溶液・高分子系界面の構造および機能の理論解析

2016 年度 実績報告書

• 研究領域: 理論と実験の協奏による柔らかな分子系の機能の科学
• 研究課題/領域番号: 25104003
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 森田 明弘 東北大学, 理学研究科, 教授 (70252418)
• 研究分担者: 石山 達也 富山大学, 大学院理工学研究部(工学), 准教授 (10421364)
• 研究期間 (年度): 2013-06-28 – 2018-03-31
• キーワード: 界面 / 和周波発生分光 / 分子シミュレーション

研究実績の概要

申請者がこれまでに開発してきた分子シミュレーションに基づく界面分光の理論の成果をもとに、本領域内の分光計測の実験研究者と本グループの理論解析との緊密な共同研究を展開し、溶液・高分子などの柔らかな界面構造の理解を格段に深化させる。さらに溶液界面構造の詳細な理解に基づいて、柔らかな界面での物質移動や反応場としての機能を分子科学の立場から解明する。本年度には、和周波発生(SFG)分光および関連の分光に関する以下の成果を得た。
(1)水表面での変角振動のSFG分光の解明:　水表面のSFGによる研究では従来OH伸縮振動がプローブされてきたが、変角振動から相補的な情報が得られることが期待される。本研究では領域内の田原グループの実験と我々の理論計算の共同研究を実施し、その結果変角振動のSFGはバルク中の四重極成分が支配的であることを示した。
(2)有機溶媒表面のSFG分光の理論解析:　本グループで開発されたSFG理論を有機溶媒に拡張し、電池系の溶液などで広く用いられる有機炭酸エステル溶媒の界面構造をSFG分光実験と合わせて解明した。特に環状のプロピレンカーボネートと鎖状のジメチルカーボネートではSFGの位相が反転することを予想し、前者では界面近傍で二量体構造を形成するためであることを明らかとした。
(3)振動差スペクトルの理論計算手法の開発:　実験的な分光観測で系の特定の部分への選択性を高めるため、差スペクトルを得ることがしばしばなされるが、微小な差スペクトルを理論計算で得ることは難しい問題であった。本グループでは差スペクトルそのものをバックグランドなしで求める手法を開発し、それを実用的な系に応用することを可能とした。

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

上の研究実績で示した3つの成果は、いずれも当該年度に論文発表を行うことができたものである。本研究の当初からの方針によって、界面振動分光の理論と実験計測との緊密な共同研究を推進して、水分子の変角振動について重要な成果を得るとともに、水溶性界面を超えて有機分子界面への応用についても、その界面構造を明らかにする成果を得ることができた。また振動スペクトルの微小な差スペクトルを計算する新たな方法論を実用化することに成功した。

今後の研究の推進方策

界面振動分光の理論は国際的にも当グループが先端的にリードする立場にあり、その優位を維持して界面分光の理論と実験計測との共同研究をさらに推進する。界面振動分光に関して、従来から多くの実験研究のなかで基礎的に未解明とされていた問題点（配向解析の意味や信頼性、および帯電した界面におけるchi3効果など）を理論計算の強味を生かして解明することを目指す。差スペクトルの理論を固液界面での電気二重層構造の解明などの応用へと発展させていく。さらに、液液界面でのイオン輸送についてのwater fingerの役割を定量化し、微視的な輸送メカニズムについての知見を深める。

