密度汎関数理論の新展開

2015 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 23225001
• 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, 計算科学研究機構, 機構長 (70093169)
• 研究分担者: 常田 貴夫 山梨大学, 総合研究部, 教授 (20312994)
• 研究期間 (年度): 2011-04-01 – 2016-03-31
• キーワード: 理論化学 / 計算化学 / 密度汎関数法 / 長距離補正 / 光反応 / 励起状態

研究実績の概要

LC-DFTはHF交換積分を導入することで計算精度を飛躍的に高めるが、大規模系計算では交換積分計算の時間がかかりすぎるという問題がある。この問題を解決するため、スクリーニングを用いた交換積分計算を削減するアルゴリズムとガウス関数2つを用いることにより交換積分を大幅に削減するアルゴリズムを開発した。これら2つのアルゴリズムは、いずれも計算精度を損なわずに交換積分の計算コストを大きく削減することがわかった。LC-DFTの適用範囲を拡大することに成功した。
フラーレンおよび炭素原子がより多い高次フラーレンは、医療や材料など多方面での応用が期待され、様々な研究が多く行われている一方で、最も基本的な生成熱の正確な値の測定にいまだ成功していない。本研究では京コンピュータに搭載された分子科学計算ソフトウェアNTChemプログラムのDFTにより、C60および高次フラーレンの生成熱を計算した。その結果、世界最高精度の予測に成功した。また、炭素同素体のグラフェンと比較して生成熱に大きな開きがある原因も理論的に提案することに成功した。
1、2次元拡張系の基本・光学バンドギャップにおける長距離交換と2電子励起電子相関の効果を調べた。これらの効果を取り込んだスピンフリップ長距離補正時間依存密度汎関数法を開発した。長鎖系とグラフェン系の励起状態に適用した結果、基本・光学バンドギャップの差であるエキシトン結合において長距離交換が支配的であることが明らかとなった。
LC-DFT法を用いた結晶などの電子状態計算を行うために平面波を適用した周期系への拡張を行った。その際、問題となるのは交換積分のsingularityの問題である。このsingularityを克服する手法を開発し、周期系へと適用した。その結果、固体の励起エネルギーの高精度計算に成功した。

現在までの達成度 (段落)

27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

27年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [雑誌論文] Singularity Correction for Long-Range-Corrected Density Functional Theory with Plane-Wave Basis Sets (2017)
  • 著者名/発表者名: Y. Kawashima, K. Hirao
  • 雑誌名: J. Phys. Chem. A 巻: 121 ページ: 2035-2045
  • DOI: 10.1021/acs.jpca.7b00162
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] 多成分密度汎関数理論のための電子-核相関汎関数の開発 (2017)
  • 著者名/発表者名: T. Udagawa, T. Tsuneda, M. Tachikawa
  • 雑誌名: J. Computer Chem. Japan 巻: 15 ページ: 143-147
  • DOI: 10.2477/jccj.2016-0018
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] On low-lying excited states of extended nanographenes (2017)
  • 著者名/発表者名: T. Tsuneda, R. K. Singh, A. Nakata
  • 雑誌名: J. Comput. Chem. 巻: 印刷中 ページ: 印刷中
  • DOI: InPress
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Quantum Chemical Estimation of Acetone Physisorption on Graphene Using Combined Basis Set and Size Extrapolation Schemes (2017)
  • 著者名/発表者名: Y. Nishimura, T. Tsuneda, T. Sato, M. Katouda, S. Irle
  • 雑誌名: J. Phys. Chem. C 巻: 121 ページ: 8999-9011
  • DOI: 10.1021/acs.jpcc.6b13002
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Assessment of Range-separated Functionals in the Presence of Implicit Solvent: Computation of Oxidation Energy, Reduction Energy and Orbital Energy (2017)
  • 著者名/発表者名: A. Boruah, M. Borpuzari, Y. Kawashima, K. Hirao, R. Kar
  • 雑誌名: J. Chem. Phys. 巻: 146 ページ: 164102(1-10)
  • DOI: 10.1063/1.4981529
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Relationship between orbital energy gaps and excitation energies for long-chain systems (2016)
  • 著者名/発表者名: T. Tsuneda, R. K. Singh, A. Nakata
  • 雑誌名: J. Comput. Chem. 巻: 37 ページ: 1451-1462
