけるメタンの結晶構造を計算機シミュレーションにより調査し、各条件での結晶構造を生成した。そして、複数の結合配向秩序指標を組みあわせた特徴量を用いて結晶構造の並進構造を識別した上で、多様体学習により構造の分類を行った。その結果、実験の相図と比べて多少の温度圧力のずれはあるものの、相図を再現できることがわかった。2024年度は分子配向の情報を含めることで、プラスチック相などの配向の多様性も含めたさらに詳細な分類を試みる。
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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
技術上の問題や不手際による遅滞はあったが、現在はこれらを克服し、順調に計算できる状態となった。また、申請者の機械学習手法に関する理解が進み、より先進的な手法が適用可能となった。
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| Strategy for Future Research Activity |
水の多形調査において共存法を使用した経験から、固液の界面付近では活発に構造変化が起こり、初期配置で準備した結晶構造とは異なる、より安定な結晶が成長することがしばしば観察されることがわかっている。これをメタンの結晶化にも応用し、メタンA相やB相と液体が共存した状態を準備して、圧力や温度を制御することにより結晶成長させ、未知結晶構造の形成を期待する。これらの手法をメタン以外の四面体型分子にも随時適用する。構造解析については、分子配向と並進秩序を同時に検出できる特徴量のデザインを進める。また、シミュレーションセル全体が単結晶にならない場合でも、局所的な分子配置から結晶構造を推測できる汎用的な手法を開発する。
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