複数の反応サイトを有するナノ・バイオ分子の反応動力学と原子分割エネルギー描像

2018 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 16H04091
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 河野 裕彦 東北大学, 理学研究科, 客員研究者 (70178226)
• 研究分担者: 小関 史朗 大阪府立大学, 理学(系)研究科(研究院), 教授 (80252328)
• 研究期間 (年度): 2016-04-01 – 2019-03-31
• キーワード: 多電子ダイナミクス / 1電子有効ポテンシャル / ヒドロキシルラジカル / DNA鎖切断 / 光駆動分子モーター / 強レーザーパルス / X線自由電子レーザー / クーロン爆発

研究実績の概要

OHラジカルによるDNA鎖切断や光駆動分子モーターなど励起状態が関与するダイナミクスを中心に研究を進めた。放射線や光によるラジカル発生モデルとして，二次電子によって電子励起された水多量体カチオンのダイナミクスを開発した非断熱動力学法を使って追跡した。その結果，2 eVより高い運動エネルギーをもつOHも発生し，DNA周辺の水分子の壁を透過してDNAの糖からHを引き抜き，リン酸基のP-O結合を切断することがわかった。高エネルギーOHが高密度で発生するほど，2本鎖切断が起こりやすい。
2つのシクロペンタジエン5員環（ナフタレンが縮合）が二重結合でつながったキラル分子モーターの励起状態経由トランスーシス異性化のシミュレーションも行った。光励起から数ピコ秒という短い時間で異性化が起こっており，光照射中に高速で異性体間を遷移している可能性を示した。
強い光によるイオン化に関しては，多配置時間依存Hartree-Fock法を使って多電子波動関数の時間変化を追い，新たなトンネルイオン化描像を提案した。具体的には，各分子軌道（自然軌道）が従う有効一体ポテンシャルを導出して，電子相関を反映した一体描像を確立した。CO分子の場合，レーザー電場によって電子にＣ方向に力がかかったときにだけ，電場で歪んだ一体ポテンシャル障壁の上に電子間の相互作用による“こぶ”が形成され，その外側にある電子密度成分が主にイオン化することがわかった。電場が逆方向のときは，ポテンシャル障壁が遠方に形成されイオン化が抑制される。
X線照射された重原子含有分子は，内殻イオン化後の多段階オージェ緩和により価数が上昇し，クーロン爆発によって原子イオンが放出される。X線自由電子レーザーと近赤外パルスを組み合わせた時間分解の実験結果を速度論モデルを使って解析し，各電荷状態の生成・緩和速度（フェムト秒オーダー）の決定に成功した。

現在までの達成度 (段落)

平成30年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

平成30年度が最終年度であるため、記入しない。

備考

研究全般に関しては東北大学大学院理学研究科化学専攻数理化学研究室のHP　http://web.tohoku.ac.jp/mcl/ja/index.html
にある。

