LC-DFT (長距離補正密度汎関数法）の確立

2019 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 17H01188
• 研究機関: 国立研究開発法人理化学研究所
• 研究代表者: 平尾 公彦 国立研究開発法人理化学研究所, 計算科学研究センター, 上級研究員 (70093169)
• 研究分担者: 中嶋 隆人 国立研究開発法人理化学研究所, 計算科学研究センター, チームリーダー (10312993) ; 常田 貴夫 神戸大学, 科学技術イノベーション研究科, 特命教授 (20312994)
• 研究期間 (年度): 2017-04-01 – 2020-03-31
• キーワード: Kohn-Sham方程式 / LC汎関数 / Koopmans定理 / 励起エネルギー / 軌道エネルギー

研究実績の概要

本課題は、「長距離補正密度汎関数法（LC-DFT）」を深化・高度化し、汎用性の高い分子理論として確立することを目的とする。LC-DFTの汎用性評価のため、世界最高精度の時間依存DFTのスピンフリップLC-TDDFTによる2次元、3次元拡張系電子励起の再現性、および反応機構がわかっていない重要な電気化学反応のLC-DFTの再現性を検証した。理論の高度化においては、高精度軌道エネルギーと機械学習を利用した新しい反応軌道論の開発に焦点を当て研究を行なってきた。さらにLC-DFTの解である軌道エネルギーのみを使って分子の1電子励起エネルギーを表現する新しい簡便な理論を構築した。
まず、LC-DFTの適用性が疑問視されてきた電子伝導性を発現する電子励起状態として、2次元系のグラフェンと3次元系の銀クラスタを研究した。また、銀ナノクラスタによる表面増強ラマンスペクトルの増強機構も明らかにした。
電気化学反応計算では、過酸化水素に焦点をあて、鉄イオンおよびトリフェニルホスフィン酸化物による過酸化水素分解機構、過酸化水素による直接および鉄イオン添加による燃料電池プロトン交換膜Nafionの劣化機構を初めて解明した。また、リチウムイオン電池電解液であるエチレン炭酸塩など環状炭酸塩の高機能の原因を明らかにした。さらに、人工光合成酸素発生系であるCoPi触媒の酸素発生機構も明らかにした。
さらに、理論の高度化では、LC-DFTの高精度軌道エネルギーにもとづく新しい反応軌道論開発の一環として反応軌道エネルギーダイアグラム（ROED）を提案した。現在、機械学習を導入し、反応経路を特定せずに反応物と生成物の軌道情報だけでROEDを作成する方法を開発している。
本研究を通じ、LC汎関数をさらに発展させ、応用分野を拡大し、有力な分子理論として確立した。

現在までの達成度 (段落)

