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動的エキシトンの理論

Planned Research

Project AreaDynamic Exciton: Emerging Science and Innovation
Project/Area Number 20H05839
Research Category

Grant-in-Aid for Transformative Research Areas (A)

Allocation TypeSingle-year Grants
Review Section Transformative Research Areas, Section (II)
Research InstitutionKyoto University

Principal Investigator

東 雅大  京都大学, 工学研究科, 准教授 (20611479)

Project Period (FY) 2020-11-19 – 2025-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2022)
Budget Amount *help
¥58,890,000 (Direct Cost: ¥45,300,000、Indirect Cost: ¥13,590,000)
Fiscal Year 2022: ¥11,050,000 (Direct Cost: ¥8,500,000、Indirect Cost: ¥2,550,000)
Fiscal Year 2021: ¥23,530,000 (Direct Cost: ¥18,100,000、Indirect Cost: ¥5,430,000)
Fiscal Year 2020: ¥2,210,000 (Direct Cost: ¥1,700,000、Indirect Cost: ¥510,000)
Keywords動的エキシトン / ドナー・アクセプター相互作用 / 量子化学計算 / 分子動力学シミュレーション / スピン軌道相互作用 / 溶媒効果
Outline of Research at the Start

本研究では、独自の高精度理論解析手法を発展させて動的エキシトンの理論を確立する。これまでのドナー・アクセプター相互作用に関する数多くの理論研究では、定量的に実験結果を再現できたものはほとんど存在しなかった。そこで、独自に開発してきた量子化学計算と分子動力学シミュレーションを効率的に結び付ける高精度解析手法に相対論効果を導入し、動的エキシトンも高精度解析が可能な量子化学反応ダイナミクス計算法を構築して、動的なドナー・アクセプター相互作用による機能発現機構を理論的に解明する。

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、独自の高精度理論解析手法を発展させて動的エキシトンの理論を確立することを目的とする。本年度は、昨年度に引き続きA01今堀やA02小堀により系統的に合成および物性測定されたポルフィリン連結フラーレン化合物の電子励起状態や電荷分離状態の解析を行った。これまでの我々の研究で、電子励起状態や電荷分離状態を適切に記述するためには、化合物の構造緩和や溶媒分子の応答を分子レベルで露わに取り扱う必要があることが明らかになった。そこで、それらを効率的に記述可能なQM/MM RWFE-SCF法を用いてモデル分子を解析したところ、概ね実験結果と良い一致を示した。特に、電荷分離状態は溶媒により大きく安定化していることが明らかになった。さらに、QM/MM RWFE-SCF法の計算を高速化するプログラムの改良も行った。また、A01今堀らにより合成された非フラーレン型アクセプター分子TACICの励起状態や薄膜状態の構造の解析を行った。TACICの薄膜状態での励起状態の寿命は、溶液中の寿命と比較して大幅に長くなる。これは構造やバンド構造が似たITICと全く逆の挙動であるが、その理由は不明である。まず、量子化学計算により、TACICとITIC単量体の励起状態のポテンシャル面はよく似ていることが分かった。これは溶液中での寿命が同程度であることに対応する。一方、分子動力学シミュレーションを用いて薄膜状態の構造を解析したところ、ITICでは主に端同士がスタックしているのに対して、TACICでは端と中央がスタックした構造も同程度存在していた。この薄膜状態での構造の違いが、励起状態の寿命の違いと関連していると考えられる。また、A03三ツ沼が開発したドナーアクセプター相互作用を利用した水素引き抜き触媒の生成機構をA02小堀やA02山方と共同で解析し、ラジカルが2段階で生成していることを明らかにした。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

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

Reason

本年度は、主にポルフィリン連結フラーレン化合物の電子励起状態や電荷分離状態やTACICの励起状態や薄膜状態の構造の解析を進め、いくつかの新たな知見を得た。領域内の共同研究も積極的に進め、成果も出始めていることから、研究はおおむね順調に進展していると考えられる。

Strategy for Future Research Activity

次年度も引き続き、ポルフィリン連結フラーレン化合物やTACICの解析を進める。ポルフィリン連結フラーレン化合物の解析では、高速化したプログラムを用いて、様々な連結長の化合物の電子励起状態や電荷分離状態を解析し、化合物の構造緩和や溶媒の応答が電子状態に与える影響を明らかにする。TACICの解析では、薄膜状態でのITICとの構造の違いが励起状態の寿命に与える影響を明らかにする。さらに、量子化学反応ダイナミクス計算法の構築も引き続き進め、本研究費で雇用している特定助教と協力して有機薄膜太陽電池の理論モデルの改良も行う。また、計画班や公募班との領域内連携研究を今後も積極的に進め、理論化学・計算化学の面から領域の推進に貢献する。