研究成果

• [国際共同研究] Ludwig-Maximilians-Universitaet Munich/Max Planck Institute of Quantum Optics/Universitaet Heidelberg(ドイツ)
  • 国名: ドイツ
  • 外国機関名: Ludwig-Maximilians-Universitaet Munich/Max Planck Institute of Quantum Optics/Universitaet Heidelberg
  • 他の機関数: 1
• [国際共同研究] The Ohio State University/Kansas State University(米国)
  • 国名: 米国
  • 外国機関名: The Ohio State University/Kansas State University
• [国際共同研究] University of Turku(フィンランド)
  • 国名: フィンランド
  • 外国機関名: University of Turku
• [国際共同研究] Universite Claude Bernard Lyon 1/Synchrotron SOLEIL(フランス)
  • 国名: フランス
  • 外国機関名: Universite Claude Bernard Lyon 1/Synchrotron SOLEIL
• [国際共同研究] National Tsing Hua University/National Chiao Tung University(中国)
  • 国名: 中国
  • 外国機関名: National Tsing Hua University/National Chiao Tung University
• [国際共同研究]
  • 他の国数: 3
• [雑誌論文] Analysis of the multielectron dynamics in intense laser-induced ionization of CO by the time-dependent effective potentials for natural orbitals" (2020)
  • 著者名/発表者名: S.Ohmura, T.Kato, H.Ohmura, S.Koseki, H.Kono
  • 雑誌名: J.Phys.B 巻: - ページ: -
  • DOI: -
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Diffractive Imaging of C60 Structural Deformations Induced by Intense Femtosecond Midinfrared Laser Fields (2019)
  • 著者名/発表者名: H. Fuest, Y. H. Lai, C. I. Blaga, K. Suzuki, J. Xu, P. Rupp, H. Li, P. Wnuk, P. Agostini, K. Yamazaki, M. Kanno, H. Kono, M. F. Kling, and L. F. DiMauro
  • 雑誌名: Physical Review Letters 巻: 122 ページ: 053002 6 pages.
  • DOI: 10.1103/PhysRevLett.122.053002
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Unbiased Rotational Motions of an Ellipsoidal Guest in a Tight Yet Pliable Host (2019)
  • 著者名/発表者名: Zhe Sun, Tatsuru Mio, Tomohiko Okada, Taisuke Matsuno, Sota Sato, Hirohiko Kono and Hiroyuki Isobe
  • 雑誌名: Angewandte Chemie International Edition 巻: 58 ページ: 2040～2044
  • DOI: 10.1002/anie.201812771
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Visible photodissociation of the CO2 dimer cation: fast and slow dissociation dynamics in the excited state (2019)
  • 著者名/発表者名: Yuji Nakashima, Kenichi Okutsu, Keita Fujimoto, Yuri Ito, Manabu Kanno, Motoyoshi Nakano, Keijiro Ohshimo, Hirohiko Kono, and Fuminori Misaizu
  • 雑誌名: Physical Chemistry Chemical Physics 巻: 21 ページ: 3083～3091
  • DOI: 10.1039/c8cp07068g
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Real-time observation of X-ray-induced intramolecular and interatomic electronic decay in CH2I2 (2019)
  • 著者名/発表者名: Hironobu Fukuzawa, Tsukasa Takanashi, Edwin Kukk, Koji Motomura, Shin-ichi Wada, Kiyonobu Nagaya, Yuta Ito, Toshiyuki Nishiyama, Christophe Nicolas, Yoshiaki Kumagai, Denys Iablonskyi, Subhendu Mondal, Tetsuya Tachibana, Daehyun You, Syuhei Yamada,Kohei Ochiai, Manabu Kanno, Kaoru Yamazaki, Hirohiko Kono, Kiyoshi Ueda
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 10 ページ: 2186 1-8
  • DOI: 10.1038/s41467-019-10060-z
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Capturing the photo-induced dynamics of nano-molecules by X-ray free electron laser induced Coulomb explosion (2019)
  • 著者名/発表者名: Kaoru Yamazaki, Naoyuki Niitsu, Manabu Kanno , Kiyoshi Ueda , and Hirohiko Kono
  • 雑誌名: The Journal of Chemical Physics 巻: 151 ページ: 124305～124305
  • DOI: 10.1063/1.5115072
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] 複雑系に有効な非断熱分子動力学計算法の開発と分子モーター光異性化反応への適用 (2019)
  • 著者名/発表者名: 菅野 学, 高橋みなみ, 花崎 浩太, 原田 宣之, 河野裕彦
  • 雑誌名: SENAC 巻: 52 ページ: o.1 3-13
  • オープンアクセス
• [雑誌論文] E = hvの呪縛を解く高強度レーザー場の化学 (2019)
  • 著者名/発表者名: 河野裕彦
  • 雑誌名: 量子の世界 巻: 10 ページ: 1-5
  • オープンアクセス
• [雑誌論文] Automatic spatial extension of a time-dependent wavefunction expanded in terms of Gaussians: Application to multidimensional tunneling (2018)
  • 著者名/発表者名: Yuta Arai, Kazuma Suzuki, Manabu Kanno, Hirohiko Kono
  • 雑誌名: Chemical Physics Letters 巻: 708 ページ: 170～176
  • DOI: 10.1016/j.cplett.2018.07.022
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Ultrafast nonradiative transition pathways in photo-excited pyrazine: Ab initio analysis of time-resolved vacuum ultraviolet photoelectron spectrum (2018)
  • 著者名/発表者名: Benoit Mignolet, Manabu Kanno, Noriyuki Shimakura, Shiro Koseki, Françoise Remacle, Hirohiko Kono, Yuichi Fujimura
