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界面の分子科学を基礎とした相間移動触媒反応のマルチスケールシミュレーション

研究課題

研究課題/領域番号 13J02345
研究種目

特別研究員奨励費

配分区分補助金
応募区分国内
研究分野 物理化学
研究機関東北大学

研究代表者

吉川 信明  東北大学, 理学研究科, 特別研究員(DC1)

研究期間 (年度) 2013-04-01 – 2016-03-31
研究課題ステータス 完了 (2015年度)
配分額 *注記
3,000千円 (直接経費: 3,000千円)
2015年度: 1,000千円 (直接経費: 1,000千円)
2014年度: 1,000千円 (直接経費: 1,000千円)
2013年度: 1,000千円 (直接経費: 1,000千円)
キーワード分子動力学 / イオン輸送 / 油水界面 / water finger / 自由エネルギー曲面 / 摩擦係数 / 拡張系の方法 / 電位差制御 / 誘電体計算 / 液液界面 / 自由エネルギー / 電気二重層 / 界面 / 自由エネルギー計算 / レプリカ交換法 / 活性化障壁
研究実績の概要

27年度はこれまでの研究の成果として water finger の形成切断における自由エネルギー解析についての論文[1]を発表するとともに、更なる調査のため water finger の形成切断における摩擦の影響を調べた。 これまでの研究では油水界面におけるイオン輸送の反応速度定数が実験と理論で異なる原因として、活性化障壁や摩擦係数、電気二重層等多くの理由が考案されてきたが、具体的な解析方法がなく手が出せない領域であった。 我々はグラフ理論を利用することで water finger を適切に射影する座標の開発に成功し、その解析を可能とし、理論と実験のずれの原因が water finger 形成切断時の活性化障壁にあることが明らかにした。 また、界面近傍とバルクでイオン周りの水和数に大きな違いがあることも見出した。
water finger の解析に加え、電気二重層の影響を分子動力学計算に取り込む手法として拡張系の方法による電位差制御の手法開発に取り組んだ。 通常古典分子動力学では電位差の影響を外部電場として取り込むが、この手法では実験と定量的な関係を得るのが困難なためである。 拡張系の方法の開発では拡張系の変数を何にするかが重要であるが、我々は仮想的なコンデンサの電荷を拡張系の変数とすることで立式に成功した。 テスト系として水バルク系を用いて本式の妥当性を検証したところ、水の誘電率の再現に成功し本手法が正しく動くことを確認した。

[1] N. Kikkawa; L. Wang; A. Morita, J. Am. Chem. Soc. 137 (2015) 8022.

現在までの達成度 (段落)

27年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

27年度が最終年度であるため、記入しない。

報告書

(3件)
  • 2015 実績報告書
  • 2014 実績報告書
  • 2013 実績報告書
  • 研究成果

    (32件)

すべて 2015 2014 2013 その他

すべて 雑誌論文 (4件) (うち査読あり 4件、 オープンアクセス 1件、 謝辞記載あり 1件) 学会発表 (26件) (うち国際学会 3件、 招待講演 1件) 備考 (2件)

  • [雑誌論文] Microscopic Barrier Mechanism of Ion Transport through Liquid-Liquid Interface2015

    • 著者名/発表者名
      Nobuaki Kikkawa, Lingjian Wang, and Akihiro Morita
    • 雑誌名

      J. Am. Chem. Soc.

      巻: 137 号: 25 ページ: 8022-8025

    • DOI

      10.1021/jacs.5b04375

    • 関連する報告書
      2015 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Surface Acidity of Water Probed by Free Energy Calculation for Trimet hylamine Protonation2014

    • 著者名/発表者名
      Yusuke Tabe, Nobuaki Kikkawa, Hideaki Takahashi, and Akihiro Morita.
    • 雑誌名

      J. Phys. Chem. C

      巻: 118(2) 号: 2 ページ: 977-988

    • DOI

      10.1021/jp4078882

    • 関連する報告書
      2013 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Reply to"Commenton 'Surface Acidity of Water Probed by Free Energy Calculation for Trimethylamine Protonation'"2014

    • 著者名/発表者名
      Yusuke Tabe, Nobuaki Kikkawa, Hideaki Takahashi, and Akihiro Morita
    • 雑誌名

      J. Phys. Chem. C

      巻: 118(5) 号: 5 ページ: 2895-2895

    • DOI

      10.1021/jp5005083

    • 関連する報告書
      2013 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Tip-Enhanced Raman Spectroscopy of 4,4'-Bipyridine and 4,4'-Bipyridine N, N'-Dioxide Adsorbedon Gold Thin Films2013

    • 著者名/発表者名
      Izabela I. Rzeznicka, Hideyuki Horino, Nobuaki Kikkawa, Suguru Sakaguchi, Akihiro Morita, Satoshi Takahashi, Tadahiro Komeda, Hiroshi Fukumura, Taro Yamada, and Maki Kawai
    • 雑誌名

      Surf. Sci.