Report

(2 results)
  • 2021 Annual Research Report
  • 2020 Annual Research Report

Research Products

(29 results)

All 2022 2021 2020

All Journal Article (7 results) (of which Peer Reviewed: 7 results) Presentation (22 results) (of which Int'l Joint Research: 4 results,  Invited: 5 results)

  • [Journal Article] Excited states of chlorophyll a and b in solution by time-dependent density functional theory2022

    • Author(s)
      Zhu Zhe、Higashi Masahiro、Saito Shinji
    • Journal Title

      The Journal of Chemical Physics

      Volume: 156 Pages: 124111-124111

    • DOI

      10.1063/5.0083395

    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Identification of a Self-Photosensitizing Hydrogen Atom Transfer Organocatalyst System2022

    • Author(s)
      Fuse Hiromu、Irie Yu、Fuki Masaaki、Kobori Yasuhiro、Kato Kosaku、Yamakata Akira、Higashi Masahiro、Mitsunuma Harunobu、Kanai Motomu
    • Journal Title

      Journal of the American Chemical Society

      Volume: 144 Pages: 6566-6574

    • DOI

      10.1021/jacs.2c01705

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  • [Journal Article] Chemical Shift of Solvated Hydride Ion: Comparative Study with Solvated Fluoride Ion2022

    • Author(s)
      Imamura Kosuke、Higashi Masahiro、Kobayashi Yoji、Kageyama Hiroshi、Sato Hirofumi
    • Journal Title

      The Journal of Physical Chemistry B

      Volume: 126 Pages: 3090-3098

    • DOI

      10.1021/acs.jpcb.2c00326

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  • [Journal Article] 凝縮系の化学反応ポテンシャル関数の開発と応用2022

    • Author(s)
      東 雅大
    • Journal Title

      分子シミュレーション学会誌 ”アンサンブル”

      Volume: 24 Pages: 32-38

    • NAID

      40022823115

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  • [Journal Article] Theoretical study on isomerization of α-acids: A DFT calculation2021

    • Author(s)
      Kimura Minami、Ito Tadashi、Sato Hirofumi、Higashi Masahiro
    • Journal Title

      Food Chemistry

      Volume: 364 Pages: 130418-130418

    • DOI

      10.1016/j.foodchem.2021.130418

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    • Author(s)
      Naka Keiji、Sato Hirofumi、Higashi Masahiro
    • Journal Title

      Physical Chemistry Chemical Physics

      Volume: 23 Pages: 20080-20085

    • DOI

      10.1039/d0cp06604d

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    • Author(s)
      M. Higashi, N. Shibata, S. Takeno, T. Satoh, M. Miura, H. Sato
    • Journal Title

      HETEROCYCLES

      Volume: 103 Pages: 952-952

    • DOI

      10.3987/com-20-s(k)64

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      木村 南、佐藤 啓文、今堀 博、東 雅大
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      木村 南、佐藤 啓文、東 雅大
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      浦上 拓臣、佐藤 啓文、東 雅大
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      薮 俊佑、佐藤 啓文、東 雅大
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  • [Presentation] MDシミュレーションによる光捕集複合体クロロソームに含まれる色素集合体の解析2022

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      仲 啓志、佐藤 啓文、東 雅大
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      Masahiro Higashi
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      Masahiro Higashi
    • Organizer
      The 11th International Conference on Flexible and Printed Electronics
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  • [Presentation] ドナー・アクセプター連結分子の理論解析2021

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      東 雅大
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      Masahiro Higashi
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      高林 侑示、佐藤 啓文、東 雅大
    • Organizer
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  • [Presentation] Quantum chemical calculation of excited-state properties of porphyrin-fullerene linked systems2021

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      Minami Kimura, Hirofumi Sato, Masahiro Higashi
    • Organizer
      239th ECS Meeting
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    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 分子動力学シミュレーションによる光捕集複合体LH2の吸収スペクトルの解析2021

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      薮 俊佑、佐藤 啓文、東 雅大
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      第23回理論化学討論会
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  • [Presentation] ポルフィリン-フラーレン連結分子の励起状態特性に関する理論計算2021

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      木村 南、佐藤 啓文、東 雅大
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      第23回理論化学討論会
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  • [Presentation] 非断熱分子動力学法による光合成色素の励起状態緩和ダイナミクスの解析2021

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      高林 侑示、佐藤 啓文、東 雅大
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  • [Presentation] 光合成細菌の反応中心内の色素の電子状態の理論解析2021

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      仲 啓志、佐藤 啓文、東 雅大
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    • Invited

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Published: 2020-11-24   Modified: 2022-12-28  

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