  • DOI: 10.2477/jccj.2016-0018
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Orbital energy-based reaction analysis of SN2 reactions (2016)
  • 著者名/発表者名: T. Tsuneda, S. Maeda, Y. Harabuchi, R. K. Singh
  • 雑誌名: Computation "50th Anniversary of the Kohn-Sham Theory - Advances in Density Functional Theory" 巻: 4 ページ: 1-13
  • DOI: 10.3390/computation4030023
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Experimental and Theoretical Infrared Spectrum Study on Hydration Nafion Membrane (2016)
  • 著者名/発表者名: R. K. Singh, K. Kunimatsu, K. Miyatake, T. Tsuneda
  • 雑誌名: Macromolecules 巻: 49 ページ: 6621-6629
  • DOI: 10.1021/acs.macromol.6b00999
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Best of density-functional-based methods on intermolecular interaction energies (2016)
  • 著者名/発表者名: D. E. Taylor, J. G. Angyan, G. Galli, C. Zhang, F. Gygi, K. Hirao, J. W. Song, K. Rahul, O. A. von Lilienfeld, R. Podeszwa, I. W. Bulik, T. M. Henderson, G. E. Scuseria, J. Toulouse, R. Peverati, D. G. Truhlar, K. Szalewicz
  • 雑誌名: J. Chem. Phys. 巻: 145 ページ: 124105(1-19)
  • DOI: 10.1063/1.4961095
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Solvent Effects on Excited-state Electron-transfer Rate of Pyrene-labeled Deoxyuridine: A Theoretical Study (2016)
  • 著者名/発表者名: S. Maekawa, R. Sato, K. Hirao, Y. Shigeta
  • 雑誌名: Chem. Phys. Lett. 巻: 644 ページ: 25-30
  • DOI: 10.1016/j.cplett.2015.11.037
  • 査読あり
• [雑誌論文] Performance of the OP Correlation Functional in Relation to Its Formulation: Influence of the Exchange Component and the Effect of Incorporating Same-Spin Correlations (2016)
  • 著者名/発表者名: B. Chan, J.-W. Song, Y. Kawashima, K. Hirao
  • 雑誌名: J. Comput. Chem. 巻: 37 ページ: 1306-1312
  • DOI: 10.1002/jcc.24327
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] From C-60 to Infinity: Large-Scale Quantum Chemistry Calculations of the Heats of Formation of Higher Fullerenes (2016)
  • 著者名/発表者名: B. Chan, Y. Kawashima, M. Katouda, T. Nakajima, K. Hirao
  • 雑誌名: J. Am. Chem. Soc. 巻: 138 ページ: 1420-1429
  • DOI: 10.1021/jacs.5b12518
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Chemical reaction analyses based on orbitals and orbital energies (2015)
  • 著者名/発表者名: T. Tsuneda
  • 雑誌名: Int. J. Quantum Chem. 巻: 115 ページ: 270-282
  • DOI: 10.1002/qua.24805
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Molecules relevant for organic photovoltaics: a range-separated density functional study (2015)
  • 著者名/発表者名: R. Kar, M. P. Borpuzari, J.-W. Song, K. Hirao
  • 雑誌名: Mol. Phys. 巻: 113 ページ: 2930-2938
  • DOI: 10.1080/00268976.2015.1059512
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Long-range corrected density functional theory with accelerated Hartree-Fock exchange integration using a two-Gaussian operator [LC-omega PBE(2Gau)] (2015)
