量子多成分系理論の高度化とシステム構築：プロトニクス・ポジトロニクスへの展開

2020 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 18H01945
• 研究機関: 横浜市立大学
• 研究代表者: 立川 仁典 横浜市立大学, データサイエンス学部, 教授 (00267410)
• 研究期間 (年度): 2018-04-01 – 2021-03-31
• キーワード: 量子多成分系理論 / 量子水素 / 陽電子化合物 / ミューオニウム化合物 / 生体超分子

研究実績の概要

本研究課題の目的は、より実構造に近い理論計算を実現するために、申請者が開発してきた量子多成分系分子理論手法を高精度化し、かつ周囲環境を適切に取込む、(1)多階層量子多成分系理論の高度化・システム構築を行うことにある。それにより、水素・陽子が関わるプロトニクスや陽電子が関わるポジトロニクスにおいて、可能な限り実構造に近い(2)量子水素系、陽電子・ミューオン系の高精度・大規模計算を実現する。
(1)多階層量子多成分系理論の高度化・システム構築：　多階層量子多成分系理論手法のために、局在基底、平面波基底、分子力場を多階層的に取込む手法の開発、および高並列化効率を見据えて階層的並列化へのプログラム実装を行った。また多階層量子多成分系理論手法において微分計算のための新たなプログラムも実装し、現在ヘシアン計算のプログラムを実装している。
(2)量子水素系、陽電子・ミューオン系の高精度・大規模計算：　応用計算として、量子水素系、陽電子化合物、およびミューオニウム化合物の高精度計算を実施した。量子水素系としては、低障壁水素結合（LBHB）を有するperiplasmic phosphate binding protein (PPBP) のモデル分子（酢酸）に対してリン酸とヒ酸がそれぞれ水素結合を形成するようなクラスターに対して、核の量子効果を含めた高精度・大規模計算を実現した。リン酸の水素結合における原子の方がヒ酸の場合よりも分極が大きくなっているため、この分極の効果により、リン酸でプロトン移動が頻繁に起きるといったLBHB特有の性質を示すことがわかった。陽電子化合物においては、海外研究協力者のSurko (米)らが実測した、炭化水素分子やアミノ酸への陽電子吸着能をターゲットとした。また「陽電子結合」の描像を持つような化合物の計算も実施した。さらにはミューオン化合物の計算も実施し、超微細結合定数に着目した解析を実施している。

現在までの達成度 (段落)