研究成果

• [雑誌論文] Experimental and Theoretical Evidence for Bilayer-by-Bilayer Surface Melting of Crystalline Ice (2017)
  • 著者名/発表者名: M. Alejandra Sanchez, Tanja Kling, Tatsuya Ishiyama, Marc-Jan van Zadel, Patrick J. Bisson, Markus Mezger, Mara Nikola Jochum, Jenee D. Cyran, Wilbert J. Smit, Huib J. Bakker, Mary Jane Shultz, Akihiro Morita, Davide Donadio, Yuki Nagata, Mischa Bonn, Ellen H. G. Backus
  • 雑誌名: Proc. Natl. Acad. Sci. 巻: 114 ページ: 227-232
  • DOI: 10.1073/pnas.1612893114
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] 水表面の不均一化学の分子シミュレーション (2017)
  • 著者名/発表者名: 森田 明弘
  • 雑誌名: 大気化学研究 巻: 36 ページ: 036A05（6pages）
  • 査読あり
• [雑誌論文] Free Energy Calculation (2017)
  • 著者名/発表者名: Akihiro Morita
  • 雑誌名: Elsevier Reference Module in Chemistry, Molecular Sciences and Chemical Engineering 巻: - ページ: -
  • DOI: 10.1016/B978-0-12-409547-2.12786-6
  • 査読あり
• [雑誌論文] Drastic Compensation of the Electronic and Solvation Effects on the ATP Hydrolysis Revealed through a Large-Scale QM/MM Simulations Combined with a Theory of Solutions (2017)
  • 著者名/発表者名: Hideaki Takahashi, Satoru Umino, Yuuji Miki, Ryosuke Ishizuka, Akihiro Morita, Makoto Suzuki, and Nobuyuki Matubayasi
  • 雑誌名: J. Phys. Chem. B 巻: 121 ページ: 2279-2287
  • DOI: 10.1021/acs.jpcb.7b00637
  • 査読あり
• [雑誌論文] Theoretical and Experimental Examination on SFG Polarization Analysis at Acetonitrile-Water Solution Surfaces (2017)
  • 著者名/発表者名: Kengo Saito, Qiling Peng, Lin Qiao, Lin Wang, Tatsuya Joutsuka, Tatsuya Ishiyama, Shen Ye, and Akihiro Morita
  • 雑誌名: Phys. Chem. Chem. Phys. 巻: 19 ページ: 8941-8961
  • DOI: 10.1039/C6CP08856B
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Efficient Spectral Diffusion at the Air/Water Interface Revealed by Femtosecond Time-Resolved Heterodyne-Detected Vibrational Sum Frequency Generation Spectroscopy (2016)
  • 著者名/発表者名: Ken-ichi Inoue, Tatsuya Ishiyama, Satoshi Nihonyanagi, Shoichi Yamaguchi, Akihiro Morita, and Tahei Tahara
  • 雑誌名: J. Phys. Chem. Lett. 巻: 7 ページ: 1811-1815
  • DOI: 10.1021/acs.jpclett.6b00701
  • 査読あり
• [雑誌論文] Bend Vibration of Surface Water Investigated by Heterodyne-Detected Sum Frequency Generation and Theoretical Study: Dominant Role of Quadrupole (2016)
  • 著者名/発表者名: Achintya Kundu, Shogo Tanaka, Tatsuya Ishiyama, Mohammed Ahmed, Ken-ichi Inoue, Satoshi Nihonyanagi, Hiromi Sawai, Shoichi Yamaguchi, Akihiro Morita, and Tahei Tahara
  • 雑誌名: J. Phys.Chem. Lett 巻: 7 ページ: 2597-2601
  • DOI: 10.1021/acs.jpclett.6b00657
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Computational Study of Effect of Water Finger on Ion Transport through Water-Oil Interface (2016)
  • 著者名/発表者名: Nobuaki Kikkawa, Lingjian Wang, and Akihiro Morita
