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2014 Fiscal Year Annual Research Report

液液界面における相間移動触媒の輸送機構の理論

Research Project

Project/Area Number 26288003
Research InstitutionTohoku University

Principal Investigator

森田 明弘  東北大学, 理学(系)研究科(研究院), 教授 (70252418)

Project Period (FY) 2014-04-01 – 2019-03-31
Keywords液液界面 / イオン移動 / 相間移動触媒 / 分子動力学
Outline of Annual Research Achievements

液液界面でのイオン輸送を制御する相間移動触媒の機能を、従来の現象論的な速度論や計算化学を超えた新たな視点で解明する。界面の構造とゆらぎが果たす大きな影響をあらわに取り入れて、相間移動触媒の効果を分子レベルで捉える理論を開発し、分子動力学計算で実証する。さらにメソスケールの拡散二重層と界面のミクロな構造を同時に扱うマルチスケールの方程式を解いて、輸送自由エネルギーの全貌を明らかにする。初年度にはこれまでに界面のミクロな構造を特徴づける界面ゆらぎを適切に表す座標の理論を確立し、今後の自由エネルギー計算への道を拓いた。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

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

Reason

液液界面における物質移動を分子レベルで扱う理論を創るうえで、我々が最初に鍵と考える点は界面の構造ゆらぎを記述する座標の定義である。とくにイオンが水和水を引き連れて有機溶媒相に移動する過程ではwater fingerと呼ばれる特徴的な構造が現れる。我々は計画申請段階では、その構造ゆらぎを規定する座標として、界面のギブス面から有機相側にはみ出した水の個数をとることを想定していたが、当該年度にはもっと適切な座標を取ることができることを見出した。水の水素結合ネットワークをグラフ理論で扱い、水和水クラスターとバルク水とのネットワークのボトルネック長として、ゆらぎ座標を定義することが可能であることを見出した。これによって、界面ゆらぎ座標を考慮した自由エネルギー面の計算が可能となった。

Strategy for Future Research Activity

上で確立した界面ゆらぎ座標およびイオンの位置座標の両方を考慮した2次元自由エネルギー面の計算を進めている。そのために2次元空間上の異なる点にアンブレラ・ポテンシャルをおいた分子動力学計算を並列に行い、そのアンブレラを適宜交換するレプリカ交換法を使用する。得られた2次元自由エネルギー面をもとにして、イオン通過の際に現れる自由エネルギー障壁が界面ゆらぎに関わるものであることを明らかにし、イオン通過の反応速度の実測値を解明する予定である。

Causes of Carryover

本年度の成果として発表予定であった論文の投稿が次年度にずれこんだため、論文発表に関する経費が次年度に繰り越された。

Expenditure Plan for Carryover Budget

現在その成果について投稿準備の最終段階に入っており、次年度に発表費用として使用される予定である。

  • Research Products

    (57 results)

All 2015 2014 Other

All Journal Article (10 results) (of which Peer Reviewed: 10 results,  Acknowledgement Compliant: 6 results) Presentation (46 results) (of which Invited: 6 results) Remarks (1 results)

  • [Journal Article] エアロゾル粒子表面と気泡壁での蒸発・凝縮2015

    • Author(s)
      石山達也,藤川重雄
    • Journal Title

      ながれ

      Volume: 34 Pages: 41-46

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Molecular Dynamics Analysis of NaOH Aqueous Solution Surface and the Sum Frequency Generation Spectra: Is Surface OH- Detected by SFG Spectroscopy?2014

    • Author(s)
      Takako Imamura, Tatsuya Ishiyama, and Akihiro Morita
    • Journal Title

      J. Phys. Chem. C

      Volume: 118 Pages: 29017-29027

    • DOI

      10.1021/jp502890s

    • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] Erratum: `Theory and Efficient Computation of Differential Vibrational Spectra' [J. Chem. Phys., 140, 144109 (2014)]2014

    • Author(s)
      Suguru Sakaguchi, Tatsuya Ishiyama, and Akihiro Morita
    • Journal Title

