水素の先端計算による水素機能の高精度予測

2020 年度 実績報告書

• 研究領域: ハイドロジェノミクス：高次水素機能による革新的材料・デバイス・反応プロセスの創成
• 研究課題/領域番号: 18H05519
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 常行 真司 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 教授 (90197749)
• 研究分担者: 志賀 基之 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構, システム計算科学センター, 研究主幹 (40370407) ; 濱田 幾太郎 大阪大学, 工学研究科, 准教授 (80419465) ; 杉野 修 東京大学, 物性研究所, 教授 (90361659)
• 研究期間 (年度): 2018-06-29 – 2023-03-31
• キーワード: 水素 / ハイドロジェノミクス / 高次水素機能 / 第一原理計算 / データ同化

研究実績の概要

水素データ同化に粉末回折実験データの強度を直接用いる相関関数型ペナルティー関数を導入した。この改良により、実験データが大きなノイズを含む場合にも水素データ同化が可能であることを確認した。またX線と中性子の粉末回折実験データを同時に用いる手法を開発し、これにより結晶構造決定の成功率が向上することを示した。
第一原理経路積分計算を用いて水素の量子効果を取り入れ、水溶液における酸解離定数を非経験的計算で正しく評価することに初めて成功した。古典論では水の自己解離定数pKwを過大評価する問題が知られていたが、水素の量子ゆらぎは水分子の解離を大きく促進し、pKwを4程度下げる効果があることを見出し、重水のpKwが軽水のそれよりも高い理由も説明することができた。この研究を通じて、酸・塩基性の基本的指標である酸解離定数の精緻な予測において、水素の量子効果の考慮が不可欠であることが明らかとなった。
ギ酸分子（HCOOH）は水素キャリアの候補の一つとして研究が行われている。HCOOHは表面上で凝集体を形成する。さらに昇温により脱水素化しフォルメイト（HCOO）となり、昇温する温度に依存したHCOOH-HCOO複合体超構造を形成する。しかしながらそれらの構造は決定されていなかった。本研究では走査型トンネル顕微鏡、非接触原子間力顕微鏡およびDFT計算により銅(111)表面上に形成されたHCOOHおよびHCOOH-HCOO複合体の凝集体超構造の決定に成功した。
A03-2班の小林グループと共同でH-導電体Ba56Li32H88O28の研究を行い、超イオン導電体としての機能性を調べた。実験から推定された構造に基づき第一原理分子動力学シミュレーションを行い、高温相においてH-がLi+と相関しながら拡散する様子(協奏的拡散)を捉え、それが高速なH-伝導の原因になっていることを示唆した。

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

水素データ同化手法による結晶構造予測の成功率が大きく向上し、より実用的な手法になった。
経路積分第一原理分子動力学法により、水素を含む物質で、原子核の量子効果が本質的に重要であることを示す事例が見つかった。
そのほか、領域内外の実験グループとの連携が進み、水素を含む様々な系の構造やダイナミクスのシミュレーションが進展した。

今後の研究の推進方策

不完全な回折実験データを利用する水素データ同化構造探索手法を用いて、計画研究A01、A02、A05-1、および領域外の研究グループと連携して、水素を含む結晶の実験データを用いた実証計算を行う。とくに水素が重要な役割を果たすイオン伝導体の動的構造と、水素を含む新規材料の構造を明らかにする。
アモルファス氷中ミューオンの計算（A05-1との連携）、有機プロトン伝導体の計算(A03-2との連携)を行うとともに、金属中水素拡散の計算、水溶液や水素結合系誘電体の構造に関する経路積分計算、PIMD コードの拡張（A05-2内部連携、機械学習ポテンシャルの実装など）を進める。中性子実験との共同研究を模索する（A05-1, A01と連携）。
A03-2と連携してヒドリド伝導体中の水素イオンとリチウムイオンの協奏的拡散機構を解明する。第一原理からの分子動力学法・モンテカルロ計算手法を用いて拡散と構造相転移の関連を明らかにする。また、ほかの班と広く連携して物質中の水素イオン拡散に関する学理を構築する。
A04を中心とした研究計画および領域内外の実験グループと連携し、表面吸着分子系における水素の同位体効果の起源の解明、ギ酸およびフォルメートの表面吸着状態および反応素過程の解明、ホウ化水素シートからの水素発生のメカニズムの解明などに取り組む。酸化物中のプロトン拡散に関する研究にも取り組む。