  • 雑誌名: J. Chem. Phys 巻: 145 ページ: 014702(17pages)
  • DOI: 10.1063/1.4954774
  • 査読あり
• [雑誌論文] Surface Structure of Organic Carbonate Liquids Investigated by Molecular Dynamics Simulation and Sum Frequency Generation Spectroscopy (2016)
  • 著者名/発表者名: Lin Wang, Qiling Peng, Shen Ye, and Akihiro Morita
  • 雑誌名: J. Phys. Chem. C 巻: 120 ページ: 15185-15197
  • DOI: 10.1021/acs.jpcc.6b03935
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Condensed Phase QM/MM Simulations Utilizing the Exchange Core Functions to Describe Exchange Repulsions at the QM Boundary Region (2016)
  • 著者名/発表者名: Satoru Umino, Hideaki Takahashi, and Akihiro Morita
  • 雑誌名: J. Chem. Phys. 巻: 145 ページ: 084107
  • DOI: 10.1063/1.4961373
  • 査読あり
• [雑誌論文] Improved Theory of Difference Vibrational Spectroscopy and Application to Water (2016)
  • 著者名/発表者名: Tatsuya Joutsuka and Akihiro Morita
  • 雑誌名: J. Chem. Theory Comput. 巻: 12 ページ: 5026-5036
  • DOI: 10.1021/acs.jctc.6b00697
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Efficient Computation of Difference Vibrational Spectra in Isothermal-Isobaric Ensemble (2016)
  • 著者名/発表者名: Tatsuya Joutsuka and Akihiro Morita
  • 雑誌名: J. Phys. Chem. B 巻: 120 ページ: 11229-11238
  • DOI: 10.1021/acs.jpcb.6b07121
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [学会発表] 液体界面の分子科学 (2017)
  • 著者名/発表者名: 森田 明弘
  • 学会等名: 日本物理学会第72回年次大会
  • 発表場所: 大阪大学 豊中キャンパス (大阪府豊中市)
  • 年月日: 2017-03-18 – 2017-03-18
  • 招待講演
• [学会発表] 実験と理論の協奏で拓く水表面の和周波分光研究の最先端 (2017)
  • 著者名/発表者名: 森田 明弘、田原 太平
  • 学会等名: 日本化学会第97春季年会シンポジウム「複雑系のための分子科学－理論、計測、合成の連携で拓く柔らかな分子の新機能」
  • 発表場所: 慶應義塾大学 日吉キャンパス (神奈川県横浜市）
  • 年月日: 2017-03-16 – 2017-03-16
  • 招待講演
• [学会発表] 液体界面の分子科学 (2017)
  • 著者名/発表者名: 森田 明弘
  • 学会等名: お茶の水女子大学セミナー
  • 発表場所: お茶の水女子大学 (東京都文京区）
  • 年月日: 2017-01-25 – 2017-01-25
  • 招待講演
• [学会発表] QM/MM-ER法による光化学系IIのMnクラスターにおける一電子酸化反応の自由エネルギー解析 (2016)
  • 著者名/発表者名: 鈴岡 大樹、高橋 英明、森田 明弘
  • 学会等名: 第30回分子シミュレーション討論会
  • 発表場所: 大阪大学豊中キャンパス シグマホール (大阪府豊中市)
  • 年月日: 2016-12-01 – 2016-12-01
• [学会発表] 分子動力学シミュレーションによる温度・圧力制御下での振動差スペクトルの効率的な計算手法と水への応用 (2016)
  • 著者名/発表者名: 城塚 達也、森田 明弘
  • 学会等名: 第30回分子シミュレーション討論会
  • 発表場所: 大阪大学豊中キャンパス シグマホール (大阪府豊中市)
  • 年月日: 2016-11-30 – 2016-11-30
• [学会発表] Microscopic Structure and Uptake Kinetics at Aqueous Surfaces (2016)
  • 著者名/発表者名: A. Morita
  • 学会等名: 2nd International Workshop on Heterogeneous Kinetics Related to Atmospheric Aerosols
  • 発表場所: Tsukuba, Japan
  • 年月日: 2016-11-12 – 2016-11-12
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 溶液・高分子系界面の構造および機能の理論解析 (2016)
  • 著者名/発表者名: 森田明弘
  • 学会等名: 新学術領域研究「柔らかな分子系」第4回公開シンポジウム
  • 発表場所: 名古屋工業大学４号館ホール （愛知県名古屋市）
  • 年月日: 2016-10-28 – 2016-10-28
  • 招待講演
• [学会発表] Computational Analysis of Sum Frequency Generation Spectroscopy (2016)
