第一原理計算を用いた分子動力学法の開発と界面への応用

2015 年度 実績報告書

• 研究領域: 理論と実験の協奏による柔らかな分子系の機能の科学
• 研究課題/領域番号: 26104522
• 研究機関: 大阪大学
• 研究代表者: 大戸 達彦 大阪大学, 基礎工学研究科, 助教 (90717761)
• 研究期間 (年度): 2014-04-01 – 2016-03-31
• キーワード: 第一原理分子動力学法 / 気液界面 / 和周波発生分光

研究実績の概要

界面付近に存在する少数の分子の構造とダイナミクスを分子レベルで理解することで、より自在な浸透性や濡れ性の設計が可能になると期待される。全原子分子動力学（MD）シミュレーションは、物質の挙動を分子レベルで理解するための強力な手法である。原子間相互作用を古典力場で表現した古典MDシミュレーションが広く行われており、分子からなる系に対しては特に有効であるが、古典力場は質点としての原子同士の相互作用に基づいて構築されており、非局在化した電荷分布や方向性のある化学結合を表現しにくいという弱点がある。そこで、最小限のパラメータから様々な物質を計算することのできる第一原理計算MDシミュレーションが強く望まれる。本研究では浸透圧調節物質として重要なトリメチルアミンオキサイド（TMAO）と水の混合物の第一原理MDシミュレーションを行い、これまでの古典MDシミュレーションでは再現できていなかった、TMAOの酸素まわりに水素結合するOH伸縮振動ピークの赤方偏移を再現した。これは第一原理計算によって水素結合の方向性を記述することができるためであり、今後の古典力場構築の指針としても重要になる結果である。さらに、界面近傍の分子の振動を検出することのできる和周波発生（SFG）分光スペクトルをシミュレーションすることで、実験結果と照らし合わせながら界面での水の挙動を明らかにしてきた。限定されたトラジェクトリからもSFGスペクトルを計算できるよう、SFG応答関数に対応した表面選択的速度・速度相関関数とそれに基づいたSFGスペクトルの表式を導出した。この表式の有効性を実証した上で、水／空気界面の第一原理MDトラジェクトリからSFGスペクトルを計算し、最新の実験結果と一致する結果を得ることができた。

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

• [国際共同研究] マックスプランクポリマー研究所(ドイツ)
  • 国名: ドイツ
  • 外国機関名: マックスプランクポリマー研究所
• [雑誌論文] Molecular Modeling of Water Interfaces: From Molecular Spectroscopy to Thermodynamics (2016)
  • 著者名/発表者名: Yuki Nagata, Tatsuhiko Ohto, Ellen H.G. Backus, and Mischa Bonn
  • 雑誌名: Journal of Physical Chemistry B 巻: 未定 ページ: 未定
  • DOI: 10.1021/acs.jpcb.6b01012
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Impedance spectroscopy of organic magnetoresistance devices – Effect of interface disorder (2015)
  • 著者名/発表者名: Marine Fayolle, Mariko Yamaguchi, Tatsuhiko Ohto, and Hirokazu Tada
  • 雑誌名: Journal of Applied Physics 巻: 117 ページ: 075501-075501-8
  • DOI: 10.1063/1.4913272
  • 査読あり
• [雑誌論文] Ab initio liquid water dynamics in aqueous TMAO solution (2015)
  • 著者名/発表者名: Kota Usui, Johannes Hunger, Marialore Sulpizi, Tatsuhiko Ohto, Mischa Bonn, and Yuki Nagata
  • 雑誌名: Journal of Physical Chemistry B 巻: 119 ページ: 10597-10606
  • DOI: 10.1021/acs.jpcb.5b02579
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] The surface roughness, but not the water molecular orientation varies with temperature at the water-air interface (2015)
  • 著者名/発表者名: Yuki Nagata, Taisuke Hasegawa, Ellen H. G. Backus, Kota Usui, Seiji Yoshimune, Tatsuhiko Ohto and Mischa Bonn
  • 雑誌名: Phys. Chem. Chem. Phys. 巻: 17 ページ: 23559-23564
  • DOI: 10.1039/C5CP04022A
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Toward ab initio molecular dynamics modeling for sum-frequency generation spectra; an efficient algorithm based on surface-specific velocity-velocity correlation function (2015)
  • 著者名/発表者名: Tatsuhiko Ohto, Kota Usui, Taisuke Hasegawa, Mischa Bonn and Yuki Nagata
  • 雑誌名: Journal of Chemical Physics 巻: 143 ページ: 124702-10
  • DOI: 10.1063/1.4931106
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Lipid carbonyl groups terminate the hydrogen bond network of membrane-bound water (2015)
  • 著者名/発表者名: Tatsuhiko Ohto, Ellen H. G. Backus, Cho-Shuen Hsieh, Marialore Sulpizi, Mischa Bonn and Yuki Nagata
  • 雑誌名: Journal of Physical Chemistry Letters 巻: 6 ページ: 4499-4503
  • DOI: 10.1021/acs.jpclett.5b02141
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [学会発表] Toward ab initio molecular dynamics modeling for sum-frequency generation spectra; an efficient algorithm based on surface-specific velocity-velocity correlation function (2015)
  • 著者名/発表者名: Tatsuhiko Ohto, Kota Usui, Taisuke Hasegawa, Mischa Bonn and Yuki Nagata
  • 学会等名: Pacifichem 2015
  • 発表場所: Hawaii Convention Center, Honolulu, USA
  • 年月日: 2015-12-19 – 2015-12-19
  • 国際学会
• [学会発表] On the hydration structure and dynamics near hydrophilic/hydrophobic group: A view from ab initio molecular dynamics simulation (2015)
  • 著者名/発表者名: Tatsuhiko Ohto
  • 学会等名: IBS Colloquium
  • 発表場所: Korea University, Seoul, Korea
  • 年月日: 2015-09-24 – 2015-09-24
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Development of molecular dynamics method with the aid of first-principles calculations and application to the interface (2015)
  • 著者名/発表者名: Tatsuhiko Ohto
  • 学会等名: International Symposium on "Studying the Function of Soft Molecular Systems
  • 発表場所: Miraikan Hall, Tokyo, Japan
  • 年月日: 2015-07-10 – 2015-07-10
  • 国際学会 / 招待講演