星間空間の中性分子化学反応ダイナミクスに関する理論研究

2006 年度 研究成果報告書概要

• 研究課題/領域番号: 17550007
• 研究種目: 基盤研究(C)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 研究分野: 物理化学
• 研究機関: 埼玉大学
• 研究代表者: 高柳 敏幸 埼玉大学, 理工学研究科, 助教授 (90354894)
• 研究期間 (年度): 2005 – 2006
• キーワード: 反応ダイナミクス / 量子反応性散乱 / ポテンシャル曲面 / 星間分子 / 非断熱遷移 / 反応速度定数

研究概要

本研究では、星間空間で重要とされる中性原子分子の反応について、反応動力学的な立場から理論研究を行った。まず炭素原子とアセチレンの反応については、2つのモデルを用いた理論計算を行った。第一のモデルではポテンシャルの入り口のみに着目した3つの自由度のみを考慮した。ポテンシャルエネルギー曲面を密度汎関数レベルの量子化学計算から求め、全反応断面積を量子散乱理論を用いて計算した。その結果、実験と一致する衝突エネルギー依存を得ることができた。第二のモデルでは、反応の生成物を特定するために、第一のモデルと異なる自由度を考慮した理論計算を行い、生成物の分岐比を求めた。この反応では、星間空間で検出されている環状および鎖状のC_3Hラジカルが生成するが、我々が提案した本モデルでは、環状のC_3Hラジカルが主として生成することを見出した。
次に炭素原子とNH_2ラジカルの反応について研究を行った。この反応では、星間空間で興味がもたれているHNC分子が直接生成する。まず、励起状態までも取り扱った精密な量子化学計算を行い、スピン軌道サブレレベルによる反応性に違いについて検討した。非断熱遷移の効果を取り入れた量子反応性散乱計算の結果、サブレベルの違いによって反応性が大きく変わることがわかった。
また星間空間で発見されているHNCの生成機構について、C_2+NH反応についても着目した。ダイレクトダイナミクスの手法を用い、この反応が非常に効率的にHNC分子を生成することを初めて見出した。反応経路としては、C+HCNチャンネルも生成しうるが、まず反応中間体であるC-C-N-Hがバリヤーなしに生成し、その後異性化することなしに、直ちにC+HNCに分解することがわかった。この結果は、炭素原子と窒素原子がほぼ同じ質量をもち、かつ中間体のC-C-N構造がほぼ直線的であることに起因する。つまり、HNC分子の生成は運動量移行が効率的に起こることによる動力学的な結果であると言える。この研究結果は、星間化学反応の解明において、化学反応動力学的な手法が多大な貢献が可能であることを示した重要な例であると言える。