      J. Chem. Phys.

      Volume: 141 Pages: 149901-149901

    • DOI

      10.1063/1.4897417

    • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] A Direct Evidence of Vibrationally Delocalized Response at Ice Surface2014

    • Author(s)
      Tatsuya Ishiyama and Akihiro Morita
    • Journal Title

      J. Chem. Phys.

      Volume: 141 Pages: 18C503-18C506

    • DOI

      10.1063/1.4895547

    • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] Theory and Efficient Computation of Differential Vibrational Spectra2014

    • Author(s)
      Suguru Sakaguchi, Tatsuya Ishiyama, and Akihiro Morita
    • Journal Title

      J. Chem. Phys.

      Volume: 140 Pages: 144109-144121

    • DOI

      10.1063/1.4870523

    • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] Computation of the Free Energy due to Electron Density Fluctuation of a Solute in Solution: A QM/MM Method with Perturbation Approach Combined with a Theory of Solutions2014

    • Author(s)
      Daiki Suzuoka, Hideaki Takahashi, and Akihiro Morita
    • Journal Title

      J. Chem. Phys.

      Volume: 140 Pages: 134111-134122

    • DOI

      10.1063/1.4870037

    • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] Theoretical Studies of Structures and Vibrational Sum Frequency Generation Spectra at Aqueous Interfaces2014

    • Author(s)
      Tatsuya Ishiyama, Takako Imamura, and Akihiro Morita
    • Journal Title

      Chem. Rev.

      Volume: 114 Pages: 8447-8470

    • DOI

      10.1021/cr4004133

    • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] 電極界面におけるイオンの水和殻崩壊過程の時間分解赤外分光観察2014

    • Author(s)
      山方 啓、大澤 雅俊、森田 明弘
    • Journal Title

      Electrochemistry(電気化学および工業物理化学)

      Volume: 82 Pages: 771-776

    • DOI

      10.5796/electrochemistry.82.771

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] 液体界面の計算分子科学2014

    • Author(s)
      森田 明弘
    • Journal Title

      Mol. Sci.

      Volume: 8 Pages: A0070-A0078

    • DOI

      10.3175/molsci.8.A0070

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] 蒸発・凝縮への分子動力学の適応(平面状界面):分子気体力学境界条件2014

    • Author(s)
      石山達也,藤川重雄
    • Journal Title

      ながれ

      Volume: 33 Pages: 299-306

    • Peer Reviewed
  • [Presentation] Recent Computational Studies on Surface Vibrations and Sum Frequency Generation Spectroscopy2015

    • Author(s)
      Akihiro Morita
    • Organizer
      Carnegie Mellon University
    • Place of Presentation
      Pittsburgh, PA, USA
    • Year and Date
      2015-03-27 – 2015-03-27
  • [Presentation] Theoretical Analysis on the Methods to Derive Surface Molecular Orientation by Sum Frequency Generation Spectroscopy,2015

    • Author(s)
      Akihiro Morita, Takashi. Ishihara, Kengo Saito, Tatsuya Ishiyama, Lin Wang
    • Organizer
      249th ACS National Meeting
    • Place of Presentation
      Denver, CO, USA
    • Year and Date
      2015-03-25 – 2015-03-25
  • [Presentation] Theory and efficient computation of vibrational difference spectra2015

    • Author(s)
      Tatsuya Joutsuka, Akihiro Morita
    • Organizer
      249th ACS National Meeting
    • Place of Presentation
      Denver, CO, USA
    • Year and Date
      2015-03-25 – 2015-03-25
  • [Presentation] Molecular Dynamics Simulation of Ion transports through Liquid-Liquid Interface2015

    • Author(s)
      Nobuaki Kikkawa, Lingjan Wang, Akihiro Morita
    • Organizer
      249th ACS National Meeting
    • Place of Presentation
      Denver, CO, USA
    • Year and Date
      2015-03-25 – 2015-03-25
  • [Presentation] 界面和周波発生分光の理論と分子シミュレーション2015

