| 研究課題/領域番号 |
25709012
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| 研究種目 |
若手研究(A)
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| 研究機関 | 九州大学 |
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研究代表者 |
石元 孝佳 九州大学, 稲盛フロンティア研究センター, 特任助教 (50543435)
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| 研究期間 (年度) |
2013-04-01 – 2017-03-31
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| キーワード | ナノ界面 / 電子状態 / 濡れ性 / カーボン / エネルギー伝達 / 水素結合 |
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| 研究概要 |
ナノスケールで初めて発現する界面特有の濡れ性は電子物性変化に由来するため、電子状態理論に立脚したアプローチが必要である。本研究ではナノ界面に対する濡れ性と熱エネルギー伝達機構を分子レベルで解明するために、平成25年度は以下の3点について取り組んだ。
A. 新規計算手法の開発に向けて、本研究ではnon-BO量子論に基づく計算プログラムを開発し、実用的な計算に向けた並列化処理を行った。計算プログラムとして量子化学計算用GAMESSを取り上げ、non-BO量子論を実装した。開発したプログラムの並列計算を可能にし、実装前のGAMESSと同程度の並列化効率が得られていることを確認した。
B. グラフェン上での水の安定構造や配向に関する基礎的な知見を得るために基本的な芳香族化合物に対する超高分解能レーザー分光測定を行った。分子科学研究所にてベンゼンについて超音速ジェットと波長可変パルスレーザーを用いた高分解能スペクトルを測定した。今回の測定でベンゼンの分子構造を精密に測定することができた。
C. 本研究で取り扱うナノ液滴構造を構築するために、１，２，３，５nmサイズの水滴構造をモデリングした。特に水分子100個からなる2nmの水の液滴構造についてはアインシュタインの関係式から水の拡散係数を算出した。またイオン状態での拡散性の違いを解析するためにOH-存在下でのナノ液滴の拡散挙動を計算した。水素結合構造の動径分布関数を評価したところ、OH-存在下の場合水素結合構造の乱れが大きいことが明らかになった。
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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
ナノ界面に対する濡れ性と熱エネルギー伝達機構を分子レベルで解明するために、本研究では、A. non-BOダイナミクス手法の開発、B. ナノ界面実構造の高精度測定、C. ナノ界面の電子状態解析、の課題に取り組んでいる。平成25年度、Aについては大規模計算に向けた実装に成功した。ダイナミクスについては若干プログラミングに時間を有している。Bについてはベンゼンについての測定に成功した。Cについてはナノ液滴の構造的特徴を抽出することに成功し、当初の予想よりも進捗が見られた。
以上の観点から総合的にみると、研究はおおむね順調に進展している。
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| 今後の研究の推進方策 |
ナノ界面に対する濡れ性と熱エネルギー伝達機構を分子レベルで解明するために、本研究では、A非平衡non-BOダイナミクス手法の開発、Bナノ界面実構造の高精度測定、Cナノ界面の電子状態解析に基づく新規ナノ界面制御技術の提案、の課題に取り組んでいる。本年度はA、B、Cすべての項目について進めていく。以下に具体的な研究実施計画を示す。
A non-BOダイナミクス手法の開発に向けて、平成25年度に開発した大規模non-BO量子論を実装した計算プログラムのガウス型波束法への拡張を行う。また、開発した計算プログラムの有効性を検証する。具体的には水の動径分布関数の実験値と計算結果を比較し、局所ナノ構造における水素結合ネットワークの精度を評価する。
B ベンゼン‐水、ナフタレン‐水の相互作用における精密な界面構造を明らかにするために超高分解能レーザー分光測定を行う。平成25年度に行ったベンゼン同様、超音速ジェットと波長可変パルスレーザーを用いた高分解能スペクトルを測定することで、芳香族化合物と水の局所相互作用構造の詳細な解析を行う。得られた構造はモデリングに活用する。
C ナノ液滴モデルの内部と気液界面近傍で形成される均一、不均一水素結合ネットワーク構造を解析する。また、イオン性化学種(H+やOH-など)共存下でのプロトン移動と分子振動の協奏的エネルギー伝達機構の特徴を抽出する。OH基やF基で表面処理したグラフェンの濡れ性について界面での電荷移動などの電子状態変化と水素結合構造に着目した濡れ性の解析にも取り組む。
年2回程度、研究協力者との意見交換を定期的に行うことで、効率的な研究推進に向けた支援を受ける。得られた成果は国内のみならず国際学会での発表や論文として広く公表する。
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| 次年度の研究費の使用計画 |
平成25年度はプログラム開発に多くの時間を費やしたが、プログラムの並列化については大きな進展があった。当初は初年度に購入する計算機サーバーでの並列化のベンチマークを想定していたが、次年度購入する予定の計算機サーバーの性能を向上させることでより効率的なプログラム開発と応用計算の取り組みが可能であると判断したため次年度使用額が生じた。次年度使用額が生じることにより研究の進展に影響はなく、むしろこれにより研究の進捗が加速されることが期待される。
次年度使用額となった分については、購入予定であった計算機サーバーの高性能化のために使用する。今回想定している大規模電子状態計算では、より多くのコア数と十分なメモリ量が必要となるため、コア数の増加分とメモリ増設のために使用する。
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