| 研究課題/領域番号 |
18K05022
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| 研究機関 | 東北大学 |
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研究代表者 |
菅野 学 東北大学, 理学研究科, 助教 (30598090)
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| 研究期間 (年度) |
2018-04-01 – 2022-03-31
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| キーワード | 理論化学 / 光化学 / 分子性固体 / 分子マシン / ナノカーボン |
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| 研究実績の概要 |
本研究は、従来の光化学反応の実時間・実空間ダイナミクス研究の枠を越え、ナノ分子が凝集した超多次元系である固体中の分子運動や化学反応を光で制御する手法を開拓する。ナノ分子が光照射下で起こす内部運動や化学反応の実時間描像を実験的測定のみから描くことは困難であり、理論計算（分子動力学シミュレーション）によるアプローチが不可欠である。
平成30年度は、電子励起したナノ分子のシミュレーションを見据えて、複雑系にも原理的に適用可能な非断熱動力学法を開発した。非断熱分子動力学の代表的な計算法であるsurface hopping法に1次元非断熱問題の完全解であるZhu-Nakamura理論を多次元に拡張して取り入れた方法が提案されたが、この方法は遷移確率の評価に必要な透熱ポテンシャル勾配を断熱勾配の線形補間から見積もっており、断熱ポテンシャルが滑らかで時間ステップが小さいときには誤った結果を与えてしまう。そこで、我々は透熱勾配を断熱勾配の時間微分に基づいて推定する改良法を開発した。光励起ピラジンの超高速無輻射失活に適用すると、従来法は時間ステップを小さくするほど励起寿命を著しく過小評価したのに対し、改良法は時間ステップに依らず実験値をほぼ再現した。
平成31年度（令和元年度）は、X線自由電子レーザー（XFEL）を用いたナノ分子のイメージング法を考案した。XFELをプローブ光とした時間分解実験により、近赤外レーザーが駆動するC60の大振幅扁長・扁平振動を実時間追跡できることをシミュレーションで予測した。更に、国内外の実験グループと協力し、XFEL照射によって多価イオン化した分子がオージェ崩壊などを経て電子緩和しながらクーロン爆発解離する過程の実時間観測も達成した。ナノ分子の反応過程を解き明かす新たな時間分解イメージングの原理を築いた。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
「研究実績の概要」に記述したナノ分子の反応過程を解き明かす新たな時間分解イメージング法の提案がおおむね達成できたため。その成果を論文として国際誌に発表し、さらに国際会議における招待講演にて広く発信することができた。
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| 今後の研究の推進方策 |
平成30年度に開発した計算負荷が低く数値的に安定な新しいsurface hopping法をナノ分子や分子クラスターの動力学シミュレーションに適用する。まず、興味深い実験結果が報告されている水分子や二酸化炭素分子の会合体（クラスター）の光誘起振動・解離ダイナミクスを解明できるかを検証する。次に、代表的な分子マシンである人工分子モーターの光異性化反応（内部回転の初期段階）の機構の理解を試みる。更には、結晶性分子マシンである分子ジャイロスコープの光駆動内部回転シミュレーション、および、近赤外レーザーに晒された粉末C60(OH)24の温度上昇（振動励起）・崩壊・成長機構の解明を目指す。
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| 次年度使用額が生じた理由 |
本年度の研究を効率的に推進したことに伴い発生した未使用額である。次年度請求額と合わせて次年度に計画している研究の遂行に使用する。特に、数値シミュレーションに使用するワークステーションの保守（ハードディスクや無停電電源装置の購入）、関連書籍やソフトウェアの購入、などに充てる予定である。
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