    • Author(s)
      森田 明弘
    • Organizer
      日本分光学会・界面部会シンポジウム
    • Place of Presentation
      東北大学・青葉山キャンパス(宮城県・仙台市)
    • Year and Date
      2015-03-06 – 2015-03-06
    • Invited
  • [Presentation] 和周波分光解析プログラムCalnosの開発・高速化と水/メタノール混合溶液の気液界面への応用2015

    • Author(s)
      石原 崇志、石山 達也、森田 明弘
    • Organizer
      第8回6専攻合同シンポジウム
    • Place of Presentation
      東北大学青葉山キャンパス(宮城県・仙台市)
    • Year and Date
      2015-02-20 – 2015-02-20
  • [Presentation] 溶液界面の分子シミュレーション研究2015

    • Author(s)
      森田 明弘
    • Organizer
      スーパーコンピューターワークショップ2015「様々な対象に応用される計算分子科学」
    • Place of Presentation
      自然科学研究機構 岡崎コンファレンスセンター(愛知県・岡崎市)
    • Year and Date
      2015-01-30 – 2015-01-30
  • [Presentation] 界面SFG分光の理論計算2015

    • Author(s)
      森田 明弘
    • Organizer
      東京工業大学 資源化学研究所講演会
    • Place of Presentation
      東京工業大学 資源化学研究所(神奈川県・横浜)
    • Year and Date
      2015-01-19 – 2015-01-19
  • [Presentation] 不均一反応での理論化学の役割2015

    • Author(s)
      森田 明弘
    • Organizer
      名大太陽研ワークショップ「日本における地球大気化学の将来検討会~不均一反応研究の現状と今後~」
    • Place of Presentation
      ホテルKKR(静岡県・熱海市)
    • Year and Date
      2015-01-17 – 2015-01-17
  • [Presentation] 溶液・高分子系界面の構造および機能の理論解析2014

    • Author(s)
      森田 明弘
    • Organizer
      新学術領域研究「柔らかな分子系」第2回公開シンポジウム
    • Place of Presentation
      大阪大学会館・大阪大学豊中キャンパス(大阪府・豊中市)
    • Year and Date
      2014-11-28 – 2014-11-28
    • Invited
  • [Presentation] QM/MM-ER法によるATP加水分解の自由エネルギー解析2014

    • Author(s)
      高橋 英明、三木 雄詩、森田 明弘
    • Organizer
      新学術領域研究「柔らかな分子系」第2回公開シンポジウム
    • Place of Presentation
      大阪大学会館・大阪大学豊中キャンパス(大阪府・豊中市)
    • Year and Date
      2014-11-18 – 2014-11-18
  • [Presentation] 振動差スペクトルの理論と効率的な計算方法2014

    • Author(s)
      城塚 達也、森田 明弘
    • Organizer
      新学術領域研究「柔らかな分子系」第2回公開シンポジウム
    • Place of Presentation
      大阪大学会館・大阪大学豊中キャンパス(大阪府・豊中市)
    • Year and Date
      2014-11-18 – 2014-11-18
  • [Presentation] 分子シミュレーションによる液体界面のイオン輸送の解析2014

    • Author(s)
      吉川 信明、王 聴鏡、森田 明弘
    • Organizer
      第60回ポーラログラフィーおよび電気分析化学討論会
    • Place of Presentation
      京都工芸繊維大学 60周年記念館(京都市・左京区)
    • Year and Date
      2014-11-16 – 2014-11-16
  • [Presentation] 振動差スペクトルの理論と効率的な計算方法2014

    • Author(s)
      城塚 達也、坂口 俊、森田 明弘
    • Organizer
      第28回分子シミュレーション討論会
    • Place of Presentation
      仙台市市民会館(宮城県・仙台市)
    • Year and Date
      2014-11-13 – 2014-11-13
  • [Presentation] 超並列QM/MM-ER法を用いたATP加水分解反応の自由エネルギー解析2014

    • Author(s)
      三木 雄詩、高橋 英明、森田 明弘
    • Organizer
      第28回分子シミュレーション討論会
    • Place of Presentation
      仙台市市民会館(宮城県・仙台市)
    • Year and Date
      2014-11-13 – 2014-11-13
  • [Presentation] 水表面の構造と変角振動スペクトルの分子動力学研究2014

