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水の光分解・放射線分解に関する物理化学過程の理論的研究

研究課題

研究課題/領域番号 22K04993
研究種目

基盤研究(C)

配分区分基金
応募区分一般
審査区分 小区分31010:原子力工学関連
研究機関国立研究開発法人日本原子力研究開発機構

研究代表者

甲斐 健師  国立研究開発法人日本原子力研究開発機構, 原子力科学研究部門 原子力科学研究所 原子力基礎工学研究センター, 研究主幹 (70403037)

研究期間 (年度) 2022-04-01 – 2025-03-31
研究課題ステータス 交付 (2023年度)
配分額 *注記
4,030千円 (直接経費: 3,100千円、間接経費: 930千円)
2024年度: 780千円 (直接経費: 600千円、間接経費: 180千円)
2023年度: 780千円 (直接経費: 600千円、間接経費: 180千円)
2022年度: 2,470千円 (直接経費: 1,900千円、間接経費: 570千円)
キーワード水の光分解・放射線分解 / モンテカルロコード
研究開始時の研究の概要

水の光分解・放射線分解に関する基礎研究は、生命科学や原子力科学における新たな知見となる。その過程は、物理・物理化学・化学過程に分類される。その中でも特に、化学活性種の初期生成に相当する物理化学過程は、実験・シミュレーション共に非常に困難であり、多くの未解明メカニズムが存在する。本研究では、物理化学過程に特化した計算コードを高度化することで、ラジカルの初期生成メカニズムを解明し、得られた結果を化学過程に接続することで、水分解の全貌解明を目指す。この基礎科学における新展開は、自然科学におけるブレークスルーとなり、水分解が関与する生命科学・原子力科学のみならず様々な分野のイノベーションに貢献する。

研究実績の概要

水の光分解・放射線分解に関する最先端の基礎研究は、生命科学における放射線DNA損傷や原子力科学における水化学の新たな知見となるため社会的関心が非常に高い。その過程は、物理・物理化学・化学過程に分類される。その中でも特に、化学活性種の初期生成に相当する物理化学過程は、実験・シミュレーション共に非常に困難であり、多くの未解明メカニズムが存在する。本研究では、物理化学過程に特化した計算コードを高度化することで、ラジカルの初期生成メカニズムを解明し、得られた結果を化学過程に接続することで、水分解の全貌解明を目指す。この基礎科学における新展開は、自然科学におけるブレークスルーとなり、水分解が関与する生命科学・原子力科学のみならず様々な分野のイノベーションに貢献する。
令和5年度は、水の光分解により生じるスパーの初期空間分布を理論予測した。その結果は実験値を再現し、物理化学コードを検証した。本研究でさらに、水中における電子の減速、熱化、水和の時間スケールを決定することにも成功した。この成果を発展させ、スパーのエネルギー付与依存性を明らかにした。ここでは、スパー半径と電子の熱化の関係を明らかにすることにも成功した。また、水の光分解の結果生じる水の分解化学種の拡散反応をシミュレーションする化学コードを開発した。この化学コードを利用した、水の分解化学種が誘起するDNA損傷の収量を理論予測可能にした。これにより、放射線物理と放射線化学の理論的融合研究を推進した。これらの成果は、今後展開する水分解の全貌解明に向けた基礎基盤となる。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

令和5年度は当初計画どおりに以下、(1)~(3)に挙げるとおり、物理化学過程における研究成果を挙げ、化学コードの開発に成功したことから、おおむね順調に進展している、と判断する。
(1)水の光分解の結果生じるスパーの空間分布を理論予測し、化学実験から得られた実験値を再現することに成功し、米国物理学協会のThe Journal of chemical physics (IF=4.4)に掲載された。
(2)光分解におけるスパーのエネルギー付与依存性を明らかにした。これにより、スパー半径と電子の熱化時間の関係が明らかになり、英国化学会のRSC Advances (IF=3.9)に掲載された。
(3)放射線物理と放射線化学の理論的融合研究を展開するための、化学コードを開発した。

今後の研究の推進方策

令和6年度は、以下に挙げる(1)~(3)を実施する。
(1)開発した物理化学コードと化学コードを接続し、水の光分解における実験結果を解析することで、新たな光速化学反応経路の発見を目指す。
(2)物理化学コードと化学コードを発展させ、水の放射線分解に関する物理と化学の理論的融合研究を推進する。
(3)開発した化学コードを利用した応用研究を展開する。ここでは、放射線生物影響に関与する複雑なDNA損傷の定量的評価を実施する。

報告書

(2件)
  • 2023 実施状況報告書
  • 2022 実施状況報告書
  • 研究成果

    (11件)

すべて 2024 2023 2022

すべて 雑誌論文 (10件) (うち国際共著 2件、 査読あり 10件、 オープンアクセス 4件) 学会発表 (1件) (うち招待講演 1件)

  • [雑誌論文] A step-by-step simulation code for estimating yields of water radiolysis species based on electron track-structure mode in the PHITS code2024

