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正四面体型分子結晶の多様性と特異性

研究課題

研究課題/領域番号 23K20830
補助金の研究課題番号 21H01047 (2021-2023)
研究種目

基盤研究(B)

配分区分基金 (2024)
補助金 (2021-2023)
応募区分一般
審査区分 小区分13040:生物物理、化学物理およびソフトマターの物理関連
研究機関岡山大学

研究代表者

松本 正和  岡山大学, 異分野基礎科学研究所, 准教授 (10283459)

研究分担者 田中 秀樹  公益財団法人豊田理化学研究所, フェロー事業部門, フェロー (80197459)
研究期間 (年度) 2021-04-01 – 2026-03-31
研究課題ステータス 交付 (2024年度)
配分額 *注記
12,610千円 (直接経費: 9,700千円、間接経費: 2,910千円)
2025年度: 2,340千円 (直接経費: 1,800千円、間接経費: 540千円)
2024年度: 2,340千円 (直接経費: 1,800千円、間接経費: 540千円)
2023年度: 2,340千円 (直接経費: 1,800千円、間接経費: 540千円)
2022年度: 2,340千円 (直接経費: 1,800千円、間接経費: 540千円)
2021年度: 3,250千円 (直接経費: 2,500千円、間接経費: 750千円)
キーワード正四面体型分子 / 結晶構造推定 / 相図の作成 / 理論化学 / 分子シミュレーション / 分子動力学 / 正四面体分子 / 多形 / プラスチック相 / 相図 / 計算機シミュレーション / 結晶探索 / 結晶化
研究開始時の研究の概要

正四面体の頂点方向に結合を伸ばしている小分子を正四面体型分子族と呼ぶ。典型的なものはメタン分子だが、水分子も広い意味ではこれに属 する。水には18種類、メタンには9種類の結晶構造が存在する。なぜ小さく単純な分子がこれほど多数の結晶構造を持つのかを知るために、正 四面体型分子族を広く調査し、より単純な球形や円筒形の分子との違いを探る。

研究実績の概要

メタンに代表される、正四面体型の分子の結晶構造を俯瞰的に調査する。水分子は4面体型ネットワークにより、19種類もの結晶構造を持つことが知られており、 単成分の単純な物質としては異常に多様な相があると言われている。しかし、水素結合の向きの乱雑性に起因する水素無秩序性の効果を除くと、実質的には6種類 (I,II,III,V,VI,VII)の安定結晶相を持つ。一方、水分子よりもさらに対称性が高く単純な分子と言えるメタンには、実に9種類の安定結晶相が知られている。ま た、単純な分子の結晶構造は単純とは限らず、メタンB相は単位胞に29分子を含み、最も複雑な高圧氷相である氷Vの28分子を凌ぐ超複雑結晶を持つと言われてい る。四面体型分子の結晶が複雑になる原因の一つは、立体構造のパッキングしにくさにあると考えられる。実際、剛体正四面体の最密充填構造は準結晶になると 言われている。メタンを含む正四面体型分子は、球と正四面体剛体の中間構造とみなすことができ、どのように結晶構造が決定されるのかが興味深い。2023年度は幅広い温度圧力範囲におけるメタンの結晶構造を計算機シミュレーションにより調査し、各条件での結晶構造を生成した。そして、複数の結合配向秩序指標を組みあわせた特徴量を用いて結晶構造の並進構造を識別した上で、多様体学習により構造の分類を行った。その結果、実験の相図と比べて多少の温度圧力のずれはあるものの、相図を再現できることがわかった。2024年度は分子配向の情報を含めることで、プラスチック相などの配向の多様性も含めたさらに詳細な分類を試みる。

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

技術上の問題や不手際による遅滞はあったが、現在はこれらを克服し、順調に計算できる状態となった。また、申請者の機械学習手法に関する理解が進み、より先進的な手法が適用可能となった。

今後の研究の推進方策

水の多形調査において共存法を使用した経験から、固液の界面付近では活発に構造変化が起こり、初期配置で準備した結晶構造とは異なる、より安定な結晶が成長することがしばしば観察されることがわかっている。これをメタンの結晶化にも応用し、メタンA相やB相と液体が共存した状態を準備して、圧力や温度を制御することにより結晶成長させ、未知結晶構造の形成を期待する。これらの手法をメタン以外の四面体型分子にも随時適用する。構造解析については、分子配向と並進秩序を同時に検出できる特徴量のデザインを進める。また、シミュレーションセル全体が単結晶にならない場合でも、局所的な分子配置から結晶構造を推測できる汎用的な手法を開発する。

報告書

(3件)
  • 2023 実績報告書
  • 2022 実績報告書
  • 2021 実績報告書
  • 研究成果

    (17件)

すべて 2024 2023 2022 2021 その他

すべて 雑誌論文 (10件) (うち査読あり 10件、 オープンアクセス 3件) 学会発表 (4件) (うち国際学会 4件、 招待講演 3件) 備考 (3件)