    • Author(s)
      田中 翔悟、石山 達也、森田 明弘
    • Organizer
      第28回分子シミュレーション討論会
    • Place of Presentation
      仙台市市民会館(宮城県・仙台市)
    • Year and Date
      2014-11-13 – 2014-11-13
  • [Presentation] 和周波分光解析プログラムCalnosの開発と水/メタノール混合溶液の界面解析への応用2014

    • Author(s)
      石原 崇志、石山 達也、森田 明弘
    • Organizer
      第28回分子シミュレーション討論会
    • Place of Presentation
      仙台市市民会館(宮城県・仙台市)
    • Year and Date
      2014-11-13 – 2014-11-13
  • [Presentation] 酢酸の水表面での酸解離平衡の計算2014

    • Author(s)
      神戸 宏之、高橋 英明、森田 明弘
    • Organizer
      第28回分子シミュレーション討論会
    • Place of Presentation
      仙台市市民会館(宮城県・仙台市)
    • Year and Date
      2014-11-12 – 2014-11-12
  • [Presentation] 二次元自由エネルギー曲面を用いた液液界面におけるイオン輸送の解析2014

    • Author(s)
      吉川 信明、王 聴鏡、森田 明弘
    • Organizer
      第28回分子シミュレーション討論会
    • Place of Presentation
      仙台市市民会館(宮城県・仙台市)
    • Year and Date
      2014-11-12 – 2014-11-12
  • [Presentation] Understanding propylene carbonate (PC) interface structure and vibrational spectroscopy using molecule dynamics simulation2014

    • Author(s)
      Lin Wang, Akihiro Morita
    • Organizer
      第28回分子シミュレーション討論会
    • Place of Presentation
      仙台市市民会館(宮城県・仙台市)
    • Year and Date
      2014-11-12 – 2014-11-12
  • [Presentation] Catalytic Effect of Trace Water on Ion Transport through Liquid-Liquid Interface2014

    • Author(s)
      Lingjian Wang, Nobuaki Kikkawa, Akihiro Morita
    • Organizer
      第28回分子シミュレーション討論会
    • Place of Presentation
      仙台市市民会館(宮城県・仙台市)
    • Year and Date
      2014-11-12 – 2014-11-12
  • [Presentation] QM/MM-ER法と摂動論の結合によるπ電子の揺らぎの自由エネルギー解析2014

    • Author(s)
      鈴岡 大樹、高橋 英明、森田 明弘
    • Organizer
      第28回分子シミュレーション討論会
    • Place of Presentation
      仙台市市民会館(宮城県・仙台市)
    • Year and Date
      2014-11-12 – 2014-11-12
  • [Presentation] 交換ホール関数に基づくQM/MM法における交換反発ポテンシャルの計算2014

    • Author(s)
      海野 悟、高橋 英明、森田 明弘
    • Organizer
      第28回分子シミュレーション討論会
    • Place of Presentation
      仙台市市民会館(宮城県・仙台市)
    • Year and Date
      2014-11-12 – 2014-11-12
  • [Presentation] 電極界面でのイオン輸送と脱溶媒和過程の分子シミュレーション2014

    • Author(s)
      森田 明弘
    • Organizer
      ESICB電子論検討会
    • Place of Presentation
      京都大学工学研究科イノベーションプラザ(京都市・西京区)
    • Year and Date
      2014-11-05 – 2014-11-05
    • Invited
  • [Presentation] Molecular Dynamics Simulation of Sum Frequency Generation Spectra at Water and Aqueous Surfaces2014

    • Author(s)
      Tatsuya Ishiyama, Akihiro Morita
    • Organizer
      第28回分子シミュレーション討論会
    • Place of Presentation
      Mita Campus, Keio University (Tokyo, Japan)
    • Year and Date
      2014-10-10 – 2014-10-10
  • [Presentation] Theory and Computational Analysis of Surface Nonlinear Spectroscopy2014