  • 著者名/発表者名: A. Morita
  • 学会等名: invited lecture at Fudan University
  • 発表場所: Shanghai, China
  • 年月日: 2016-10-27 – 2016-10-27
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 和周波発生分光法における三次感受率の効果：水の分子動力学シミュレーションによる研究 (2016)
  • 著者名/発表者名: 城塚 達也、森田 明弘
  • 学会等名: 新学術領域研究「柔らかな分子系」第4回公開シンポジウム
  • 発表場所: 名古屋工業大学４号館ホール （愛知県名古屋市）
  • 年月日: 2016-10-27 – 2016-10-27
• [学会発表] Molecular Dynamics Simulation of Time-Resolved Vibrational Spectroscopy at Air/Water Interface (2016)
  • 著者名/発表者名: T. Ishiyama and A. Morita
  • 学会等名: 4th International Conference on Molecular Simulation (ICMS2016)
  • 発表場所: Shanghai, China
  • 年月日: 2016-10-24 – 2016-10-24
  • 国際学会
• [学会発表] Comparison of Hydrogen Bonding Structure of Water near Lipid and Surfactant Monolayer Interfaces by Molecular Dynamics Simulation (2016)
  • 著者名/発表者名: D. Terada, T. Ishiyama, and A. Morita
  • 学会等名: 4th International Conference on Molecular Simulation (ICMS2016)
  • 発表場所: Shanghai, China
  • 年月日: 2016-10-24 – 2016-10-24
  • 国際学会
• [学会発表] Microscopic Structure of Organic Electrolyte Interface by Molecular Dynamics and Sum Frequency Generation Spectroscopy (2016)
  • 著者名/発表者名: L. Wang and A. Morita
  • 学会等名: 4th International Conference on Molecular Simulation (ICMS2016)
  • 発表場所: Shanghai, China
  • 年月日: 2016-10-24 – 2016-10-24
  • 国際学会
• [学会発表] Ion Transport Mechanism at Liquid-Liquid Interface (2016)
  • 著者名/発表者名: N. Kikkawa, L.-J. Wang, and A. Morita
  • 学会等名: 4th International Conference on Molecular Simulation (ICMS2016)
  • 発表場所: Shanghai, China
  • 年月日: 2016-10-24 – 2016-10-24
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Efficient Computational Algorithm of Vibrational Difference Spectra under Control of Temperature and Pressure (2016)
  • 著者名/発表者名: T. Joutsuka and A. Morita
  • 学会等名: International Symposium on Multi-scale Simulation of Condensed-phase Reacting Systems (MSCRS2016)
  • 発表場所: Nagoya, Japan
  • 年月日: 2016-10-11 – 2016-10-11
  • 国際学会
• [学会発表] 水/アセトニトリル溶液の界面配向構造解析に関する理論的および実験的研究 (2016)
  • 著者名/発表者名: 齋藤 健吾、王 琳、城塚 達也、石山 達也、彭 奇齢、叶 深、森田 明弘
  • 学会等名: 第10回分子科学討論会
  • 発表場所: 神戸ファッションマート (兵庫県神戸市)
  • 年月日: 2016-09-15 – 2016-09-15
• [学会発表] 温度・圧力制御下での振動差スペクトルの効率的な計算アルゴリズム (2016)
  • 著者名/発表者名: 城塚 達也、森田 明弘
  • 学会等名: 第10回分子科学討論会
  • 発表場所: 神戸ファッションマート (兵庫県神戸市)
  • 年月日: 2016-09-15 – 2016-09-15
• [学会発表] 液液界面のイオン輸送における水和と蒸発の効果 (2016)
  • 著者名/発表者名: L.-J. Wang、吉川 信明、森田 明弘
  • 学会等名: 第10回分子科学討論会
  • 発表場所: 神戸ファッションマート (兵庫県神戸市)
  • 年月日: 2016-09-15 – 2016-09-15
• [学会発表] QM/MM-ER法による光化学系IIのMnクラスターにおけるS1→S2遷移の酸化還元電位の計算 (2016)
  • 著者名/発表者名: 鈴岡 大樹、高橋 英明
  • 学会等名: 第10回分子科学討論会
  • 発表場所: 神戸ファッションマート (兵庫県神戸市)
  • 年月日: 2016-09-14 – 2016-09-14
• [学会発表] 油水界面における電子移動反応の分子シミュレーションによる探求 (2016)
