2020 Fiscal Year Annual Research Report
大規模・高精度な第一原理計算による超秩序構造の機能解明とデザイン
| Project Area | Progressive condensed matter physics inspired by hyper-ordered structures |
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20H05883
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| Research Institution | National Institute for Materials Science |
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Principal Investigator |
中田 彩子 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 国際ナノアーキテクトニクス研究拠点, 主任研究員 (20595152)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
鷹野 優 広島市立大学, 情報科学研究科, 教授 (30403017)
森川 良忠 大阪大学, 工学研究科, 教授 (80358184)
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| Project Period (FY) |
2020-11-19 – 2025-03-31
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| Keywords | 超秩序構造 / 大規模第一原理計算 / 大域的構造探索 / 化学反応解析 / 金属含有タンパク質 / 物性物理 / 理論化学 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
近年、ナノスケールの中距離秩序構造である「超秩序構造」が非晶質や生体材料、複合欠陥等の非周期構造を持つ材料の物性・機能に寄与することが指摘されつつある。本研究班では、「超秩序構造」を持つ物質の詳細な構造、物性や反応性を大規模第一原理計算により高精度に解明、予測することを目指す。
本年度は、大規模第一原理計算の準備、また超秩序構造解析のための手法構築に取り組んだ。計算機の導入も行った。
物材機構のグループでは、領域で取り扱われる超秩序構造物質に関する大規模第一原理計算プログラムCONQUESTでの計算準備に取り組んだ。ゼオライトやLiイオン電池負極の計算に必要な局在軌道基底関数の作成、精度検証を行った。またアモルファス構造の第一原理計算の結果から、古典力場の妥当性の検証を行った。
大阪大学のグループでは、デンマークのHammer教授との国際共同研究により、機械学習と第一原理計算を組み合わせた大域的構造探索手法の導入を行い、それを用いた触媒構造の探索に取り組んでいる。また、第一原理計算とクラスター展開報やモンテカルロ法の組み合わせによる実時間スケールでの反応速度や各素過程の寄与の解析に関する予備的研究も進めている。
広島市大のグループでは、金属含有タンパク質の生体活性サイトの機能解明に向けた基盤の開発を行った。鉄イオンとポルフィリンからなるヘムタンパク質に関して、ヘムの電子状態変化とヘムの構造歪みの相関に着目した研究を進めており、ヘムの構造歪みデータベースとヘムの構造歪みデータの統計解析ツールを統合したwebサービスPyDISHを開発した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本年度は4カ月半という短い期間だったが、全てのメンバーが実験との共同研究について議論し、取り組みを開始している。装置の導入も順調に行われた。
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| Strategy for Future Research Activity |
本年度の研究をもとに、実験による構造情報とも連携しながら超秩序構造の解明に取り組む。
物材機構ではゼオライト内のAl置換サイトの位置や量による安定性や電子状態の違い、化学反応への影響について検討する。また、実験情報をもとに大規模計算モデルを用いた第一原理計算により、Liイオン電池負極の構造、電子状態とLiイオン充放電との関連について解析する。アモルファスに関しては、シリコン、シリカ系を中心に高精度機械学習力場の構築、さらに大規模第一原理計算と機械学習力場の両方を用いて構造モデリング手法の開発を進める。添加物の影響に対する研究も開始する。得られた構造に対する構造解析、電子状態解析を進め、構造と物性の相関を明らかにする。
大阪大学では酸化物中の金属不純物周りの構造に関して、第一原理電子状態計算と機械学習を組み合わせた手法で安定構造、準安定構造について探索を行う。得られた構造に関して、実験的な情報と比較してその妥当性を検討し、理論的構造モデルを提案する。さらに、この構造モデルでの電子状態、および、誘電的性質に関して検討を加え、実験結果と比較してその誘電率増強機構に関する解明を目指す。化学反応過程の解明に関しては、引き続き触媒構造の変化に関して実時間スケールでの反応速度や各素過程の寄与の解析に関する予備的研究を進める。
広島市大では、金属含有タンパク質の生体活性サイトの機能解明を進める。特に、2Fe-2Sクラスターについて、A-01班の田中秀明准教授（阪大蛋白研）らが構造決定したFerredoxinの構造をもとに電子状態計算、分子動力学シミュレーションを用いて酸化還元変化に伴う機能発現機構の解明を目指す。またヘムタンパク質に関しては、PyDISHの拡張を進めるとともに、PyDISHの登録データを利用した統計解析や分子シミュレーションにより、ヘムタンパク質の構造と機能の関係を明らかにする。
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