| 研究領域 | 超秩序構造が創造する物性科学 |
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| 研究課題/領域番号 |
20H05883
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| 研究機関 | 国立研究開発法人物質・材料研究機構 |
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研究代表者 |
中田 彩子 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 国際ナノアーキテクトニクス研究拠点, 主幹研究員 (20595152)
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| 研究分担者 |
鷹野 優 広島市立大学, 情報科学研究科, 教授 (30403017)
森川 良忠 大阪大学, 大学院工学研究科, 教授 (80358184)
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| 研究期間 (年度) |
2020-11-19 – 2025-03-31
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| キーワード | 超秩序構造 / 大規模第一原理計算 / 大域的構造探索 / 金属含有タンパク質 / 物性物理 / 理論化学 |
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| 研究実績の概要 |
本研究班では、「超秩序構造」を持つ物質の詳細な構造、物性や反応性を大規模第一原理計算により高精度に解明、予測することを目指している。2022年度の研究実績を以下に示す。
物材機構のグループでは、ゼオライトのAl置換や分子吸着の骨格依存性の解析を行った。環境汚染分子N2Oの吸着・回収に有力なMORゼオライト骨格において、CaカチオンとNaカチオンではCaのほうが分子吸着において優位であること、またT3サイトにAlが置換され且つ8員環にカチオンが導入されている配置が優位であることを示した。また、シリカの様々な多形構造に対して、独自の教師なし次元削減手法を用いた局所構造解析を行った。さらに、温度による構造相転移、メルトクエンチ法によるアモルファス構造作成過程における構造変化に対してこの手法を適用した解析を行なった。
阪大のグループでは、誘電材料における異種元素ドープによる巨大誘電応答に関して、誘電率の汎関数依存性と擬ポテンシャル依存性について系統的に調べた。誘電率には光学フォノンが寄与するが、この光学フォノンの振動数が用いる擬ポテンシャルや交換相関相互作用に大きく依存することがわかり、精度良く計算するにはこれらの計算手法を注意深く選択する必要があることがわかった。加えて、ポーラロンの拡散過程についても詳細に調べ、どのような配置が安定であるかについて調べた。
広島市大のグループでは、金属含有タンパク質内の「超秩序構造」が生み出す機能の解明に取り組んだ。植物型フェレドキシン内の[2Fe-2S]クラスターに関して、酸化型と還元型でのクラスターの周りの構造変化について明らかにした。また、ヘムについては、データベースPyDISHの自動更新を可能にした。さらには深層学習の一つである畳み込みニューラルネットワークを用いてヘムタンパク質の機能分類器の作成・評価を行った。
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| 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
全てのメンバーが実験との共同研究について議論し、進捗が見られている。研究員の雇用も順調に行われた。
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| 今後の研究の推進方策 |
物材機構ではゼオライトの分子吸着に関して、領域内のトポロジー解析と連携しながら、格子の形状と吸着性能との相関の解析を行う。Liイオン電池負極に関しては、大規模第一原理計算によりドーパントの配置と安定性や電子状態、およびLiイオン充放電との関連について解析する。反強誘電体を示す新規材料の探索にも取り組む。アモルファス構造のモデリングに関しては、独自に開発してきた大規模第一原理計算手法と局所構造解析手法を用いた研究を進める。シリカ系ガラスに対しては昨年度に開始した様々な条件での構造モデリングを引き続き行う。詳細な局所構造解析により、それぞれの構造の共通点と相違点を明らかにする。添加物の影響も調べる。また、金属ガラスに対しても同様の局所構造解析を行い、シリカ系との比較を行う。
大阪大学では酸化物中に異種元素をドープした際の周辺構造に関して、第一原理電子状態計算により安定構造を求める。さらに、異種元素ドープによって生成するポーラロン状態を求め、その安定状態について詳細に調べる。TiO2にNbを単原子でドープした際に誘電率の増強が観測されなかったが、計算条件をさらに検討してこの結果を確かめる。単原子ドープでは増強されないことが確定できれば、次は複数のドーパントの相互作用を計算し、どのような配置が安定か、また構造と分極の関係を明らかにする。
広島市大では生体超秩序構造として考えられる金属タンパク質の活性サイトの電子状態や構造歪みによるタンパク質の構造や機能への影響を分子シミュレーションや機械学習を用い明らかにする。2Fe-2SクラスターについてはA01班と連携し、酸化還元によるタンパク質構造変化および機能発現機構の解明を目指す。ヘムタンパク質に関しては、データベースPyDISHの拡張を進めるとともに、タンパク質のポケット構造・ヘムの構造歪みとヘムタンパク質機能の関係の解明を進める。
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