2018 Fiscal Year Annual Research Report

Analyzing of nonlinear vibrational spectroscopy from classical molecular dynamics simulation with intermolecular charge transfer effects

Research Project

Project/Area Number	17J03111
Research Institution	Shizuoka University
Principal Investigator	伊藤広伸静岡大学, 工学部, 特別研究員(PD)
Project Period (FY)	2017-04-26 – 2020-03-31
Keywords	水 / 分極 / 電荷移動 / ラマン / 赤外 / 水素結合 / OH伸縮振動
Outline of Annual Research Achievements	本研究では、液体、溶液、生体系分子に対する振動分光スペクトル計算及びその解析を行い、分子内及び分子間電荷移動効果を動力学起源から明らかにすることが目的である。２９年度では、水素結合形成した水分子の静電分極による電子密度変化に立脚した分極モデルの開発を行った。当時の成果では一様な外部電場を印加したことによる電子密度変化しか再現出来なかったが、３０年度の成果では外部から非一様な電場が印加されたことによる電子密度変化を再現した、より精緻な分極モデルの開発に成功した。また、２９年度での研究では水素結合形成した水の分極率と電子の振舞いの関連性の解析を水二量体の結果をもとに行ったため、より複雑な水素結合構造を持つ水クラスター系においても同様の結果をもたらすか不明であったが、３０年度の成果では先に開発した分極率モデルを用いて分子間の静電相互作用による分極率微分の算出を行い、より大きな水クラスター系において分極率に対する分子間の静電相互作用と分子間電荷フラックスの効果の相対的な大きさの評価を行うことが出来た。さらに３０年度における研究では第３の課題として水の振動シュタルク効果に関する研究を行い、水素結合形成した水のOH伸縮振動モードに対する振動数シフトのメカニズムの研究・解析を行った。その結果、分子内構造の変化が振動数シフトに大きな影響を与えることが分かり、それは分子間電荷フラックス効果が分子内構造変化に大きく寄与しているためであると分かった。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason ３０年度の研究では、２９年度で開発した電子密度変化に立脚した水分子の分極モデルの不備を改良し、さらなる精緻化に成功した。この研究における成果として、「水素結合形成した水分子の静電分極による電子密度変化の解析と分極モデルの開発」及び「A model for electrostatic polarization of hydrogen-bonded water based on electron density variations」のタイトルで、それぞれ第２１回理論化学討論会（２０１８年５月）とEMLG/JMLG２０１８（２０１８年１１月）で発表を行い、現在論文の執筆を行っている。さらにこのモデルをより複雑な水素結合構造を持つ水クラスター系に適用し、「水素結合形成した水のラマンスペクトル強度生成メカニズムの電子密度変化に関わる理論的解析」のタイトルで、第１２回分子科学討論会福岡（２０１８年９月）で口頭発表を行った。さらに第３の課題として水の振動シュタルク効果に関する研究を行い、第２２回理論化学討論会（２０１９年５月）で発表を行う予定であり、総評して「（２）おおむね順調に進展している。」と自己評価する。
Strategy for Future Research Activity	３０年度の研究では、２９年度で開発した電子密度変化に立脚した水分子の分極モデルの不備を改良し、さらなる精緻化により外部から非一様な電場が印加されたことによる電子密度変化を再現した。これにより２９年度までの研究では水二量体をもとに分極率微分の計算を行っていたが、新たに改良したモデルを用いることで複雑な水素結合構造を持つ水クラスター系に対して分極率微分の算出を行うことが可能となった。そのため今後は、液体水における動力学計算を行い、振動分光スペクトル計算とその解析を行うことにより分子間電荷移動の効果を動力学的起源から明らかにする。さらに現在遂行中である水の振動シュタルク効果に関する研究においては、分子内構造の変化が水のOH伸縮振動モードの振動数シフトに大きな影響を与え、分子間電荷フラックス効果が分子内構造変化に大きく寄与しているためであると分かっている。今後は、振動数シフトのメカニズムを分子間電荷フラックス効果と電子の振る舞いの関連性を電子密度変化の量子化学計算結果をもとに詳細な研究・解析を行う。