2020 Fiscal Year Annual Research Report
Development of theory on sum frequency generation spectroscopy
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20H00368
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
森田 明弘 東北大学, 理学研究科, 教授 (70252418)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
石山 達也 富山大学, 学術研究部工学系, 准教授 (10421364)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2025-03-31
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| Keywords | 分子シミュレーション / 液体界面 / 振動分光 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
液体の界面は多くの分野にまたがる重要な対象であるが、現象論を超えて精密にミクロな界面現象を解明する試みは、意外なほど未開拓であった。本研究の目的は、液体界面の構造と機能を、分子レベルの精緻な手法と新たな理論的な視点によって格段に解明することである。本研究では、液体界面をミクロに観測できる有力な２大手法といえる和周波分光と分子動力学計算の緊密な協力を遂行できる特長をもち、これは本グループの和周波分光の理論開発によって実現されたものである。今後実験計測との共同研究を含めて液液界面や有機薄膜、電極界面などへと研究対象を展開する。さらに理論面でも、申請者が確立した界面の非線形感受率の理論と計算手法を発展させて、界面分光の基礎にある未解決な問題に取り組み、界面分光の包括的な理解を確立する。
本年度には界面分光の未解決な基礎的課題として、実際の界面和周波スペクトルに含まれるバルクの四重極成分を計算で評価し、C=O伸縮バンドにおいて界面選択的な双極子成分と同程度の寄与が含まれることを明らかとした。さらに、一般に和周波分光の界面双極子成分とバルク四重極成分を同精度で計算し、それらの寄与を比較する汎用プログラムを開発した。それを用いて、メチル基のC-H反対称伸縮バンドにもバルク成分が大きいことを示した。これはアルキル基の界面配向解析を実施する際にも重要な意味をもつ。
また、振動バンドが強い吸収とそれに伴う屈折率分散を持つ場合、フレネル係数の分散が顕著になるため、界面スペクトル形状を支配する場合があることを示した。その効果は、非共鳴バックグラウンドが大きな固液界面のスペクトルで顕著となることを示し、その場合における適切なスペクトル解析の解決を与えた。
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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
本研究プロジェクトで目指すものは、界面分光に対する完全で包括的な理論の確立であり、界面分光の理論開発における研究代表者グループの国際的なリードを確立することである。その意味で、本年度から始まった本プロジェクトは順調な成果を示してきたといえる。従来の界面分光の理論では非線形感受率の計算が中心的な課題であり、研究代表者はその基礎表式と計算手法を確立してきた。本研究プロジェクトの発足後には、非線形感受率に含まれるバルクの四重極効果も包括的に明らかにすることに成功している。これは非線形感受率を実測と対応する形で完全に求めることを可能とした成果である。さらにスペクトル形状を解析するうえで、従来ほとんど問題とされてこなかったフレネル係数の分散の効果が大きい場合も明らかとし、より包括的で信頼できる理論を与えた。これらは当初の研究計画を具現化する成果であり、界面分光の理論での国際的なリードを確立するうえでも重要な成果である。以下に示すような今後の研究の推進についても準備が進展しており、今後の成果も十分に期待される。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後は、完全な界面和周波分光の理論の確立に向けて、残された問題の解決を目指す。具体的には、以下の研究テーマを推進する。
1. バルク四重極成分を含む和周波分光計算を時間相関関数に基づいて計算する手法を実装し、これまでに本グループが確立した界面双極子成分の界面和周波分光計算と同じ精度での汎用的な計算を可能とする。
2. 界面の誘電率の理解の確立を目指す。界面の誘電率は、界面分光の解析に含まれる重要なパラメーターであるが、分子層レベルでの微視的な意味は明確でなく、界面分光理論の中の曖昧さとして残されていた。そこで液体や単分子膜など実際に構造をもった界面における誘電的性質を分子シミュレーションで詳しく解析し、界面分光における界面の誘電率バラメーターの意味を明らかとする。
3. キラル系の和周波分光の理論と計算手法の開発を行う。キラル系への和周波分光の応用は大きな応用範囲をもち、その利用を先導する理論を開発する必要がある。キラル系の和周波分光には電子共鳴を伴うことによる増強効果が大きく、その扱いが必要となる。そこで従来の時間相関関数の理論を拡張する形で電子共鳴効果を取り込み、現実の分子でのキラルSFGの計算を可能とする理論と計算プログラムを実装する。
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