研究成果

• [雑誌論文] Reduced-dimensionality and direct trajectory calculations for the C(^3P_j) + NH_2(^2B_1) reaction (2006)
  • 著者名/発表者名: T.Takayanagi, T.Teketsugu
  • 雑誌名: Chemical Physics Letters 417 ページ: 143
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Quantum dynamics study on the product branching for the C(^3P) + C_2H_2 reaction : cyclic-C_3H versus linear-C_3H (2006)
  • 著者名/発表者名: T.Takayanagi
  • 雑誌名: The Journal of Physical Chemistry A 110 ページ: 361
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Theoretical study on HNC(^1Σ) production from the C_2(X^1Σ_g^+) + NH(X^3Σ^-) reaction (2006)
  • 著者名/発表者名: K.Takahashi, T.Takayanagi
  • 雑誌名: Chemical Physics Letters 429 ページ: 399
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] The effect of van der Waals resonances on reactive cross sections for the F + HD reaction (2006)
  • 著者名/発表者名: T.Takayanagi
  • 雑誌名: Chemical Physics Letters 433 ページ: 15
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] ESR study of H_6^+ and H_4D_2^+ produced in irradiated solid hydrogens (2006)
  • 著者名/発表者名: T.Kumada, T.Takayanagi, J.Kumagai
  • 雑誌名: Journal of Molecular Structure 786 ページ: 133
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Electronic structure calculations of acetonitrile cluster anions : Stabilization mechanism of molecular anions by solvation (2006)
  • 著者名/発表者名: T.Takayanagi, T.Hoshino, K.Takahashi
  • 雑誌名: Chemical Physics 324 ページ: 679
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Dynamical calculations of charge-transfer-to-solvent excited states of small I^-(CH_3CN)_n clusters (2006)
  • 著者名/発表者名: T.Takayanagi
  • 雑誌名: The Journal of Physical Chemistry A 110 ページ: 7011
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Direct dynamics simulations of photoexcited charge-transfer-to-solvent states of the I^-(H_2O)_6 cluster (2006)
  • 著者名/発表者名: T.Takayanagi, K.Takahashi
  • 雑誌名: Chemical Physics Letters 431 ページ: 28
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Reduced-dimensionality and direct trajectory calculations for the C(^3P_J)+NH_2(^2B_1)reaction (2006)
  • 著者名/発表者名: T.Takayanagi, T.Teketsugu
  • 雑誌名: Chemical Physics Letters 417 ページ: 143-148
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Quantum dynamics study on the product branching for the C(^3P)+C_2H_2 reaction : cyclic-C_3H versus linear-C_3H (2006)
  • 著者名/発表者名: T.Takayanagi
  • 雑誌名: Journal of Physical Chemistry A 110 ページ: 361-366
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Theoretical study on HNC(^1Σ)production from the C_2(X^1Σ_g^+)+NH(X^3Σ^-)reaction (2006)
  • 著者名/発表者名: K.Takahashi, T.Takayanagi
  • 雑誌名: Chemical Physics Letters 433 ページ: 399-404
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] The effect of van der Waals resonances on reactive cross sections for the F+HD reaction (2006)
  • 著者名/発表者名: T.Takayanagi
  • 雑誌名: Chemical Physics Letters 433 ページ: 15-18
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Dynamical calculations of charge-transfer-to-solvent excited states of small I^-(CH_3CN)_n cluster (2006)
  • 著者名/発表者名: T.Takayanagi
  • 雑誌名: Journal of Physical Chemistry A 110 ページ: 7011-7018
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Direct dynamics simulations of photoexcited charge-transfer-to solvent states of the I^-(H_2O)_6 cluster (2006)
  • 著者名/発表者名: T.Takayanagi, K.Takahashi
  • 雑誌名: Chemical Physics Letters 431 ページ: 28-33
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Reduced-dimensionality quantum reactive scattering calculations of the C(^3P) + C_2H_2 reaction on a new potential energy surface (2005)
  • 著者名/発表者名: T.Takayanagi
  • 雑誌名: Chemical Physics 312 ページ: 61
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] A modified version of the analytical potential function for the global ab initio ground-state potential energy surface of the BrH_2 system (2005)
  • 著者名/発表者名: Y.Kurosaki, T.Takayanagi
  • 雑誌名: Chemical Physics Letters 406 ページ: 121
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Ab initio study of small acetonitrile cluster anions (2005)
  • 著者名/発表者名: T.Takayanagi
  • 雑誌名: The Journal of Chemical Physics 122 ページ: 244307
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Reduced-dimensionality quantum reactive scattering calculations of the C(^3P)+C_2H_2 reaction on a new potential energy surface (2005)
  • 著者名/発表者名: T.Takayanagi
  • 雑誌名: Chemical Physics 312 ページ: 61-67
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Ab initio study of small acetonitrile cluster anions (2005)
  • 著者名/発表者名: T.Takayanagi
  • 雑誌名: Journal of Chemical Physics 122,244307 ページ: 8
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Theoretical study of the H + Br_2 and Mu + Br_2 reactions : A new abinitio potential energy surface and quantum dynamics calculations
  • 著者名/発表者名: T.Takayanagi
  • 雑誌名: Chemical Physics (in press)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Theoretical study of the H+Br_2 and Mu+Br_2 reactions : A new ab initio potential energy surface and quantum dynamics calculations
  • 著者名/発表者名: T.Takayanagi
  • 雑誌名: Chemical Physics (in press)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より