  • 著者名/発表者名: 杉林 敏大、L.-J. Wang、吉川 信明、森田 明弘
  • 学会等名: 第10回分子科学討論会
  • 発表場所: 神戸ファッションマート (兵庫県神戸市)
  • 年月日: 2016-09-14 – 2016-09-14
• [学会発表] 赤外-可視和周波発生振動分光法と分子動力学計算を用いたイオン液体/アルコール界面構造の研究 (2016)
  • 著者名/発表者名: 岩橋 崇、石山 達也、森田 明弘、Kim Doseok、大内 幸雄
  • 学会等名: 第10回分子科学討論会
  • 発表場所: 神戸ファッションマート (兵庫県神戸市)
  • 年月日: 2016-09-13 – 2016-09-13
• [学会発表] 実空間DFTにおけるハイブリッド汎関数の実装とその応用 (2016)
  • 著者名/発表者名: 高橋 英明、神戸 宏之、森田 明弘
  • 学会等名: 第10回分子科学討論会
  • 発表場所: 神戸ファッションマート (兵庫県神戸市)
  • 年月日: 2016-09-13 – 2016-09-13
• [学会発表] 和周波発生振動分光による結晶氷表面の水素結合構造の解明 (2016)
  • 著者名/発表者名: 杉本 敏樹、大槻 友志、石山 達也、森田 明弘、渡邊 一也、松本 吉泰
  • 学会等名: 第10回分子科学討論会
  • 発表場所: 神戸ファッションマート (兵庫県神戸市)
  • 年月日: 2016-09-13 – 2016-09-13
• [学会発表] 異なる双性イオン膜/水界面における水の水素結合構造比較 (2016)
  • 著者名/発表者名: 寺田 大地、石山 達也、森田 明弘
  • 学会等名: 第10回分子科学討論会
  • 発表場所: 神戸ファッションマート (兵庫県神戸市)
  • 年月日: 2016-09-13 – 2016-09-13
• [学会発表] 液体界面を見る分子科学の進歩 (2016)
  • 著者名/発表者名: 森田 明弘
  • 学会等名: 第3回森野ディスカッション
  • 発表場所: 東京大学理学部・本郷キャンパス・小柴ホール （東京都文京区）
  • 年月日: 2016-08-31 – 2016-08-31
  • 招待講演
• [学会発表] 溶液界面のプローブ手法と分子シミュレーション (2016)
  • 著者名/発表者名: 森田 明弘
  • 学会等名: 第28回液体の化学夏の学校
  • 発表場所: 大学セミナーハウス (東京都八王子市)
  • 年月日: 2016-08-29 – 2016-08-30
  • 招待講演
• [学会発表] Theoretical Analysis of SFG Spectroscopy --- Recent Topics (2016)
  • 著者名/発表者名: A. Morita
  • 学会等名: Telluride Science Research Conference on Nonlinear Optics at Interfaces
  • 発表場所: Telluride, CO, USA
  • 年月日: 2016-06-23 – 2016-06-23
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Heterodyne-detected sum frequency generation spectroscopy of ice surface (2016)
  • 著者名/発表者名: Y. Otsuki, T. Sugimoto, T. Ishiyama, A. Morita, K. Watanabe, and Y. Matsumoto
  • 学会等名: 第7回SFG研究会「和周波分光の進展」
  • 発表場所: 東京工業大学大岡山キャンパス （東京都目黒区）
  • 年月日: 2016-06-11 – 2016-06-11
  • 国際学会
• [学会発表] Computational SFG analysis of organic molecules (2016)
  • 著者名/発表者名: L. Wang and A. Morita
  • 学会等名: 第7回SFG研究会「和周波分光の進展」
  • 発表場所: 東京工業大学大岡山キャンパス （東京都目黒区）
  • 年月日: 2016-06-11 – 2016-06-11
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 分子動力学シミュレーションによる双性イオンリン脂質膜近傍における水の水素結合構造と振動分光解析 (2016)
  • 著者名/発表者名: 寺田 大地、石山 達也、森田 明弘
  • 学会等名: 第65回高分子学会年次大会
  • 発表場所: 神戸国際会議場 （兵庫県神戸市）
  • 年月日: 2016-05-26 – 2016-05-26
• [学会発表] 空気/水界面における二次元和周波スペクトルの分子動力学計算 (2016)
  • 著者名/発表者名: 石山 達也，森田 明弘
  • 学会等名: 第19回理論化学討論会
  • 発表場所: 早稲田大学 西早稲田キャンパス （東京都新宿区）
  • 年月日: 2016-05-24 – 2016-05-24
• [学会発表] MD計算とSFG分光による有機カーボネート表面構造の研究 (2016)
  • 著者名/発表者名: 王 琳、彭 奇齢、叶 深、森田 明弘
  • 学会等名: 第19回理論化学討論会
  • 発表場所: 早稲田大学 西早稲田キャンパス （東京都新宿区）
  • 年月日: 2016-05-23 – 2016-05-23
• [学会発表] 理論と実験の協力による溶液界面化学の研究 (2016)
  • 著者名/発表者名: 森田 明弘
  • 学会等名: 名古屋大学セミナー
  • 発表場所: 名古屋大学 （愛知県名古屋市）
  • 年月日: 2016-05-20 – 2016-05-20
  • 招待講演
• [備考] 東北大学大学院理学研究科化学専攻 計算分子科学研究室
  • URL: http://comp.chem.tohoku.ac.jp/index.html