高速化第一原理分子設計手法の開発とトライボケミストリーへの応用

1999 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 11875037
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 宮本 明 東北大学, 大学院・工学研究科, 教授 (50093076)
• 研究分担者: 高見 誠一 東北大学, 大学院・工学研究科, 助手 (40311550) ; 久保 百司 東北大学, 大学院・工学研究科, 助手 (90241538)
• キーワード: 高速化第一原理分子設計手法 / トライボケミストリー / プログラム開発 / ダイヤモンド表面 / 酸化物表面 / ダイナミクス / メカノケミカル反応 / 電子状態

研究概要

本研究では高速化第一原理分子設計手法の開発とトライボケミストリーへの応用を目的としている。第一原理量子化学計算にもとづいた分子設計を高速に行なうためには、既存の第一原理量子分子動力学プログラムでは計算速度が全く不十分であり、新規プログラムの開発を行なう必要がある。そこで我々は対象とする系の電子状態を考慮しつつ原子のダイナミクスを高速に解明することが可能な高速化第一原理量子分子動力学プログラムの開発に取り組み、これに成功した。ここで、量子化学計算で用いるハミルトニアンのパラメータ化により大幅な計算量の削減と高速化を実現し、このパラメータを第一原理計算にあわせる様に決定することで精度を維持した。本プログラムは従来の第一原理分子動力学法と比べて数千倍以上高速なことが明らかとなり、数年かかる計算を1日で行なうことが可能となった。
以上の成果に加えて、本研究では高速化第一原理量子分子動力学プログラムを用いてトライボケミストリーにおいて重要な役割を果たすダイヤモンドおよび酸化物表面のダイナミクスおよび電子状態の解明を行なった。従来の古典分子動力学法では表面構成原子の電荷を固定しており、ダイナミクスに伴う電荷の変化を考慮することができなかったが、本研究で開発した高速化第一原理量子分子動力学プログラムを用いることにより、メカノケミカル反応において重要である電子状態を動的に考慮しつつ高速に原子のダイナミクスを解明することに始めて成功した。

研究成果

• [文献書誌] H.Tamura, et al.: "Molecular Dynamics Simulation of Friction for Hydro Carbor Thin Films"Langmuir. 15. 7816-7821 (1999)
• [文献書誌] A.Yamacla, et al.: "Tight-binding Molecular Dynamics Simulation of Desorbed SiO Molecule during the Oxidation of Si(IV) Surface"Japanese Journal of Applied Physics. 38. 2434-2437 (1999)
• [文献書誌] K.Teraishi, et al.: "Use of Umbrella Sampling in the Calculation of the Potential of Mean Force for Silicon Surface Oxidation"Surface Science. 426. 290-297 (1999)
• [文献書誌] X.Yin, et al.: "Reactivity of Lattice Oxygens Present in V_2O_5(010) : A Periodic First Prirciples Investigation"The Journal of Physical Chemistry B. 103. 1263-1269 (1999)
• [文献書誌] X.Yin, et al.: "Adsorption of H_2O on the V_2O_5(010) Surface studied by Periodic Density Functional Calculations"The Journal of Physical Chemistry B. 103. 3218-3224 (1999)
• [文献書誌] M.Kubo, et al.: "Chemical Vapor Deposition Process on the 2SM-5(010) Surface as Investigated by Molecular Dynamics"The Journal of Physical Chemistry B. 103. 1876-1880 (1999)