  • 著者名/発表者名: J.-W. Song, K. Hirao
  • 雑誌名: J. Chem. Phys. 巻: 143 ページ: 144112(1-8)
  • DOI: 10.1063/1.4932687
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Efficient method of evaluation for Gaussian Hartree-Fock exchange operator for Gau-PBE functional (2015)
  • 著者名/発表者名: J.-W. Song, K. Hirao
  • 雑誌名: J. Chem. Phys. 巻: 143 ページ: 024102(1-9)
  • DOI: 10.1063/1.4923264
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Effects of monohydration on an adenine-thymine base pair (2015)
  • 著者名/発表者名: S. Watanabe, Y. Ogata, T. Kawatsu, Y. Kawashima, M. Tachikawa
  • 雑誌名: Theo. Chem .Acc. 巻: 134 ページ: 84(1-12)
  • DOI: 10.1007/s00214-015-1686-7
  • 査読あり
• [雑誌論文] Theoretical vibrational spectra of OH-(H2O)(2): the effect of quantum distribution and vibrational coupling (2015)
  • 著者名/発表者名: Y. Ogata, Y. Kawashima, K. Takahashi, M. Tachikawa
  • 雑誌名: Phys. Chem. Chem. Phys. 巻: 38 ページ: 255505-25515
  • DOI: 10.1039/c5cp03632a
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Long-range Corrected Density Functional Theory with Linearly-Scaled HF exchange (2015)
  • 著者名/発表者名: J.-W. Song, K. Hirao
  • 雑誌名: AIP Conf. Proc. 巻: 1702 ページ: 090062 (1-3)
  • DOI: 10.1063/1.4938870
  • 謝辞記載あり
• [学会発表] 長距離補正密度汎関数法を用いた結晶系の電子状態計算へ向けて (2017)
  • 著者名/発表者名: 川島雪生
  • 学会等名: 第65回量子物理化学セミナー
  • 発表場所: 横浜市立大学（神奈川県横浜市）
  • 年月日: 2017-03-14 – 2017-03-14
  • 招待講演
• [学会発表] Recent Advances in Long-range Corrected (LC)DFT (2016)
  • 著者名/発表者名: K. Hirao
  • 学会等名: The Third International Conference on Computational Science and Engineering
  • 発表場所: Ho Chi Minh City, Vietnam
  • 年月日: 2016-11-28 – 2016-11-29
• [学会発表] High Performance Computing in Japan: Great Opportunity and Great Challenge in Advanced Computing (2016)
  • 著者名/発表者名: K. Hirao
  • 学会等名: Core Research Facilities Annual Symposium 2016 (University of Sydney)
  • 発表場所: Sydney, Australia
  • 年月日: 2016-11-23 – 2016-11-23
• [学会発表] Theoretical Investigation on Proton Conductance Mechanism in Proton Exchange Membranes (2016)
  • 著者名/発表者名: T. Tsuneda
  • 学会等名: PRiME 2016
  • 発表場所: Honolulu, USA
  • 年月日: 2016-10-02 – 2016-10-07
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 長距離補正密度汎関数法を用いた結晶系の計算 (2016)
  • 著者名/発表者名: 川島雪生、平尾公彦
  • 学会等名: 第10回分子科学討論会2016神戸
  • 発表場所: 神戸ファッションマート（兵庫県神戸市）
  • 年月日: 2016-09-13 – 2016-09-15
• [学会発表] Theoretical investigation on local proton conductance in proton exchange membranes (2016)
  • 著者名/発表者名: T. Tsuneda
  • 学会等名: EMN Meeting on Membranes - 2016
  • 発表場所: Dubai, United Arab Eminates
  • 年月日: 2016-04-05 – 2016-04-08
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 拡張系励起の長距離交換と2電子励起の効果 (2016)
  • 著者名/発表者名: 常田貴夫
  • 学会等名: シンポジウム「量子化学の最近の進展 - 大規模・複雑系の量子化学シミュレーション -」
  • 発表場所: 理化学研究所計算科学研究機構（兵庫県神戸市）
  • 年月日: 2016-03-23 – 2016-03-23
  • 招待講演
• [学会発表] 拡張系のエキシトン結合エネルギー (2016)
  • 著者名/発表者名: 常田貴夫