  • [雑誌論文] 氷の高次構造と均衡原理2024

    • 著者名/発表者名
      MATSUMOTO Masakazu、NIIYA Keisuke、TANAKA Hideki
    • 雑誌名

      日本結晶学会誌

      巻: 66 号: 1 ページ: 39-47

    • DOI

      10.5940/jcrsj.66.39

    • ISSN
      0369-4585, 1884-5576
    • 年月日
      2024-02-29
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] GenIce-core: Efficient algorithm for generation of hydrogen-disordered ice structures2024

    • 著者名/発表者名
      Matsumoto Masakazu、Yagasaki Takuma、Tanaka Hideki
    • 雑誌名

      The Journal of Chemical Physics

      巻: 160 号: 9 ページ: 094101-094101

    • DOI

      10.1063/5.0198056

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] On the phase behaviors of CH4?CO2 binary clathrate hydrates: Two-phase and three-phase coexistences2023

    • 著者名/発表者名
      Tanaka Hideki、Matsumoto Masakazu、Yagasaki Takuma
    • 雑誌名

      The Journal of Chemical Physics

      巻: 158 号: 22 ページ: 224502-224502

    • DOI

      10.1063/5.0155143

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Efficiency and energy balance for substitution of CH4 in clathrate hydrates with CO2 under multiple-phase coexisting conditions2023

    • 著者名/発表者名
      Tanaka Hideki、Matsumoto Masakazu、Yagasaki Takuma
    • 雑誌名

      The Journal of Chemical Physics

      巻: 159 号: 19 ページ: 194504-194504

    • DOI

      10.1063/5.0179655

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Structure Selectivity of Mixed Gas Hydrates and Group 14 Clathrates2022

    • 著者名/発表者名
      Matsumoto Masakazu、Tanaka Hideki
    • 雑誌名

      Energy & Fuels

      巻: 36 号: 18 ページ: 10667-10674

    • DOI

      10.1021/acs.energyfuels.2c01337

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] On the role of intermolecular vibrational motions for ice polymorphs. IV. Anisotropy in the thermal expansivity and the nonaffine deformation for ice IX and III2022

    • 著者名/発表者名
      Tanaka Hideki、Matsumoto Masakazu、Yagasaki Takuma
    • 雑誌名

      The Journal of Chemical Physics

      巻: 157 号: 17 ページ: 174505-174505

    • DOI

      10.1063/5.0123349

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] 氷生成ツール GenIce2022

    • 著者名/発表者名
      松本正和
    • 雑誌名

      アンサンブル: 分子シミュレーション研究会会誌

      巻: 24 ページ: 251-255

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] On the role of intermolecular vibrational motions for ice polymorphs. III. Mode characteristics associated with negative thermal expansion2021

    • 著者名/発表者名
      Tanaka Hideki、Yagasaki Takuma、Matsumoto Masakazu
    • 雑誌名

      The Journal of Chemical Physics

      巻: 155 号: 21 ページ: 214502-214502

    • DOI

      10.1063/5.0068560

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Novel Algorithm to Generate Hydrogen-Disordered Ice Structures2021

    • 著者名/発表者名
      Matsumoto Masakazu、Yagasaki Takuma、Tanaka Hideki
    • 雑誌名

      Journal of Chemical Information and Modeling

      巻: 61 号: 6 ページ: 2542-2546

    • DOI

      10.1021/acs.jcim.1c00440

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] On the anomalous homogeneity of hydrogen-disordered ice and its origin2021

    • 著者名/発表者名
      Matsumoto Masakazu、Yagasaki Takuma、Tanaka Hideki
    • 雑誌名

      The Journal of Chemical Physics

      巻: 155 号: 16 ページ: 164502-164502

    • DOI

      10.1063/5.0065215

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり
  • [学会発表] Balance Principle on the Hydrogen Bond Network of Ice2023

    • 著者名/発表者名
      Masakazu Matsumoto, Takuma Yagasaki, and Hideki Tanaka
    • 学会等名
      The 9th International Discussion Meeting on Relaxations in Complex Systems (9 IDMRCS)
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Balance Principle on the Hydrogen Bond Network of Ice2023

    • 著者名/発表者名
      Masakazu Matsumoto, Takuma Yagasaki, and Hideki Tanaka
    • 学会等名
      The 15th International Conference on the Physics and Chemistry of Ice (PCI-2023)
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] The polymorphism of Ice2021

    • 著者名/発表者名
      Masakazu Matsumoto
    • 学会等名
      International Conference on Discrete Geometric Analysis for Materials Design
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Homogeneity of ice and spin ice2021

    • 著者名/発表者名
      Masakazu Matsumoto, Takuma Yagasaki, Hideki Tanaka
    • 学会等名
      MRM2021
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [備考] Core algorithms of GenIce2 version 0.9.1

    • URL

      https://github.com/genice-dev/genice-core

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [備考] 氷生成ツールGenIceのリポジトリ

    • URL

      https://github.com/vitroid/GenIce

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [備考] 水素無秩序氷のトポロジーを超高速で生成するアルゴリズム

    • URL

      https://github.com/vitroid/TileCycles

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書

URL: 

公開日: 2021-04-28   更新日: 2024-12-25  

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