令和元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

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [国際共同研究] Daegu大学(韓国)
  • 国名: 韓国
  • 外国機関名: Daegu大学
• [国際共同研究] ＩＩＴ Bomby(インド)
  • 国名: インド
  • 外国機関名: ＩＩＴ Bomby
• [国際共同研究] Menoufia University(エジプト)
  • 国名: エジプト
  • 外国機関名: Menoufia University
• [国際共同研究] Sorbonne University(フランス)
  • 国名: フランス
  • 外国機関名: Sorbonne University
• [雑誌論文] Excitation energies expressed as orbital energies of KS-DFT with LC functionals (2020)
  • 著者名/発表者名: Kimihiko Hirao, Bun Chan, Jong-Won Song, Kamala Bhattarai, and Subrata Tewary
  • 雑誌名: J.Comput.Chem. 巻: 41 ページ: 1368-1383
  • DOI: 10.1002/jcc.26181
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Application of Accelerated Long-range Corrected Exchange Functional [LC-DFT(2Gau)] to Periodic Boundary Condition Systems: CO Adsorption on Cu(111) Surface (2020)
  • 著者名/発表者名: Kenji Mishima, Masanori Kaneko, Jong-Won Song, Hiroki Kawai, Koichi Yamashit, and Kimihiko Hirao
  • 雑誌名: J.Chem.Phys. 巻: 152 ページ: 104105
  • DOI: 10.1063/1.5141919
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] NWChem: Past, Present, and Future (2020)
  • 著者名/発表者名: Edoardo Apra, Eric Bylaska, Wibe De Jong, K.Hirao, T.Nakajima, et al
  • 雑誌名: J.Chem.Phys. 巻: 152 ページ: 184102
  • DOI: 10.1063/5.0004997
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Modular synthesis of carbon-substituted furoxans via radical addition pathway and its utility for transformation of aliphatic carboxylic acids based on “build-and-scrap” strategy (2020)
  • 著者名/発表者名: R. Matsubara, H. Kim, T. Sakaguchi, W. Xie, X. Zhao, Y. Nagoshi, C. Wang, M. Tateiwa, A. Ando, M. Hayashi, M. Yamanaka, T. Tsuneda
  • 雑誌名: Org. Lett. 巻: 22 ページ: 1182-1187
  • DOI: 10.1021/acs.orglett.0c00062
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Theoretical and Experimental Studies on the Near-Infrared Photoreaction Mechanism of a Silicon Phthalocyanine Photoimmunotherapy Dye: Photoinduced Hydrolysis by Radical Anion Generation (2020)
  • 著者名/発表者名: M. Kobayashi, M. Harada, H. Takakura, K. Ando, Y. Goto, T. Tsuneda, M. Ogawa, and T. Taketsugu
  • 雑誌名: ChemPlusChem 巻: 1 ページ: 1-2
  • DOI: 10.1002/cplu.202000338
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Synthesis and synthetic application of chloro- and bromofuroxans (2020)
  • 著者名/発表者名: R. Matsubara, A. Ando, H. Hasebe, H. Kim, T. Tsuneda, M. Hayashi
  • 雑誌名: J. Org. Chem 巻: 1 ページ: 1-2
  • DOI: 10.1021/acs.joc.0c00326
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] .Importance of van der Waals descriptions on accurate isomerization energy calculations of thiourea compounds: LCgau-BOP+LRD method (2019)
  • 著者名/発表者名: Dae-Hwan Ahn, Takeshi Sato, Jong-Won Song, and Kimihiko Hirao
  • 雑誌名: J.Phys.Chem.A 巻: 123 ページ: 7034-7041
  • DOI: 10.1021/acs.jpca.9b04149
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] A Simple Model for Relative Energies of All Fullerenes Reveals the Interplay Between Intrinsic Resonance and Structural Deformation Effects in Medium-Sized Fullerenes (2019)
  • 著者名/発表者名: Chan, Bun; Kawashima, Yukio; Dawson, William; Katouda, Michio; Nakajima, Takahito; Hirao
  • 雑誌名: J.Chem. Theory and Computat. 巻: 15 ページ: 29-38
  • DOI: 101021/acs.jctc.8b00981
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Electronic Transport Investigation of Redox-Switching Azulenequinones/Hydroquinones via First-Principles Studies (2019)
  • 著者名/発表者名: El-Abed Haidar, Sherif A. Tawfik, Catherine Stampfl, Kimihiko Hirao, Kazunari Yoshizawa, Safinaz H. El-Demerdash, Takahito Nakajima, and Ahmed M. El-Nahas
  • 雑誌名: Phys.Chem.Chem.Phyts. 巻: 21 ページ: 17859-17867
  • DOI: 10.1039/c9cp03233a
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Density Functional Theory as a Data Science (2019)
  • 著者名/発表者名: T.Tsuneda
  • 雑誌名: Chem. Rec 巻: 19 ページ: 23
  • DOI: 10.1002/tcr.201900081
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] On principal features of organic electrolyte molecules in lithium ion battery performance (2019)
  • 著者名/発表者名: T. Tsuneda and Y. Tateyama
  • 雑誌名: Phys. Chem. Chem. Phys. 巻: 21 ページ: 22990-22998
  • DOI: 10.1039/c8cp04299c
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Roles of silver nanoclusters in surface-enhanced Raman spectroscopy (2019)
  • 著者名/発表者名: T. Tsuneda, T. Iwasa and T. Taketsugu
  • 雑誌名: J. Chem. Phys. 巻: 151 ページ: 094102
  • DOI: 10.1063/1.5111944
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Investigations of poor DFT calculations of actinides: Reduction of UO2 2+ ion (2019)
  • 著者名/発表者名: Tatsuya Hattori, Takashi Toraishi, Takao Tsuneda, Satoru Tanaka
  • 雑誌名: Computational Science and Engineering 巻: 2 ページ: 551-554
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] Excitation Energies Expressed as Orbital Energies of KS-DFT with LC Functional (2020)
  • 著者名/発表者名: K.Hirao
  • 学会等名: Theoretical Chemistry Symposium (Taiwan)
  • 招待講演
• [学会発表] Kohn-Sham軌道エネルギーによる励起エネルギーの表現 (2019)
  • 著者名/発表者名: 平尾公彦
  • 学会等名: 分子科学討論会