    • Author(s)
      Akihiro Morita
    • Organizer
      10th Triennial Congress of the World Association of Theoretical and Computational Chemists (WATOC 2014)
    • Place of Presentation
      Santiago, Chile
    • Year and Date
      2014-10-09 – 2014-10-09
    • Invited
  • [Presentation] Study of Ion Transport through Liquid Interface by using Molecular Dynamics Simulation2014

    • Author(s)
      Nobuaki Kikkawa, Akihiro Morita
    • Organizer
      Tohoku University's Chemistry Summer School 2014
    • Place of Presentation
      Aobayama Campus Tohoku Universities,(Sendai, Japan)
    • Year and Date
      2014-09-25 – 2014-09-25
  • [Presentation] Catalytic Effect of Trace Water on Ion Transport through Liquid-Liquid Interface -- Water Finger Formation and Hydration2014

    • Author(s)
      Lingjian Wang, Nobuaki Kikkawa, Akihiro Morita
    • Organizer
      Tohoku University's Chemistry Summer School 2014
    • Place of Presentation
      Aobayama Campus Tohoku Universities,(Sendai, Japan)
    • Year and Date
      2014-09-25 – 2014-09-25
  • [Presentation] 二次元自由エネルギー曲面を用いた液体界面におけるイオン輸送の解析2014

    • Author(s)
      吉川 信明、王 聴鏡、森田 明弘
    • Organizer
      第8回分子科学討論会
    • Place of Presentation
      広島大学東広島キャンパス(広島県・東広島市)
    • Year and Date
      2014-09-23 – 2014-09-23
  • [Presentation] 液液界面のイオン輸送における微量水の触媒効果2014

    • Author(s)
      王 聴鏡、吉川 信明、森田 明弘
    • Organizer
      第8回分子科学討論会
    • Place of Presentation
      広島大学東広島キャンパス(広島県・東広島市)
    • Year and Date
      2014-09-23 – 2014-09-23
  • [Presentation] 交換ホール関数に基づくQM/MM法における交換反発ポテンシャルの計算2014

    • Author(s)
      海野 悟、高橋 英明、森田 明弘
    • Organizer
      第8回分子科学討論会
    • Place of Presentation
      広島大学東広島キャンパス(広島県・東広島市)
    • Year and Date
      2014-09-23 – 2014-09-23
  • [Presentation] 酢酸の水表面での酸解離平衡の計算2014

    • Author(s)
      神戸 宏之、高橋 英明、森田 明弘
    • Organizer
      第8回分子科学討論会
    • Place of Presentation
      広島大学東広島キャンパス(広島県・東広島市)
    • Year and Date
      2014-09-23 – 2014-09-23
  • [Presentation] エネルギー座標上の電子分布を基本変数とする電子密度交換汎関数の開発2014

    • Author(s)
      高橋 英明、森田 明弘
    • Organizer
      第8回分子科学討論会
    • Place of Presentation
      広島大学東広島キャンパス(広島県・東広島市)
    • Year and Date
      2014-09-22 – 2014-09-22
  • [Presentation] 和周波分光解析プログラムCalnosを用いた水/メタノール混合溶液の界面解析2014

    • Author(s)
      石原 崇志、石山 達也、森田 明弘
    • Organizer
      第8回分子科学討論会
    • Place of Presentation
      広島大学東広島キャンパス(広島県・東広島市)
    • Year and Date
      2014-09-22 – 2014-09-22
  • [Presentation] 水表面の構造と変角振動スペクトルの分子動力学研究2014

    • Author(s)
      田中 翔悟、石山 達也、森田 明弘
    • Organizer
      第8回分子科学討論会
    • Place of Presentation
      広島大学東広島キャンパス(広島県・東広島市)
    • Year and Date
      2014-09-22 – 2014-09-22
  • [Presentation] 超並列QM/MM-ER法を用いたATP加水分解反応の自由エネルギー解析2014

    • Author(s)
      三木 雄詩、高橋 英明、森田 明弘
    • Organizer
      第8回分子科学討論会
    • Place of Presentation
      広島大学東広島キャンパス(広島県・東広島市)
    • Year and Date
      2014-09-22 – 2014-09-22
  • [Presentation] Molecular dynamics analysis of organic solvent interface and nonlinear spectroscopy in relation to batteries2014