    • 著者名/発表者名
      Matsuya Yusuke、Yoshii Yuji、Kusumoto Tamon、Akamatsu Ken、Hirata Yuho、Sato Tatsuhiko、Kai Takeshi
    • 雑誌名

      Physics in Medicine & Biology

      巻: 69 号: 3 ページ: 035005-035005

    • DOI

      10.1088/1361-6560/ad199b

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Development of a model for evaluating the luminescence intensity of phosphors based on the PHITS track-structure simulation2024

    • 著者名/発表者名
      Hirata Yuho、Kai Takeshi、Ogawa Tatsuhiko、Matsuya Yusuke、Sato Tatsuhiko
    • 雑誌名

      Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms

      巻: 547 ページ: 165183-165183

    • DOI

      10.1016/j.nimb.2023.165183

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Changes in molecular conformation and electronic structure of DNA under 12C ions based on first-principles calculations2024

    • 著者名/発表者名
      Sekikawa Takuya、Matsuya Yusuke、Hwang Beomju、Ishizaka Masato、Kawai Hiroyuki、?no Yoshiaki、Sato Tatsuhiko、Kai Takeshi
    • 雑誌名

      Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms

      巻: 548 ページ: 165231-165231

    • DOI

      10.1016/j.nimb.2023.165231

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Nature of the physicochemical process in water photolysis uncovered by a computer simulation2023

    • 著者名/発表者名
      Kai Takeshi、Toigawa Tomohiro、Ukai Masatoshi、Fujii Kentaro、Watanabe Ritsuko、Yokoya Akinari
    • 雑誌名

      The Journal of Chemical Physics

      巻: 158 号: 16 ページ: 164103-164103

    • DOI

      10.1063/5.0149333

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] First-principles simulation of an ejected electron produced by monochromatic deposition energy to water at the femtosecond order2023

    • 著者名/発表者名
      Kai Takeshi、Toigawa Tomohiro、Matsuya Yusuke、Hirata Yuho、Tezuka Tomoya、Tsuchida Hidetsugu、Yokoya Akinari
    • 雑誌名

      RSC Advances

      巻: 13 号: 46 ページ: 32371-32380

    • DOI

      10.1039/d3ra05075k

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Improvement of the hybrid approach between Monte Carlo simulation and analytical function for calculating microdosimetric probability densities in macroscopic matter2023

    • 著者名/発表者名
      Sato Tatsuhiko、Matsuya Yusuke、Ogawa Tatsuhiko、Kai Takeshi、Hirata Yuho、Tsuda Shuichi、Parisi Alessio
    • 雑誌名

      Physics in Medicine & Biology

      巻: 68 号: 15 ページ: 155005-155005

    • DOI

      10.1088/1361-6560/ace14c

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Development of an electron track-structure mode for arbitrary semiconductor materials in PHITS2023

    • 著者名/発表者名
      Hirata Yuho、Kai Takeshi、Ogawa Tatsuhiko、Matsuya Yusuke、Sato Tatsuhiko
    • 雑誌名

      Japanese Journal of Applied Physics

      巻: 62 号: 10 ページ: 106001-106001

    • DOI

      10.35848/1347-4065/ad00f4

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Initial yield of hydrated electron production from water radiolysis based on first-principles calculation2023

    • 著者名/発表者名
      Takeshi Kai, Tomohiro Toigawa, Yusuke Matsuya, Yuho Hirata, Tomoya Tezuka, Hidetsugu Tsuchida, Akinari Yokoya
    • 雑誌名

      Royal Society of Chemistry Advances

      巻: 13 号: 11 ページ: 7076-7086

    • DOI

      10.1039/d2ra07274b

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] An Analytical Method for Quantifying the Yields of DNA Double-Strand Breaks Coupled with Strand Breaks by γ-H2AX Focus Formation Assay Based on Track-Structure Simulation2023

    • 著者名/発表者名
      Yachi Yoshie、Matsuya Yusuke、Yoshii Yuji、Fukunaga Hisanori、Date Hiroyuki、Kai Takeshi
    • 雑誌名

      International Journal of Molecular Sciences

      巻: 24 号: 2 ページ: 1386-1386

    • DOI

      10.3390/ijms24021386

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Impact of the Lorentz force on electron track structure and early DNA damage yields in magnetic resonance-guided radiotherapy2022

    • 著者名/発表者名
      Yachi Yoshie、Kai Takeshi、Matsuya Yusuke、Hirata Yuho、Yoshii Yuji、Date Hiroyuki
    • 雑誌名

      Scientific Reports

      巻: 12 号: 1 ページ: 16412-16412

    • DOI

      10.1038/s41598-022-18138-3

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [学会発表] 放射線生物影響の最初期過程に関する計算機シミュレーション ―DNA損傷の直接効果と間接効果―2023

    • 著者名/発表者名
      甲斐健師
    • 学会等名
      第3回日本量子医科学会学術大会
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 招待講演

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公開日: 2022-04-19   更新日: 2024-12-25  

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