| 研究課題/領域番号 |
19K05443
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| 研究機関 | 早稲田大学 |
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研究代表者 |
河東田 道夫 早稲田大学, 理工学術院, 客員主任研究員 (60390671)
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| 研究期間 (年度) |
2019-04-01 – 2023-03-31
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| キーワード | 有機物理化学 / 計算化学シミュレーション / エラスティック有機結晶 / 結晶構造予測 / 分子動力学シミュレーション / 弾性特性 / 引長変形 / せん断変形 |
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| 研究実績の概要 |
エラスティック有機分子結晶の合理的デザイン方法の開発の研究については、前年度に改良を行ったエラスティック有機分子結晶構造予測システムを元にフレキシブル分子結晶の構造探索をより効率的に行うための改良を行った。具体的な改良点として、(1)効率的な結晶初期構造生成機能として、前年度に開発したLook Ahead based on Quadratic Approximation (LAQA)法に基づく単分子安定配座探索法で得られた配座をもとに固有のパッキング構造を効率的に生成させる手法を開発・実装した。(2)結晶構造の類似度を自動かつ高精度に評価する指標として、並進不変量である粉末X線回折パターンを用いた解析機能を実装した。フレキシブル分子結晶のデータセットを対象にテストを実施したところ、改良前のシステムより短時間での評価が可能なことを確認した。
エラスティック有機分子結晶のシミュレーションと実験による弾性機構解明の研究については、Lammpsプログラムを用いた古典分子動力学シミュレーションによる検討を行った。分子結晶の分子力場パラメーターとして用いるGeneral Amber force field (GAFF)はフレキシブル分子の回転可能な二面角パラメーターの記述に問題があったため、二面角パラメーターと部分電荷を密度汎関数理論(DFT)計算に半自動でフィッテングを行いパラメーターを決定し、Lammpsの入力ファイルを容易に作成可能とするシステムの整備を行った。開発したシステムを用い、9,10ジブロモアントラセン結晶を対象に引長・せん断変形シミュレーションのためのモデルを決定し、単位セルを伸長・変形させたシミュレーションを実施した構造変化を評価したところ、実験の先行研究で報告したポアソン比をよく再現することを確認した。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
3: やや遅れている
理由
エラスティック有機分子結晶の合理的デザイン方法の開発の研究については、分子内自由度が多く構造変化も大きいフレキシブル有機分子の効率的な準安定構造探索システムの開発が順調に進んでいる。エラスティック有機分子結晶のシミュレーションと実験による弾性機構解明の研究については、9,10ジブロモアントラセン分子結晶の古典分子動力学シミュレーションによる引長・せん断結シミュレーションを実施でき、昨年度までの課題であった現象の妥当なシミュレーションのために適切なモデルサイズおよび外力印加方法の決定、ならび引長・せん断シミュレーションによる系統的な評価が実施可能な状況まで到達できた。
一方で、テトラフルオロベンゼン誘導体エラスティック有機分子結晶のシミュレーションによる弾性機構解明については、系統的な評価のためのシミュレーションに着手したばかりであり、当初予定のスケジュールからは遅れが生じているのが課題となっている。また、本務の多忙および新型コロナウイルス感染症(COVID-19)の拡大の影響により、林講師のグループとの共同研究に遅れが生じている。9,10ジブロモアントラセン分子結晶の引長・せん断シミュレーションにおいては、シミュレーションで求められる結晶相構造、応力-せん断カーブも得られたが、弾性機構をより詳細に理解するために対応する実験を実施し結果を比較検討することが課題である。
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| 今後の研究の推進方策 |
テトラフルオロベンゼン誘導体エラスティック有機分子結晶のシミュレーションによる弾性機構解明に関して、計画の遅れを取り戻すべくシミュレーションを計画的に実施するとともに、検討対象の系と結晶構造の絞り込みを行い、重要度の高いケースから評価を進めるよう計画を修正する予定である。
また、9,10ジブロモアントラセン分子結晶の引長・せん断シミュレーション結果のより詳細な検討については、TV会議システムを積極的に活用し林講師のグループと定期的に実験計画と結果について議論しながら共同研究を進める。
合理的デザイン方法の検討および新規材料探索には、コンピュータをより積極的に活用した材料探索を試みる。具体的には、分子のDe-novo分子生成アルゴリズムを分子結晶系へ拡張し、今年度開発した結晶構造予測システムと時間依存密度汎関数理論(TD-DFT)計算による励起状態計算と組み合わせ、エラスティック分子結晶材料の自動探索を行うシステムを開発する。
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| 次年度使用額が生じた理由 |
新型コロナウイルス感染症(COVID-19)拡大に伴う緊急事態宣言により予定していた国内学会と共同研究打ち合わせがキャンセルになり、次年度使用が生じた。使用計画として、進捗が遅れている分子動力学シミュレーション実施のための大型計算機利用費とシミュレーション結果解析ソフトウェア購入費に充てる予定である。
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