    • Author(s)
      Lin Wang, Qiling Peng, Shen Ye, Akihiro Morita
    • Organizer
      第8回分子科学討論会
    • Place of Presentation
      広島大学東広島キャンパス(広島県・東広島市)
    • Year and Date
      2014-09-21 – 2014-09-21
  • [Presentation] 振動差スペクトルの理論と効率的な計算方法2014

    • Author(s)
      坂口 俊、城塚 達也、森田 明弘
    • Organizer
      第8回分子科学討論会
    • Place of Presentation
      広島大学東広島キャンパス(広島県・東広島市)
    • Year and Date
      2014-09-21 – 2014-09-21
  • [Presentation] QM/MM-ER法と摂動論の結合による溶媒和自由エネルギーの計算方法の開発とその評価2014

    • Author(s)
      鈴岡 大樹、高橋 英明、森田 明弘
    • Organizer
      第8回分子科学討論会
    • Place of Presentation
      広島大学東広島キャンパス(広島県・東広島市)
    • Year and Date
      2014-09-21 – 2014-09-21
  • [Presentation] 電解質水溶液表面における分子構造: 和周波発生スペクトルの計算科学的解析2014

    • Author(s)
      今村 貴子、石山 達也、森田 明弘
    • Organizer
      第65回コロイドおよび界面化学討論会
    • Place of Presentation
      東京理科大学神楽坂キャンパス(東京都・新宿区)
    • Year and Date
      2014-09-05 – 2014-09-05
  • [Presentation] 水表面の構造と変角振動スペクトルの分子動力学研究(2014

    • Author(s)
      田中 翔悟、石山 達也、森田 明弘
    • Organizer
      第6回SFG研究会
    • Place of Presentation
      筑波大学筑波キャンパス(茨城県・つくば市)
    • Year and Date
      2014-08-03 – 2014-08-03
  • [Presentation] 塩基性水溶液表面における和周波分光の理論解析 ― OH-は表面活性か ―2014

    • Author(s)
      今村 貴子、石山 達也、森田 明弘
    • Organizer
      第6回SFG研究会
    • Place of Presentation
      筑波大学筑波キャンパス(茨城県・つくば市)
    • Year and Date
      2014-08-02 – 2014-08-02
  • [Presentation] Structure and Solvation at Aqueous Interfaces2014

    • Author(s)
      Akihiro Morita
    • Organizer
      Telluride Science Research Conference on Hydrophobocity
    • Place of Presentation
      Telluride, CO, USA
    • Year and Date
      2014-06-24 – 2014-06-24
    • Invited
  • [Presentation] Analysis of SFG Spectroscopy of Electrolyte Aqueous Interfaces2014

    • Author(s)
      Akihiro Morita
    • Organizer
      Telluride Science Research Conference on Nonlinear Optics at Interfaces
    • Place of Presentation
      Telluride, CO, USA
    • Year and Date
      2014-06-12 – 2014-06-12
    • Invited
  • [Presentation] Becke-Rousselの交換ホール関数によるQM/MM交換反発ポテンシャルの構築2014

    • Author(s)
      高橋 英明、海野 悟、森田 明弘
    • Organizer
      第17回理論化学討論会
    • Place of Presentation
      名古屋大学・東山キャンパス・ES総合館 (愛知県・名古屋市)
    • Year and Date
      2014-05-24 – 2014-05-24
  • [Presentation] 水資源の高度利用への計算化学の取り組み2014

    • Author(s)
      森田 明弘
    • Organizer
      ポスト京に向けたTCCIインフォーマル研究会
    • Place of Presentation
      ウィズビジネスセンター(東京都・中央区)
    • Year and Date
      2014-05-21 – 2014-05-21
  • [Remarks] 東北大学大学院理学研究科化学専攻 計算分子科学研究室

    • URL

      http://comp.chem.tohoku.ac.jp/index.html

URL: 

Published: 2016-06-01  

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