| 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 / 分子会合体 / 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、超多次元系であるナノ分子の内部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運動や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、理論計算によるアプローチが不可欠である。
平成30年度は、複雑系にも適用可能な非断熱動力学法を開発した。代表的な非断熱動力学法である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、我々は遷移確率の推定に断熱ポテンシャル勾配の時間微分を用いる改良法を開発した。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。
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、C60の近赤外レーザー誘起大振幅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。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。
令和2年度は、光励起したナノ分子のシミュレーションを見据えて、平成30年度に開発した数値的に安定かつ高速な非断熱分子動力学法を分子会合体である二酸化炭素二量体カチオンの紫外光解離に適用した。我々の計算は実測されたCO2フラグメントの速度分布（速い成分と遅い成分から成る）を再現し、フラグメントの速度に依らず励起後は即座に電子基底状態への遷移が起こることを明らかにした。有効2次元モデルに基づいて2種類の解離機構を説明することにも成功した。
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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
開発した非断熱分子動力学法を実際に分子会合体の光解離反応に適用し、実験データとの一致を確認できたことで、ナノ分子の非断熱動力学シミュレーションを実現する準備がおおむね整ったため。「研究実績の概要」に記述した成果を論文として国際誌に発表することができた（令和3年4月に受理されたため、令和2年度の研究発表には含まれていない）。
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| 今後の研究の推進方策 |
新しい非断熱分子動力学法をナノ分子のシミュレーションに適用する。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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