2020 Fiscal Year Research-status Report
固液界面での化学反応を加速するシミュレーション法の開発
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20K05246
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| Research Institution | Nagoya Institute of Technology |
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Principal Investigator |
尾形 修司 名古屋工業大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (90251404)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 化学反応の加速計算法 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
固液界面などでの化学反応のように，反応のバリアエネルギーが比較的高いため，個々の反応が生じるまでの時間が長く，原子論的な動力学シミュレーションでは直接扱えないことが良くある．このことは，電子系を直接扱う高精度の第一原理分子動力学シミュレーションでも残っている根本的な問題である．本プロジェクトは，この根本的問題を解決するシミュレーション手法を新たに開発することを目的としている．シミュレーション対象系から，少数の反応中心原子間で電子が移動する化学反応プロセスを網羅的にリストし，2段階のindexを用いて分類した後に，直接計算と統計的推測を組み合わせて精度良くバリアを評価し，統計力学から1つの反応プロセスを選ぶことで，化学反応を人為的に加速する新手法の提案とその試行的シミュレーションを進めている．2020年度は，Liイオン電池のグラファイト負極とLi添加したEthelene Carbonate(EC)液体との固液界面での皮膜生成反応を対象系とした．化学ボンドのネットワークを数値化して第1段のindexとし，さらに変形度を電子移動度から特徴づける第2段のindexを用意した．第1段index毎に小規模の原子クラスターを用意してその反応バリアを計算した．第2段index依存のバリア変化をKriging法により統計推定した．バリア値のリストから反応を１つ選択して実際に反応を進め．その後に安定化を行うことを繰り返した．試行シミュレーションの結果，グラファイト端の状態に依存して，反応生成物が異なることがわかった．
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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
当初の予定通り，化学反応を加速する新しい手法を以下の通り考案した：化学反応は一般に，電子の移動とみなせる．化学反応に際して，電子移動部分だけに着目すると，少数個の反応中心原子間での電子移動としてスケルトン化できる．反応中心原子が少数個の場合，反応プロセスは電子状態変化のスケルトン化した表現を用いると，多重度を含めて全てを容易にリストできる．個々の化学反応プロセスの初期状態をトポロジーの観点で同定・分類するため，化学ボンドのネットワーク構造を単純な数値で表現する"指紋"を新たに考案した．指紋グループ毎に，含まれている化学反応プロセスを限定的に数個選んで，それらのバリアを直接計算する．1つの指紋グループに含まれる個々のプロセスについては，変形や遠方状態に依存してバリアが幾らか変化するため，機械学習分野で有名なKriging法(ガウシアン過程回帰法)でバリア値の変化を評価する．
試行シミュレーションは，Liイオン電池のグラファイト負極とLi添加したEthelene Carbonate(EC)液体との固液界面での皮膜生成反応を対象系とした．試行シミュレーションの結果，グラファイト端の状態に依存して，反応生成物が異なることがわかった．
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| Strategy for Future Research Activity |
これまでに考案した化学反応を加速する新しい手法では，対象系の一部を取り出した原子クラスターについて反応のバリア計算を行うことになっている．より汎用的な手法に高度化する為には，例えば対象系が圧縮された状況にあっても，その圧縮状態を取り入れた原子クラスターを扱って反応バリアを計算できる手法にすることが必要である．次年度は，これを実現する新手法を考案する予定である．
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| Causes of Carryover |
本プロジェクトに直接関係した国際学会や国内学会への参加を予定していた．しかし，コロナ禍のため学会の多くが中止となり，旅費や参加費の多くが不要となった．2021年度は，コロナ禍が続いているため，スパコン利用料になどに多くの資金を投資する計画としている．
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