  • 雑誌名: Chemical Physics 巻: 515 ページ: 704～709
  • DOI: 10.1016/j.chemphys.2018.07.015
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Pulse shape and molecular orientation determine the attosecond charge migration in Caffeine (2018)
  • 著者名/発表者名: Thomas A. Niehaus, Mehdi Meziane, Franck Lepine, Alexandre Marciniak, Kaoru Yamazaki, and Hirohiko Kono
  • 雑誌名: The European Physical Journal B 巻: 91 ページ: 7 pages
  • DOI: 10.1140/epjb/e2018-90223-5
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Laser-Control of Ultrafast π-Electron Ring Currents in Aromatic Molecules: Roles of Molecular Symmetry and Light Polarization (2018)
  • 著者名/発表者名: Manabu Kanno, Hirohiko Kono, Yuichi Fujimura
  • 雑誌名: Applied Sciences 巻: 8 ページ: 2347～2347
  • DOI: 10.3390/app8122347
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] An efficient approximate algorithm for nonadiabatic molecular dynamics (2018)
  • 著者名/発表者名: Kota Hanasaki, Manabu Kanno, Thomas A. Niehaus, and Hirohiko Kono
  • 雑誌名: The Journal of Chemical Physics 巻: 149 ページ: 244117～244117
  • DOI: 10.1063/1.5046757
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] XFELによる内殻イオン化と超高速電子・エネルギー移動の動力学理論 Core-ionization by XFEL and theory of ultrafast dynamics of energy and charge transfer (2018)
  • 著者名/発表者名: 河野裕彦，菅野学，中村公亮，花崎浩太，及川啓太，岡田朝彦，落合宏平
  • 雑誌名: センターレポート（自然科学研究機構 岡崎共通研究施設 計算科学研究センター） 巻: 18 ページ: 185-188
  • オープンアクセス
• [雑誌論文] X 線自由電子レーザーによる分子の超高速崩壊の シミュレーションモデル (2018)
  • 著者名/発表者名: 中村公亮，落合宏平，花崎浩太，菅野 学，山崎 馨， 高梨 司，福澤宏宣，上田 潔，永谷清信，河野裕彦
  • 雑誌名: SENAC 巻: 51 ページ: No. 1 p.3-13
  • オープンアクセス
• [学会発表] Field-induced ultrafast dynamics of molecules: Development from fundamentals to applications (2019)
  • 著者名/発表者名: Hirohiko Kono
  • 学会等名: International symposium on “Ultrafast Molecular Dynamics”
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Time-dependent effective potential for the ultrafast electron dynamics of molecules in intense laser fields: Application to anisotropic ionization of CO (2019)
  • 著者名/発表者名: Hirohiko Kono, Shu Ohmura, Tsuyoshi Kato, Hideki Ohmura
  • 学会等名: ICPEAC2019, Douville
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Anisotropic tunnel ionization of CO: Signature of multielectron correlation in effective potential (2019)
  • 著者名/発表者名: Hirohiko Kono
  • 学会等名: ISUILS2019
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Theoretical approaches to the electronic and Reaction dynamics of molecules induced by intense laser fields (2018)
  • 著者名/発表者名: Hirohiko Kono, Shu Ohmura, Tsuyoshi Kato, Manabu Kanno, Kota Hanasaki
  • 学会等名: ACS National Meeting & Expo, “Strong Field Chemistry”
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Multiconfigurational theories for the dynamics of molecules in intense laser fields: Anisotropic ionization of CO and structural deformation of C60, (2018)
  • 著者名/発表者名: Hirohiko Kono, Tsuyoshi Kato, Shu Ohmura, Kaoru Yamazaki, Manabu Kanno,
  • 学会等名: International Symposium on Ab Initio Electron Dynamics Simulations
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 光誘起超高速動力学の複雑系への展開を目指して (2018)
  • 著者名/発表者名: 河野裕彦
  • 学会等名: 福井謙一記念研究センターワークショップ「複合系の理論化学・計算化学：最近の研究状況と展望」
  • 招待講演
• [学会発表] 光誘起分子動力学の複雑系への展開 (2018)
  • 著者名/発表者名: 河野裕彦
  • 学会等名: 光子場科学研究懇談会平成29年度第3回懇談会
  • 招待講演
• [学会発表] 動力学理論の光誘起高速ダイナミクスへの展開 (2018)
  • 著者名/発表者名: 河野裕彦
  • 学会等名: 第12回分子科学討論会2018福岡
  • 招待講演
• [学会発表] XFELに誘起されるヨウ素含有分子およびフラーレンのクーロン爆発とその反応動力学モデルの開発 (2018)
  • 著者名/発表者名: 落合 宏平，中村 公亮，山崎 馨，菅野 学，高梨 司，福澤 宏宣，遠野 健介，永谷 清信，上田 潔，河野 裕彦
  • 学会等名: 第12回分子科学討論会2018福岡
• [図書] Chap.5 “Time-dependent Multiconfigurational Theories of Electronic and Nuclear Dynamics of Molecules in Intense Laser Fields” in Attosecond Molecular Dynamics, eds. Marc J. J. Vrakking, Franck Lepine (2018)
  • 著者名/発表者名: T. Kato, K. Yamanouchi and H. Kono
  • 総ページ数: 44
  • 出版者: Royal Society of Chemistry, Cambridge
• [備考] 研究紹介「分子制御から分子マシンへ」
  • URL: http://www.chem.tohoku.ac.jp/research/research_outcome/p008.html
• [備考] プレスリリース「X線自由電子レーザーの超短パルスでリボ核酸塩基分子中の電荷と原子の動きを可視化！」
  • URL: https://www.tohoku.ac.jp/japanese/2016/06/press20160617-01.html
• [備考] プレスリリース「X線照射で始まる超高速反応の観測に成功 レントゲンによるX線の発見から120年で初」
  • URL: https://www.sci.tohoku.ac.jp/news/20190517-10277.html