  • 学会等名: 研究会 凝縮系の理論化学
  • 発表場所: 琉球大学（沖縄県中頭郡西原町）
  • 年月日: 2016-03-10 – 2016-03-11
  • 招待講演
• [学会発表] NTChemとスパコンを用いた大規模フラーレン分子の高精度計算 (2016)
  • 著者名/発表者名: 川島雪生
  • 学会等名: 第5回NTChemワークショップ
  • 発表場所: 秋葉原UDX（東京都千代田区）
  • 年月日: 2016-03-09 – 2016-03-09
  • 招待講演
• [学会発表] Recent Advances in Long-range Corrected (LC) DFT (2016)
  • 著者名/発表者名: K. Hirao, J.-W. Song
  • 学会等名: The Seventh Asia-Pacific Conference of Theoretical and Computational Chemistry APCTCC7
  • 発表場所: Kaoshiung, TAIWAN
  • 年月日: 2016-01-25 – 2016-01-28
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Reaction analyses based on orbital energies (2016)
  • 著者名/発表者名: T. Tsuneda
  • 学会等名: The Seventh Asia-Pacific Conference of Theoretical and Computational Chemistry APCTCC7
  • 発表場所: Kaoshiung, Taiwa
  • 年月日: 2016-01-25 – 2016-01-28
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 化学反応の軌道・軌道エネルギー論 (2015)
  • 著者名/発表者名: 常田貴夫
  • 学会等名: 第5回量子化学スクール
  • 発表場所: 分子科学研究所岡崎コンファレンスセンター（愛知県岡崎市）
  • 年月日: 2015-11-17 – 2015-11-17
  • 招待講演
• [学会発表] Reconsideration of chemical reactivity indices (2015)
  • 著者名/発表者名: T. Tsuneda
  • 学会等名: The 6th Japan-Czech-Slovak International Symposium on Theoretical Chemistry (JCS-2015)
  • 発表場所: Bratislava, Slovakia
  • 年月日: 2015-10-11 – 2015-10-15
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 燃料電池の理論研究：電解質膜を中心に (2015)
  • 著者名/発表者名: 常田貴夫
  • 学会等名: 元素戦略プロジェクト 触媒・電池元素戦略研究拠点第7回公開シンポジウム
  • 発表場所: 京都大学（京都府京都市）
  • 年月日: 2015-09-25 – 2015-09-25
  • 招待講演
• [学会発表] 長距離補正密度汎関数法の高速化アルゴリズムの開発 (2015)
  • 著者名/発表者名: 川島雪生、平尾公彦
  • 学会等名: 第9回分子科学討論会2015東京
  • 発表場所: 東京工業大学大岡山キャンパス（東京都目黒区）
  • 年月日: 2015-09-16 – 2015-09-19
• [学会発表] 長距離補正密度汎関数法による金属表面上のCO分子の吸着エネルギーの計算 (2015)
  • 著者名/発表者名: 宋鍾元、河合宏樹、山下晃一、平尾公彦
  • 学会等名: 第9回分子科学討論会2015東京
  • 発表場所: 東京工業大学大岡山キャンパス（東京都目黒区）
  • 年月日: 2015-09-16 – 2015-09-19
• [学会発表] Theoretical Investigations on Band Gaps of Extended Systems (2015)
  • 著者名/発表者名: T. Tsuneda
  • 学会等名: The 36th Progress in Electromagnetics Research Symposium (PIERS 2015)
  • 発表場所: Prague, Czech Republic
  • 年月日: 2015-07-06 – 2015-07-09
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] ガウス関数を用いた長距離補正密度汎関数法の加速化 (2015)
  • 著者名/発表者名: 宋鍾元、平尾公彦
  • 学会等名: 第18回理論化学討論会
  • 発表場所: 大阪大学（豊中キャンパス）大阪大学会館（大阪府豊中市）
  • 年月日: 2015-05-20 – 2015-05-22
• [学会発表] Range separated DFT functional (2015)
  • 著者名/発表者名: K. Hirao
  • 学会等名: Workshop on "Advances in Electronic Structure Theory"
  • 発表場所: Paris, France
  • 年月日: 2015-04-29 – 2015-04-29
  • 国際学会 / 招待講演
• [図書] Theoretical and Quantum Chemistry at the 21st Century Dawn End (2017)
  • 著者名/発表者名: T. Tsuneda, K. Hirao
  • 総ページ数: 印刷中
  • 出版者: Apple Academic Press
• [図書] 化学便覧 基礎編 改訂6版 (2017)
  • 著者名/発表者名: 常田 貴夫
  • 総ページ数: 印刷中
  • 出版者: 丸善出版
• [備考] 常田研究室（理論化学）
  • URL: http://rare-events.org/tsuneda/
• [備考] 平尾計算化学研究ユニット
  • URL: http://www.aics.riken.jp/labs/ccr/