令和2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2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] チェンマイ大学/ウボンラチャタニ大学(タイ)
  • 国名: タイ
  • 外国機関名: チェンマイ大学/ウボンラチャタニ大学
• [雑誌論文] Development of anharmonic vibrational structure theory using backflow transformation (2022)
  • 著者名/発表者名: Ishii Kiriko、Shimazaki Tomomi、Tachikawa Masanori、Kita Yukiumi
  • 雑誌名: Chemical Physics Letters 巻: 787 ページ: 139263～139263
  • DOI: 10.1016/j.cplett.2021.139263
  • 査読あり
• [雑誌論文] Hydrogen/Deuterium Transfer from Anisole to Methoxy Radicals: A Theoretical Study of a Deuterium-Labeled Drug Model (2022)
  • 著者名/発表者名: Kimura Yuka、Kanematsu Yusuke、Sakagami Hiroki、Rivera Rocabado David S.、Shimazaki Tomomi、Tachikawa Masanori、Ishimoto Takayoshi
  • 雑誌名: The Journal of Physical Chemistry A 巻: 126 ページ: 155～163
  • DOI: 10.1021/acs.jpca.1c08514
  • 査読あり
• [雑誌論文] Spontaneous radiative dissociation of the second bound state of positronium hydride (2022)
  • 著者名/発表者名: Yamashita Takuma、Hiyama Emiko、Yoshida Daisuke、Tachikawa Masanori
  • 雑誌名: Physical Review A 巻: 105 ページ: 12814-1～12814-5
  • DOI: 10.1103/PhysRevA.105.012814
  • 査読あり
• [雑誌論文] Competitive nuclear quantum effect and H/D isotope effect on torsional motion of H2O2: An ab initio path integral molecular dynamics study (2022)
  • 著者名/発表者名: Udagawa Taro、Kuwahata Kazuaki、Tachikawa Masanori
  • 雑誌名: Computational and Theoretical Chemistry 巻: 1208 ページ: 113542～113542
  • DOI: 10.1016/j.comptc.2021.113542
  • 査読あり
• [雑誌論文] Atomic mass dependence of the nuclear quantum effect in NH4+(H2O) (2022)
  • 著者名/発表者名: Kuwahata Kazuaki、Tachikawa Masanori
  • 雑誌名: Chemical Physics 巻: 553 ページ: 111381～111381
  • DOI: 10.1016/j.chemphys.2021.111381
• [雑誌論文] Theoretical study of the H/D isotope effect of CH₄/CD₄ adsorption on a Rh(111) surface using a combined plane wave and localized basis sets method (2021)
  • 著者名/発表者名: Sakagami Hiroki、Tachikawa Masanori、Ishimoto Takayoshi
  • 雑誌名: RSC Advances 巻: 11 ページ: 10253～10257
  • DOI: 10.1039/D0RA10796D
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Metal-doped carbon nanocones as highly efficient catalysts for hydrogen storage: Nuclear quantum effect on hydrogen spillover mechanism (2021)
  • 著者名/発表者名: Yodsin Nuttapon、Sakagami Hiroki、Udagawa Taro、Ishimoto Takayoshi、Jungsuttiwong Siriporn、Tachikawa Masanori
  • 雑誌名: Molecular Catalysis 巻: 504 ページ: 111486～111486
  • DOI: 10.1016/j.mcat.2021.111486
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] H/D Isotope Effects in Keto-Enol Tautomerism of β-Dicarbonyl Compounds ?Importance of Nuclear Quantum Effects of Hydrogen Nuclei? (2021)
  • 著者名/発表者名: Udagawa Taro、Murphy Rhys B.、Darwish Tamim A.、Tachikawa Masanori、Mori Seiji
  • 雑誌名: Bulletin of the Chemical Society of Japan 巻: 94 ページ: 1954～1962
  • DOI: 10.1246/bcsj.20210083
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Theoretical investigation of the enhancement of positron affinity by the vibration and dimerization of non-polar carbon disulfide (2021)
  • 著者名/発表者名: Furushima Miku、Yoshida Daisuke、Kita Yukiumi、Shimazaki Tomomi、Tachikawa Masanori
  • 雑誌名: Physical Chemistry Chemical Physics 巻: 23 ページ: 21512～21520
  • DOI: 10.1039/D1CP02808A
  • 査読あり
• [雑誌論文] A theoretical study on solvatofluorochromic asymmetric thiazolothiazole (TTz) dyes using dielectric-dependent density functional theory (2021)
  • 著者名/発表者名: Shimazaki Tomomi、Tachikawa Masanori
  • 雑誌名: Physical Chemistry Chemical Physics 巻: 23 ページ: 21078～21086
  • DOI: 10.1039/D1CP02047A
  • 査読あり
• [雑誌論文] H/D isotope effect between adsorbed water (H2O, D2O, and HDO) and H2O- and D2O-ice Ih(0?0?0?1) basal surfaces based on the combined plane wave and localized basis set method (2021)
  • 著者名/発表者名: Ishimoto Takayoshi、Sakagami Hiroki、Kanematsu Yusuke、Tachikawa Masanori
  • 雑誌名: Applied Surface Science 巻: 561 ページ: 150100～150100
  • DOI: 10.1016/j.apsusc.2021.150100
  • 査読あり
• [雑誌論文] Theoretical Study For Positron Binding and Annihilation of Alcohol Clusters (2021)
  • 著者名/発表者名: Tachikawa Masanori、Yoshida Daisuke
  • 雑誌名: Few-Body Systems 巻: 62 ページ: 48～53
  • DOI: 10.1007/s00601-021-01636-x
  • 査読あり
• [雑誌論文] Positron Binding and Annihilation Properties of Amino Acid Systems (2021)
  • 著者名/発表者名: Ozaki Maya、Yoshida Daisuke、Kita Yukiumi、Shimazaki Tomomi、Tachikawa Masanori
  • 雑誌名: ACS Omega 巻: 6 ページ: 29449～29458
  • DOI: 10.1021/acsomega.1c03409
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Path Integral Molecular Dynamics Study on $$\hbox {NH}_4{}^+ (\hbox {H}_2\hbox {O})$$ (2021)