研究成果

• [雑誌論文] Refined metadynamics through canonical sampling using time‐invariant bias potential: A study of polyalcohol dehydration in hot acidic solutions (2021)
  • 著者名/発表者名: Kondo Tomomi、Sasaki Takehiko、Ruiz‐Barragan Sergi、Ribas‐Ari?o Jordi、Shiga Motoyuki
  • 雑誌名: Journal of Computational Chemistry 巻: 42 ページ: 156～165
  • DOI: 10.1002/jcc.26443
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Anomalous High‐Temperature Superconductivity in YH6 (2021)
  • 著者名/発表者名: I. A. Troyan, D. V. Semenok, A. G. Kvashnin, A. V. Sadakov, O. A. Sobolevskiy, V. M. Pudalov, A. G. Ivanova, V. B. Prakapenka, E. Greenberg, A. G. Gavriliuk, I. S. Lyubutin, V. V. Struzhkin, A. Bergara, I. Errea, R. Bianco, M. Calandra, F. Mauri, L. Monacelli, R. Akashi, A. R. Oganov
  • 雑誌名: Advanced Materials 巻: 33 ページ: 2006832-1-10
  • DOI: 10.1002/adma.202006832
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] 実験とシミュレーションのデータ同化に基づく効率的結晶構造決定 (2021)
  • 著者名/発表者名: 濱田幾太郎、常行真司
  • 雑誌名: セラミックス 巻: 56 ページ: 100-103
  • 査読あり
• [雑誌論文] 水素の先端計算による水素機能の高精度解析 (2021)
  • 著者名/発表者名: 常行真司
  • 雑誌名: まてりあ 巻: 60 ページ: 176-180
  • 査読あり
• [雑誌論文] Nuclear quantum effects on autoionization of water isotopologs studied by ab initio path integral molecular dynamics (2021)
  • 著者名/発表者名: B. Thomsen, M. Shiga
  • 雑誌名: Journal of Chemical Physics 巻: 154 ページ: 084117-1-10
  • DOI: 10.1063/5.0040791
  • 査読あり
• [雑誌論文] Quantum nuclei at Weakly Bonded Interfaces: The Case of Cyclohexane on Rh(111) (2021)
  • 著者名/発表者名: K. Fidanyan, I. Hamada, and M. Rossi
  • 雑誌名: Adv. Theory Simul. 巻: 4 ページ: 2000241-1-10
  • DOI: 10.1002/adts.202000241
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Role of intermolecular interactions in catalytic reaction of formic acid on Cu(111) (2021)
  • 著者名/発表者名: A. Shiotari, S. E. M. Putra, Y. Shiozawa, Y. Hamamoto, K. Inagaki, Y. Morikawa Y. Sugimoto, J. Yoshinobu, and I. Hamada
  • 雑誌名: Small 巻: 2021 ページ: 2008010-1-10
  • DOI: 10.1002/smll.202008010
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Effect of spin fluctuations on superconductivity in V and Nb: A first-principles study (2020)
  • 著者名/発表者名: K.Tsutsumi, Y. Hizume, M.Kawamura, R. Akashi, S. Tsuneyuki
  • 雑誌名: Physica Review B 巻: 102 ページ: 214515-1-10
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.102.214515
  • 査読あり
• [雑誌論文] Self-learning hybrid Monte Carlo: A first principles approach (2020)
  • 著者名/発表者名: Y. Nagai, M. Okumura, K. Kobayashi, M. Shiga
  • 雑誌名: Physical Review B (Rapid Communication) 巻: 102 ページ: 41124-1-6
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.102.041124
  • 査読あり
• [雑誌論文] 最近の研究から「経路積分法で探る金属中の水素の拡散メカニズム」 (2020)
  • 著者名/発表者名: 君塚肇, 尾方成信, 志賀基之
