2014 Fiscal Year Annual Research Report
| Project Area | Dynamical ordering of biomolecular systems for creation of integrated functions |
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| Project/Area Number |
25102002
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
佐藤 啓文 京都大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (70290905)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
山本 武志 京都大学, 理学(系)研究科(研究院), 助教 (30397583)
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| Project Period (FY) |
2013-06-28 – 2018-03-31
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| Keywords | 電子状態理論 / 液体の積分方程式 / 自由エネルギー / 自己集合化 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
秩序形成過程の本質に迫るべく、これまでに我々が開発してきた分子系の統計力学理論や量子化学理論を基盤とし、またこれらを発展させながら研究を進めている。A02班平岡教授によって進められている実験的アプローチに着目し、従前からの共同研究者であるA01班立川教授を加えた関連研究室の学生も含めたミーティングを開くなど、緊密な連携を取りながら研究を進めている。主な成果は以下の通りである。
（１）前年度に引き続き、ナノキューブの自己集合について全原子モデルに基づく自由エネルギー計算と電子状態計算を行い、超分子集合体の自己組織化を自由エネルギー変化に基いて定量的に調べるための理論的方法の開発と応用を行った。中間体まで含めた過程を解析することによって、自己組織化に付随する自由エネルギー地形を溶媒まで含めた全原子モデルに基いて総合的に理解する事が出来た。
（２）ナノキューブの系の幾何的・構造的な性質を抽出する目的で、モノマーの持つ幾何的特徴を反映したピラミッド型の抽象化モデルを開発した。
（３）平岡らは、ピリジン配位子を巧みに利用することで、Pd2+イオンと８つのパネル状分子からなる八面体型カプセル分子の形成プロセスの実験的追跡に成功している。この形成過程の詳細を更に明らかにするために、幾何的特徴を可能な限り排して化学量論的に中間体を記述し、これらの集合体として定義した状態間の時間発展をマスター方程式によって追跡するモデルを提案した。このモデルにより、10時間におよぶ長時間の物質生成過程を計算によって追跡することに成功した。
（４）カプシドなどの形成過程を記述できる統計力学理論（積分方程式理論）の開発と検証に引き続き取り組んだ。
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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
(1) 実験研究者との緊密な連携に促され、マスター方程式に基づく自己集合過程の解析方法の開発など、実際の自己集合過程を追跡するための新しい手法の開発に成功している。解析結果からは、実験から示唆されているように最終段階が全過程に大きな影響を与えていることが分かり、このモデルが実験結果を精度良く表現できることが分かった。また中間体の分子内過程に比較すると、中間種同士の結合などの分子間過程が遅いために、構造的に緩和した中間体が過程上で数多く生成していることを明らかになってきている。
(2) ナノキューブ系について、有機半導体の分野で使われている新しいvan der Waals汎関数と完全基底極限での平面波DFT計算を組み合わせることで、数百原子からなる溶質間の相互作用エネルギーを定量的に計算出来るようにした。溶媒効果の見積もりでは、積分方程式理論、エネルギー表示理論、自由エネルギー摂動法について、超分子サイズの系に対する様々なテスト計算を行い、溶媒和自由エネルギーについても十分正確な値を得られるようにした。また、分子動力学シミュレーションの結果と比較を行い、自由エネルギー計算による予測と首尾一貫した構造変化を確認することが出来た。さらに、サブユニットの離散・会合に対して溶媒組成が与える影響を詳細に検討した。これらの結果は現在論文にまとめている所である。
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| Strategy for Future Research Activity |
順調に研究は進捗しており、今後もこれまでの計画を踏まえながら遂行する予定である。より具体的には以下の通りである。
（１）マスター方程式に基づく自己集合過程の解析方法は、極めて少数のパラメータを設定することで長時間に渡る系の時間発展を追跡できる。この方法を幅広く応用し、他の系へも展開する。
（２）開発したナノキューブのピラミッド型モデルについては、ナノキューブおよびシート構造の二つが生成される。このモデル系のエネルギー地形を明らかにし、実際の形成過程についての考察を進める。
（３）ナノキューブや超分子ポリマーのMDや、溶媒和自由エネルギーの検証計算を引き続き進める。
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[Presentation] 動的秩序形成の分子理論2015
Author(s)
佐藤啓文
Organizer
日本化学会第95春季年会(2015)
Place of Presentation
日本大学理工学部 船橋キャンパス
Year and Date
2015-03-26 – 2015-03-29
Invited
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