      巻: 617 ページ: 1-9

    • DOI

      10.1016/j.susc.2013.08.010

    • 関連する報告書
      2013 実績報告書
    • 査読あり
  • [学会発表] Role of Water Fingering in Ion Transport through Oil-Water Interface2015

    • 著者名/発表者名
      N. Kikkawa, L.-J. Wang, and A. Morita
    • 学会等名
      Pacifichem 2015
    • 発表場所
      Honolulu, HI, USA
    • 年月日
      2015-12-15
    • 関連する報告書
      2015 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 界面構造の座標化による油水界面のイオン輸送の解析、及び、拡張系の方法を用いた電位差一定のアンサンブルの実現2015

    • 著者名/発表者名
      吉川 信明、L.-J. Wang、森田 明弘
    • 学会等名
      第29回分子シミュレーション討論会
    • 発表場所
      新潟
    • 年月日
      2015-11-30
    • 関連する報告書
      2015 実績報告書
  • [学会発表] 界面構造の座標化による油水界面のイオン輸送の解析2015

    • 著者名/発表者名
      吉川 信明、L.-J. Wang、森田 明弘
    • 学会等名
      第61回ポーラログラフィーおよび電気分析化学討論会
    • 発表場所
      姫路
    • 年月日
      2015-11-24
    • 関連する報告書
      2015 実績報告書
  • [学会発表] 界面構造の座標化による油水界面のイオン輸送の解析2015

    • 著者名/発表者名
      吉川 信明、L.-J. Wang、森田 明弘
    • 学会等名
      第38回溶液化学シンポジウム
    • 発表場所
      高知
    • 年月日
      2015-10-21
    • 関連する報告書
      2015 実績報告書
  • [学会発表] 界面構造の座標化による油水界面のイオン輸送の解析2015

    • 著者名/発表者名
      吉川 信明、L.-J. Wang、森田 明弘
    • 学会等名
      第9回分子科学討論会
    • 発表場所
      東京
    • 年月日
      2015-09-16
    • 関連する報告書
      2015 実績報告書
  • [学会発表] 液液界面付近の水和イオンクラスター分布2015

    • 著者名/発表者名
      L.-J. Wang、吉川 信明、森田 明弘
    • 学会等名
      第9回分子科学討論会
    • 発表場所
      東京
    • 年月日
      2015-09-16
    • 関連する報告書
      2015 実績報告書
  • [学会発表] Study of Ion Transport through Liquid Interfaces by using Molecular Dynamics Simulation2015

    • 著者名/発表者名
      N. Kikkawa, L.-J. Wang, and A. Morita
    • 学会等名
      Tohoku University's Chemistry Summer School 2015
    • 発表場所
      仙台
    • 年月日
      2015-08-26
    • 関連する報告書
      2015 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Distribution of Hydrated Ion Clusters Transported through Water-Oil Interface2015

    • 著者名/発表者名
      L.-J. Wang, N. Kikkawa, and A. Morita
    • 学会等名
      Tohoku University's Chemistry Summer School 2015
    • 発表場所
      仙台
    • 年月日
      2015-08-26
    • 関連する報告書
      2015 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Molecular Dynamics Simulation of Ion transports through Liquid-Liquid Interface2015

    • 著者名/発表者名
      N. Kikkawa, L.-J. Wang, A. Morita
    • 学会等名
      249th ACS National Meeting
    • 発表場所
      Denver, CO, USA
    • 年月日
      2015-03-25
    • 関連する報告書
      2014 実績報告書
  • [学会発表] 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

    • 著者名/発表者名
      吉川 信明、Wang Lingjian;、 森田 明弘
    • 学会等名
      第60回ポーラログラフィーおよび電気分析化学討論会
    • 発表場所
      京都工芸繊維大学 60周年記念館(京都市・左京区)
    • 年月日
      2014-11-16
    • 関連する報告書
      2014 実績報告書
  • [学会発表] 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

    • 著者名/発表者名
      吉川 信明、Wang Lingjian、森田 明弘
    • 学会等名
      第28回分子シミュレーション討論会
    • 発表場所
      仙台市市民会館(宮城県・仙台市)
    • 年月日
      2014-11-12
    • 関連する報告書
      2014 実績報告書
  • [学会発表] Catalytic Effect of Trace Water on Ion Transport through Liquid-Liquid Interface2014

    • 著者名/発表者名
      Lingjian Wang, Nobuaki Kikkawa, Akihiro Morita
    • 学会等名
      第28回分子シミュレーション討論会
    • 発表場所
      仙台市市民会館(宮城県・仙台市)
    • 年月日
      2014-11-12
    • 関連する報告書
      2014 実績報告書
  • [学会発表] 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

    • 著者名/発表者名
      吉川 信明、Wang Lingjian;、森田 明弘
    • 学会等名
      第8回分子科学討論会
    • 発表場所
      広島大学東広島キャンパス(広島県・東広島市)
    • 年月日
      2014-09-23
    • 関連する報告書
      2014 実績報告書
  • [学会発表] 液液界面のイオン輸送における微量水の触媒効果2014