  • 著者名/発表者名: Kuwahata Kazuaki、Tachikawa Masanori
  • 雑誌名: Few-Body Systems 巻: 62 ページ: 96～102
  • DOI: 10.1007/s00601-021-01689-y
  • 査読あり
• [雑誌論文] Contribution of vibrational overtone excitations to positron annihilation rates for benzene and naphthalene (2021)
  • 著者名/発表者名: Iida Ryusei、Suzuki Haruya、Takayanagi Toshiyuki、Tachikawa Masanori
  • 雑誌名: Physical Review A 巻: 104 ページ: 62807-1～62807-9
  • DOI: 10.1103/PhysRevA.104.062807
  • 査読あり
• [雑誌論文] Theoretical analysis of the binding of a positron and pair-annihilation in fluorinated benzene molecules (2020)
  • 著者名/発表者名: Ono Kuniaki、Oyamada Takayuki、Kita Yukiumi、Tachikawa Masanori
  • 雑誌名: The European Physical Journal D 巻: 74 ページ: 1-8
  • DOI: 10.1140/epjd/e2020-100538-3
  • 査読あり
• [雑誌論文] Geometrical H/D Isotope Effect of Blue-shifting Dihydrogen-bonded Clusters (2020)
  • 著者名/発表者名: Ishida Yusuke、Funahashi Haruki、Tachikawa Masanori、Udagawa Taro
  • 雑誌名: Chemistry Letters 巻: 49 ページ: 745～748
  • DOI: 10.1246/cl.200198
  • 査読あり
• [雑誌論文] Experimental and Computational Analyses of the Oxidation Mechanism of the Poly(arylsilane) Family as the Side Reaction during the Baking Process (2020)
  • 著者名/発表者名: Kobayashi Osamu、Noda Kunihiro、Ikuma Naohiko、Shiota Dai、Ishimoto Takayoshi、Tachikawa Masanori
  • 雑誌名: The Journal of Physical Chemistry C 巻: 124 ページ: 16149～16158
  • DOI: 10.1021/acs.jpcc.0c02416
  • 査読あり
• [雑誌論文] Positron?electron correlation‐polarization potential model for positron binding in polyatomic molecules (2020)
  • 著者名/発表者名: Sugiura Yutaro、Suzuki Haruya、Otomo Takuma、Miyazaki Takaaki、Takayanagi Toshiyuki、Tachikawa Masanori
  • 雑誌名: Journal of Computational Chemistry 巻: 41 ページ: 1576～1585
  • DOI: 10.1002/jcc.26200
  • 査読あり
• [雑誌論文] Determining if Reaction Selectivity Can Be Controlled by the H/D Isotope Effect in CH・・・O Interactions (2020)
  • 著者名/発表者名: Funahashi Haruki、Tachikawa Masanori、Udagawa Taro
  • 雑誌名: Organic Letters 巻: 22 ページ: 9439～9443
  • DOI: 10.1021/acs.orglett.0c03351
  • 査読あり
• [雑誌論文] Theoretical calculation of positron annihilation spectrum using positron‐electron correlation‐polarization potential (2020)
  • 著者名/発表者名: Sugiura Yutaro、Takayanagi Toshiyuki、Tachikawa Masanori
  • 雑誌名: International Journal of Quantum Chemistry 巻: 120 ページ: 26376-1～26376-5
  • DOI: 10.1002/qua.26376
  • 査読あり
• [雑誌論文] Positron binding in chloroethenes: Modeling positron-electron correlation-polarization potentials for molecular calculations (2020)
  • 著者名/発表者名: Suzuki Haruya、Otomo Takuma、Iida Ryusei、Sugiura Yutaro、Takayanagi Toshiyuki、Tachikawa Masanori
  • 雑誌名: Physical Review A 巻: 102 ページ: 52830-1～52830-9
  • DOI: 10.1103/PhysRevA.102.052830
  • 査読あり
• [雑誌論文] First-principles quantum Monte Carlo studies for prediction of double minima for positronic hydrogen molecular dianion (2020)
  • 著者名/発表者名: Ito Shumpei、Yoshida Daisuke、Kita Yukiumi、Tachikawa Masanori
  • 雑誌名: The Journal of Chemical Physics 巻: 153 ページ: 224305～224305
  • DOI: 10.1063/5.0022673
  • 査読あり
• [雑誌論文] Nuclear Quantum Effect on the Geometry of NH₄⁺(H₂O) (2020)
  • 著者名/発表者名: Kuwahata Kazuaki、Tachikawa Masanori
  • 雑誌名: Bulletin of the Chemical Society of Japan 巻: 93 ページ: 1558～1563
  • DOI: 10.1246/bcsj.20200120
  • 査読あり
• [学会発表] Ab initio study of the effect of molecular vibrations on the positron-binding to polyatomic molecules (2021)
  • 著者名/発表者名: Masanori Tachikawa
  • 学会等名: The 8th Asia-Pacific Conference on Few-Body Problems in Physics (APFB2020)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] エキゾチック分子の量子化学 (2021)
  • 著者名/発表者名: 立川仁典
  • 学会等名: IQCE量子化学探索講演会2021「量子化学で探る化学の最先端」
  • 招待講演
• [学会発表] 水素の量子ゆらぎを考慮した第一原理分子理論の構築と重水素化学への展開 (2021)
  • 著者名/発表者名: 立川仁典
  • 学会等名: 計算で物事を理解する予測する～産業界の実問題に立ち向かうサイエンス～
  • 招待講演
• [学会発表] Multi-component density functional theory study of H/D isotope effect on phase transition of hydrogen-bonded organic conductor κ-H3(Cat-EDT-TTF)2 (2021)
  • 著者名/発表者名: Masanori Tachikawa
  • 学会等名: MRM2021 Materials Research Meeting
  • 国際学会
• [学会発表] Quantum Monte Carlo calculation on the effect of molecular vibrations for the positron-binding to polyatomic molecules (2021)
  • 著者名/発表者名: Masanori Tachikawa
  • 学会等名: PACIFICHEM 2021
  • 国際学会 / 招待講演
• [備考] 横浜市立大学量子物理化学研究室（立川・島崎・北グループ）
  • URL: http://www-user.yokohama-cu.ac.jp/~tachi/index.html
• [学会・シンポジウム開催] 6th Japan-Thai Workshop on Theoretical and Computational Chemistry・横浜（オンライン開催） (2021)