| 研究課題/領域番号 |
16KT0050
|
|---|
| 研究機関 | 静岡大学 |
|---|
研究代表者 |
河合 信之輔 静岡大学, 理学部, 准教授 (90624065)
|
|---|
| 研究分担者 |
山下 雄史 東京大学, 先端科学技術研究センター, 特任准教授 (50615622)
|
|---|
| 研究期間 (年度) |
2016-07-19 – 2022-03-31
|
| キーワード | 反応動力学 / 化学物理 / 溶媒効果 / エネルギー移動 / クラスター / 反応性境界 / 相空間構造 / 機械学習 |
|---|
| 研究実績の概要 |
本研究では,遷移状態の知見に基づいて化学反応を制御することを目的とし，特に反応分子に対する周辺の分子（「溶媒」など）の影響に注目して理論的研究を遂行している。対象として，HCN→CNHの異性化反応をとりあげ，周囲にAr原子を１個置いた系を考察している。R1年度までの解析では，遷移状態付近の相空間構造に着目し，相空間内の反応分断面（遷移状態）や反応性境界を求めた。R2年度は，計算範囲を反応物および生成物に対応する井戸の領域まで延長し，より広範な領域で反応性境界を計算した。また，その中で反応性境界の探索がうまく収束しない場所がいくつか見出され，そのような初期条件を系統的にリストアップした。
R2年度後半には，機械学習を用いた解析にも着手した。Ar,H,C,N各原子の初期座標と速度をインプットとし，反応の結果を機械学習によってどこまで予測できるかを調べた。原理的には，Ar,H,C,N４原子すべての位置と速度が決まればその後の運動は一意に決まるので，反応の結果を予測可能なはずであるが，すべての位置と速度ではなく，そのうちの一部のみを用いて予測を試みた場合，その予測がどれぐらい当たるかによって，その選んだ量が今考えている問題においてどの程度重要であるかの情報が得られると考えられる。そこで，予測に用いる変数の種類と個数を様々に変えながら，k近傍法およびサポートベクターマシンを用いて機械学習を行った。２変数の場合には，分子固定系におけるH原子のx座標とその速度が最も重要であるという結果が得られ，これまでの数値計算結果からの知見を確認できた。今後，より多くの変数の組み合わせに対する解析を進めていく。
|
| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
3: やや遅れている
理由
前年度実施状況報告書の「今後の研究の推進方策等」欄に記載した内容である，反応物および生成物に対応する井戸の領域への計算範囲の延長を遂行した。「Arがそこにあることによる影響」（静的な効果）と「ArがHと相互作用しながら同時に動くことによる影響」（動的な効果）など，前年度までに得られた知見をより幅広い範囲において確認できた。一方で，今年度は所属する大学の講義が感染症対策のためオンラインに移行し，そのための教材作成の業務が生じた。上述の反応性境界や，反応物にも生成物にも至らずトラップされる軌道の計算結果に対する原因の究明や解釈についての考察は十分に進められていない。そのため，研究期間の1年延長を申請し，受理された。
また，これまでの流れとは別に，機械学習による解析という着想も得て，新たに解析に着手した。予測に用いる変数の種類と個数を様々に変えながら予測精度を調査することにより，今考えている問題にとって重要な変数を割り出すことができると期待でき，実際に２変数の場合にはこれまでの知見を支持する結果が得られている。今後，より多くの変数の組み合わせに対する解析を進めていく予定である。この結果は，これまでに行っていた数値シミュレーションによって抽出した反応性境界を可視化する際の座標の選択などにフィートバックできるものと期待できる。
|
| 今後の研究の推進方策 |
これまでの計算によって広範囲の初期条件に対して系統的に得られた反応性境界について，位置-運動量の座標空間による可視化を通じて，力学的な解釈を考察していく。これまでに得られた知見のうち，「静的な効果」については，エネルギー的な効果や反応座標の曲がりの効果など，より具体的な意味付けのできる効果に分類できる可能性がるあので，これを検討する。また，「動的な効果」についてはArやHの質量の効果を検討することにより，考察の深化を目指す。
機械学習では，より多くの変数の組み合わせによる学習の結果を集め，この系において重要な役割をもっている座標についての知見を深める。これまでに行っていた数値シミュレーションによって抽出した反応性境界を可視化する際の座標の選択などにフィートバックして解析を進めていく。
また，これまで反応性境界を計算する際には，エネルギーが同じになるような初期条件の集合を用意し，その中での反応結果の分かれ目を探索していた。これは本研究の対象が孤立系でありエネルギー保存則を満たすことからそのような探索の仕方が適切であると判断したためである。しかし，この方法ではArとHCNの相互作用によるエネルギーやArの運動エネルギーも含めてエネルギー一定を要求するため，HCNの運動に変な制限がかかる可能性もある。機械学習のためのサンプルを用意する過程で，まずHCNの初期条件をエネルギー一定でサンプルし，そこにArを置くという方法のほうがArの効果を取り出す点では見通しが良いのではないかという着想に至ったので，今後は反応性境界の計算においても後者の初期条件の取り方をも試みる予定である。
|
| 次年度使用額が生じた理由 |
今年度は，所属する大学の講義が感染症対策のためオンラインに移行し，そのための教材作成の業務が生じたために研究の進行自体がやや遅れた。加えて，同じく感染症対策のため研究代表者と研究分担者の相互の研究機関に出向いての議論を控えたため，旅費の支出が無かった。
未使用額は，出張での議論に代わるWeb会議用の設備の補充にあてるとともに，研究を続けるうえで継続的に必要となる計算機資源の拡充や書籍の購入に用いることとする。
|