    • 著者名/発表者名
      王 Wang Lingjian、吉川 信明、森田 明弘
    • 学会等名
      第8回分子科学討論会
    • 発表場所
      広島大学東広島キャンパス(広島県・東広島市)
    • 年月日
      2014-09-23
    • 関連する報告書
      2014 実績報告書
  • [学会発表] Study of Ion Transport through Liquid Interface by using Molecular Dynamics Simulation2014

    • 著者名/発表者名
      Nobuaki Kikkawa, Akihiro Morita
    • 学会等名
      Tohoku University's Chemistry Summer School 2014
    • 発表場所
      Aobayama Campus Tohoku Universities,(Sendai,Japan)
    • 年月日
      2014-08-25
    • 関連する報告書
      2014 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Catalytic Effect of Trace Water on Ion Transport through Liquid-Liquid Interface -- Water Finger Formation and Hydration2014

    • 著者名/発表者名
      Lingjian Wang, Nobuaki Kikkawa, Akihiro Morita
    • 学会等名
      Tohoku University's Chemistry Summer School 2014
    • 発表場所
      Aobayama Campus Tohoku Unversities,(Sendai,Japan)
    • 年月日
      2014-08-24 – 2014-08-27
    • 関連する報告書
      2014 実績報告書
  • [学会発表] 分子動力学シミュレーションを用いたイオンの液体界面通過に伴う活性化障壁の解析2014

    • 著者名/発表者名
      吉川信明、森田明弘
    • 学会等名
      電気化学会第81回大会
    • 発表場所
      関西大学千里山キャンパス(大阪)
    • 関連する報告書
      2013 実績報告書
  • [学会発表] 2次元自由エネルギー曲面を用いた液体界面近傍におけるイオン輸送の解析2013

    • 著者名/発表者名
      吉川信明、森田明弘
    • 学会等名
      第4回計算統計物理学研究会
    • 発表場所
      山口大学工学部常盤キャンパス(宇部)
    • 年月日
      2013-10-05
    • 関連する報告書
      2013 実績報告書
  • [学会発表] イオンの界面通過に関する理論的研究2013

    • 著者名/発表者名
      吉川信明
    • 学会等名
      第2回分子科学若手シンポジウム
    • 発表場所
      分子科学研究所岡崎コンファレンスセンター(岡崎)
    • 年月日
      2013-08-21
    • 関連する報告書
      2013 実績報告書
  • [学会発表] イオン輸送に伴う液体界面の構造変化の役割2013

    • 著者名/発表者名
      吉川信明、森田明弘
    • 学会等名
      第7回分子科学討論会
    • 発表場所
      京都テルサ(京都)
    • 関連する報告書
      2013 実績報告書
  • [学会発表] Theoretical analysis of ion transport through soft interfaces2013

    • 著者名/発表者名
      N. Kikkcawa, A. Morita
    • 学会等名
      Tohoku University's Chemistry Summer School 2013
    • 発表場所
      東北大学青葉山北キャンパス(仙台)
    • 関連する報告書
      2013 実績報告書
  • [学会発表] 水溶液表面における酸性度の理論計算2013

    • 著者名/発表者名
      田部裕輔、吉川信明、高橋英明、森田明弘
    • 学会等名
      第7回分子科学討論会
    • 発表場所
      京都テルサ(京都)
    • 関連する報告書
      2013 実績報告書
  • [学会発表] Elucidation of surface acidity of trimethylamine water solution by computational method2013

    • 著者名/発表者名
      Y. Tabe, N Kikkawa, H. Takahashi, and A. Morita
    • 学会等名
      International Symposium for the 70th Anniversary of the Tohoku Branch of the Chemical Society of Japan
    • 発表場所
      東北大学川内北キャンパス(仙台)
    • 関連する報告書
      2013 実績報告書
  • [学会発表] The Effect of Ion Pair Fonmation on Ion Passage through the Liquid-Liquid Interface2013

    • 著者名/発表者名
      N. Kikkawa, A. Morita
    • 学会等名
      International Symposium for the 70th Anniversary of the Tohoku Branch of the Chemical Society of Japan
    • 発表場所
      東北大学川内北キャンパス(仙台)
    • 関連する報告書
      2013 実績報告書
  • [学会発表] Analysis of ion transport by using 2D free energy profile2013

    • 著者名/発表者名
      N. Kikkawa, A. Morita
    • 学会等名
      3rd International Conference on Molecular Simulation
    • 発表場所
      Kobe Int'l Conference Center(神戸)
    • 関連する報告書
      2013 実績報告書
  • [学会発表] イオンの界面通過に関する理論的研究2013

    • 著者名/発表者名
      吉川信明
    • 学会等名
      第17回分子シミュレーション夏の学校
    • 発表場所
      湯沢ニューオータニホテル(越後湯沢)
    • 関連する報告書
      2013 実績報告書
  • [備考] Publications

    • URL

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

    • 関連する報告書
      2015 実績報告書
  • [備考]

    • URL

      http://comp.chem.tohoku.ac.jp/publications.htm1

    • 関連する報告書
      2013 実績報告書

URL: 

公開日: 2014-01-29   更新日: 2024-03-26  

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