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第一原理分子動力学法を用いたクラスレート水和物内部の分子運動の解明

Research Project

Project/Area Number 13J05399
Research Category

Grant-in-Aid for JSPS Fellows

Allocation TypeSingle-year Grants
Section国内
Research Field Thermal engineering
Research InstitutionKeio University

Principal Investigator

平塚 将起  慶應義塾大学, 理工学研究科, 特別研究員(DC2)

Project Period (FY) 2013-04-01 – 2015-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2014)
Budget Amount *help
¥1,800,000 (Direct Cost: ¥1,800,000)
Fiscal Year 2014: ¥900,000 (Direct Cost: ¥900,000)
Fiscal Year 2013: ¥900,000 (Direct Cost: ¥900,000)
Keywordsクラスレート水和物 / 分子動力学 / 第一原理計算 / 水素結合 / 包接化合物 / エネルギー貯蔵 / 振動スペクトル / 国際研究者交流(米国・カナダ) / 熱力学的安定性
Outline of Annual Research Achievements

次世代の環境・エネルギー技術として期待されるハイドレート技術の高度化には,ハイドレートの熱力学的な安定性やゲスト分子の占有率を決定する要因を深く理解することが不可欠である.本研究では,アルコールやハロゲン分子のような水分子との間に強い相互作用がはたらくゲスト分子において,ハイドレートが安定化するメカニズムを明らかにすることを目的とし.分子動力学法を用いたゲスト分子の運動の様子や水素結合の解析を行った.
前年度に実施したフルオロメタンやブタノールを含むハイドレートの計算結果を踏まえ,本年度は異なるハロゲン原子を含むゲスト分子や,エタノールなどの異なるアルコールを包接するクラスレート水和物についても第一原理分子動力学計算を行い結果を比較した.その結果,分子の形状や大きさ,電気陰性度の違いに誘起されるゲスト分子の分布の違いや水素結合の形成され方の違いが明らかになった.ゲスト-ホスト間の水素結合の分布の違いはハイドレートのケージの構造や安定性に影響を与えており,ゲスト-ホスト間の強い相互作用がハイドレートの熱力学的な安定性に影響を及ぼすメカニズムについて知見を得ることができた.
より強いゲスト-ホスト間相互作用をもつアンモニア分子を包接するクラスレート水和物についても分子動力学計算を行い,水素結合やゲスト分子の振る舞いを調べた.アンモニア分子はハイドレート内でイオン化しており,それに伴い格子を構成する水分子のプロトン移動が生じていることが示された.イオン化した分子はセミクラスレート水和物の構造を作る場合があることが知られているが,こうした構造が安定化になるメカニズムについて新たな知見を得られた.
また,水素のように複数の分子がケージに取り込まれている場合や,水が重水に置き換わった場合に分子の運動や振動スペクトルが受ける影響についてもシミュレーションから明らかにした.

Research Progress Status

26年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

26年度が最終年度であるため、記入しない。

Report

(2 results)
  • 2014 Annual Research Report
  • 2013 Annual Research Report
  • Research Products

    (14 results)

All 2015 2014 2013

All Journal Article (4 results) (of which Peer Reviewed: 4 results,  Acknowledgement Compliant: 2 results) Presentation (10 results)

  • [Journal Article] Molecular Dynamics Study of Guest-Host Hydrogen Bonding in Alcohol Clathrate Hydrates2015

    • Author(s)
      Masaki Hiratsuka, Ryo Ohmura, Amadeu K Sum, Saman Alavi, and Kenji Yasuoka
    • Journal Title

      Physical Chemistry Chemical Physics

      Volume: in press Issue: 19 Pages: 12639-12647

    • DOI

      10.1039/c4cp05732e

    • Related Report
      2014 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] Analysis of Crystal Growth of Methane Hydrate using Molecular Dynamics Simulation2015

    • Author(s)
      Daisuke Yuhara, Masaki Hiratsuka, Daisuke Takaiwa, and Kenji Yasuok
    • Journal Title

      Molecular Simulation

      Volume: in press Issue: 10-12 Pages: 918-922

    • DOI

      10.1080/08927022.2014.978313

    • Related Report
      2014 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Vibrational Spectra of Deuterated Methane and Water Molecules in Structure I Clathrate Hydrate from ab initio MD simulation2015

    • Author(s)
      Masaki Hiratsuka, Ryo Ohmura, Amadeu K. Sum, and Kenji Yasuoka
    • Journal Title

      Molecular Simulation

      Volume: in press Issue: 10-12 Pages: 813-817

    • DOI

      10.1080/08927022.2014.929125

    • Related Report
      2014 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] Observation of Interstitial Molecular Hydrogen in Clathrate Hydrates2014

    • Author(s)
      R. Gary Grim, Brian C. Barnes, Patrick G. Lafond, Winfred A. Kockelmann, David A. Keen, Alan K. Soper, Masaki Hiratsuka, Kenji Yasuoka, Carolyn A. Koh, and Amadeu K. Sum
    • Journal Title