  • 雑誌名: 日本物理学会誌 巻: 75 ページ: 484-490
  • 査読あり
• [雑誌論文] Quantum-Mechanical Hydration Plays Critical Role in the Stability of Firefly Oxyluciferin Isomers: State-of-the-art Calculations of the Excited States (2020)
  • 著者名/発表者名: Y. Noguchi, M. Hiyama, M. Shiga, O. Sugino, H. Akiyama
  • 雑誌名: Journal of Chemical Physics 巻: 153 ページ: 201103-1-6
  • DOI: 10.1063/5.0031356
  • 査読あり
• [雑誌論文] Self-limiting processes in thermal atomic layer etching of nickel by hexafluoroacetylacetone (2020)
  • 著者名/発表者名: A. H. Basher, I. Hamada, and S. Hamaguchi
  • 雑誌名: Jpn J. Appl. Phys. 巻: 59 ページ: 90905-1-3
  • DOI: 10.35848/1347-4065/aba9a7
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Polarity reversal of the charge carrier in tetragonal TiHx (x=1.6-2.0) at low temperatures (2020)
  • 著者名/発表者名: R. Shimizu, Y. Sasahara, I. Hamada, H. Oguchi, S. Ogura, T. Shirasawa, M. Kitamura, K. Horiba, H. Kumigashira, S. Orimo, K. Fukutani, and T. Hitosugi
  • 雑誌名: Phys. Rev. Research 巻: 2 ページ: 033467-1-9
  • DOI: 10.1103/PhysRevResearch.2.033467
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Manipulable Metal Catalyst for Nanographene Synthesis (2020)
  • 著者名/発表者名: A. Shiotari, I. Hamada, T. Kakae, S. Mori, T. Okujima, H. Uno, H. Sakaguchi, Y. Hamamoto, Y. Morikawa, and Y. Sugimoto
  • 雑誌名: Nano Lett. 巻: 20 ページ: 8389-8345
  • DOI: 10.1021/acs.nanolett.0c03510
  • 査読あり
• [学会発表] First-principles material simulation and beyond (2021)
  • 著者名/発表者名: S. Tsuneyuki
  • 学会等名: MANA International Symposium 2021 Jointly with ICYS
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] LiCB9H10のLi伝導機構に関する分子動力学計算 (2021)
  • 著者名/発表者名: 佐藤 龍平, 佐藤 豊人, 吉川 誠司, 本田 孝志, 大友 季哉, 折茂 慎一, 常行 真司:
  • 学会等名: 日本物理学会 第76回年次大会
• [学会発表] マテリアルズインフォマティクスの近況について (2021)
  • 著者名/発表者名: 常行真司
  • 学会等名: 物性研究所研究会「物性科学におけるデータ科学の今と未来」
  • 招待講演
• [学会発表] 計測とシミュレーションの水素データ同化 (2021)
  • 著者名/発表者名: 常行真司
  • 学会等名: 日本化学会第101春季年会
  • 招待講演
• [学会発表] Crystal structure prediction by assimilating incomplete powder diffraction data (2020)
  • 著者名/発表者名: S. Tsuneyuki
  • 学会等名: Conference on a Fair Data Infrastructure for Materials Genomics
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 不完全な粉末回折実験データを用いたデータ同化結晶構造探索 (2020)
  • 著者名/発表者名: 常行真司
  • 学会等名: 787th ASRC Seminar,
  • 招待講演
• [学会発表] 計測とシミュレーションの水素データ同化 (2020)
  • 著者名/発表者名: 常行真司
  • 学会等名: 日本物理学会2020年秋季大会シンポジウム
  • 招待講演
• [学会発表] CMD Studies and Special Lecture: Path integral Simulations (2020)
  • 著者名/発表者名: M. Shiga
  • 学会等名: 37th Computaional Materials Design Workshop
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 階層的並列化された第一原理経路積分計算 (2020)
  • 著者名/発表者名: 志賀基之
  • 学会等名: 物性研究所スパコン共同利用・CCMS合同研究会「計算物質科学の新展開2020」
  • 招待講演