      Angewandte Chemie International Edition

      Volume: 53 Issue: 40 Pages: 10710-10713

    • DOI

      10.1002/anie.201406546

    • Related Report
      2014 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Presentation] 親水性分子を含むクラスレート水和物におけるゲスト-ホスト間水素結合2014

    • Author(s)
      平塚将起,大村亮,Amadeu K. Sum, Saman Alavi, 泰岡顕治
    • Organizer
      第28回分子シミュレーション討論会
    • Place of Presentation
      仙台市民会館(宮城県・仙台)
    • Year and Date
      2014-11-12 – 2014-11-14
    • Related Report
      2014 Annual Research Report
  • [Presentation] Vibrational spectra of alcohol molecules in clathrate hydrates2014

    • Author(s)
      Masaki Hiratsuka, Ryo Ohmura, Amadeu K. Sum, Saman Alavi, Kenji Yasuoka
    • Organizer
      International Symposium on Extended Molecular Dynamics and Enhanced Sampling:Nosé Dynamics 30 Years (NOSE30)
    • Place of Presentation
      Mita Campus, Keio University (Minato-ku, Tokyo, Japan)
    • Year and Date
      2014-11-10 – 2014-11-11
    • Related Report
      2014 Annual Research Report
  • [Presentation] Vibrational spectra of alcohol molecules in clathrate hydrates from ab initio MD simulations2014

    • Author(s)
      Masaki Hiratsuka, Ryo Ohmura, Amadeu K. Sum, Saman Alavi, Kenji Yasuoka
    • Organizer
      The 8th International Conference on Gas Hydrates
    • Place of Presentation
      China National Convention Center (Beijing, China)
    • Year and Date
      2014-07-28 – 2014-08-01
    • Related Report
      2014 Annual Research Report
  • [Presentation] Analysis of Methane Hydrate Nucleation by Molecular Dynamics Simulation2014

    • Author(s)
      Daisuke Yuhara, Masaki Hiratsuka, Daisuke Takaiwa, Ryo Ohmura, Amadeu K. Sum, Kenji Yasuoka
    • Organizer
      The 8th International Conference on Gas Hydrates
    • Place of Presentation
      China National Convention Center (Beijing, China)
    • Year and Date
      2014-07-28 – 2014-08-01
    • Related Report
      2014 Annual Research Report
  • [Presentation] クラスレート水和物内のゲスト分子の振動スペクトルが水分子から受ける影響の第一原理分子動力学を用いた解析2014

    • Author(s)
      平塚将起, 大村亮, Amadeu K. Sum, 泰岡顕治
    • Organizer
      第51回日本伝熱シンポジウム
    • Place of Presentation
      アクトシティ浜松・研修交流センター(静岡県・浜松)
    • Year and Date
      2014-05-21 – 2014-05-23
    • Related Report
      2014 Annual Research Report
  • [Presentation] 分子動力学シミュレーションを用いたゲスト分子の運動と格子振動の関係の解明2013

    • Author(s)
      平塚将起, 大村亮, Amadeu K. Sum, 泰岡顕治
    • Organizer
      第34回日本熱物性シンポジウム
    • Place of Presentation
      富山
    • Year and Date
      2013-11-22
    • Related Report
      2013 Annual Research Report
  • [Presentation] Guest-host hydrogen bond in sII and sH amyl-alcohol hydrate from molecular dynamics simulation2013

    • Author(s)
      Masaki Hiratsuka, Ryo Ohmura, Amadeu K. Sum, and Kenji Yasuoka
    • Organizer
      3rd International Conference on Molecular Simulation
    • Place of Presentation
      Kobe, Japan
    • Year and Date
      2013-11-19
    • Related Report
      2013 Annual Research Report
  • [Presentation] Molecular motion analysis of amyl-alcohol in structure II and H clathrate hydrates by molecular dynamics simulation2013

    • Author(s)
      Masaki Hiratsuka, Ryo Ohmura, Amadeu K. Sum, and Kenji Yasuoka
    • Organizer
      1st International Symposium on Computer Materials and Biological Sciences
    • Place of Presentation
      Tokyo, Japan
    • Year and Date
      2013-09-12
    • Related Report
      2013 Annual Research Report
  • [Presentation] Ab initio Calculations of Vibrational Spectra and Guest-Host Interacti on in Clathrate Hydrate2013

    • Author(s)
      Masaki Hiratsuka, Ryo Ohmura, Amadeu K. Sum, and Kenji Yasuoka
    • Organizer
      16th International Conference on the Properties of Water and Steam
    • Place of Presentation
      London, UK
    • Year and Date
      2013-09-05
    • Related Report
      2013 Annual Research Report
  • [Presentation] ゲスト-水分子間相互作用がクラスレート水和物の振動スペクトルに及ぼす影響の第一原理分子動力学シミュレーション2013

    • Author(s)
      平塚将起, 大村亮, Amadeu K. Sum, 泰岡顕治
    • Organizer
      第50回日本伝熱シンポジウム
    • Place of Presentation
      仙台
    • Year and Date
      2013-05-29
    • Related Report
      2013 Annual Research Report

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Published: 2014-01-29   Modified: 2024-03-26  

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