溶液内化学反応の第一原理分子動力学

溶液中化学反应的第一原理分子动力学

• 批准号: 09740419
• 负责人: 三浦 伸一
• 金额: $ 1.34万
• 依托单位: Tokyo Institute of Technology
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Encouragement of Young Scientists (A)
• 财政年份: 1997
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 1997 至 1998
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-09740419/
• 关键词: 経路積分分子動力学; 液体ヘリウム; 量子液体; 超臨界水; 分極モデル

溶液内の化学的過程を分子レベルで理解することは化学において最も重要なテーマの一つである。溶液内化学過程を第一原理から取り扱う理論的な方法論として分子動力学法が挙げられる。しかしながら分子動力学法では分子間相互作用は経験的なものが用いられ原子核は古典的に扱われる場合が多い。そこで本研究では次の二つのことに着目して、研究を行った。1. 本研究ではまず原子核の量子効果を取り扱う理論的方法についての研究を行った。対象とした系はおおきな量子効果が期待される常流動液体ヘリウムを選んだ。方法論は経路積分セントロイド分子動力学法を用いた。シミュレーションをおこなった状態点では古典近似のままではヘリウムは固体になってしまい量子効果を取り入れることが不可欠であることを示した。特に得られた拡散係数は10^<-5>cm^2/sのオーダーになり液体状態に期待されるオーダーとなった。この計算はヘリウムの液体状態を動的に生成した初めての研究例である。さらに時空相関の解析を行い、中性子散乱実験から得られた動的構造因子を非常によく再現できることを示した。2. 溶液内化学反応を第一原理から取り扱う場合、関心のある自由度だけの電子状態を計算することが研究のコストのことから望まれる。この場合、溶媒の自由度は経験的なポテンシャルを用いて近似するわけであるが、エネルギー的にもっとも重要であるクーロン相互作用はなるべく正確に計算したい。そのために各水分子の分極状態がその分子が感じている外場に応答して変化するモデル(分極モデル)を用いたシミュレーションを行い、技術の蓄積を図った。シミュレーショシは水の超臨界状態で行った。この状態は非常に反応性に富んでいることが知られている。1000粒子程度がらなる大規模計算を行い、臨界点付近の大きな密度ゆらぎを再現した。またその密度ゆらぎを分子の間に“結合"を定義し、クラスターの概念を導入することにより微視的に解釈した。

了解分子水平溶液中的化学过程是化学中最重要的主题之一。分子动力学方法是从第一个原理开始涉及分解化学过程的理论方法。但是，在分子动力学中，经验相互作用用于分子动力学，并且原子核通常经过经典治疗。因此，这项研究的重点是两件事：1。在这项研究中，我们首先对处理原子核的量子效应的理论方法进行了研究。目标系统是从正常流动液氦中选择的，该氦气预计具有很大的量子效应。该方法使用了途径 - 集成质基分子动力学。在进行模拟的点，如果氦气仍然是经典的近似，则将成为固态，并且必须结合量子效应。特别是，获得的扩散系数为10^<-5> cm^2/s的阶，预计该顺序将处于液态状态。该计算是动态生成氦气状态的首次研究。此外，对时空相关性进行了分析，以表明从中子散射实验获得的动态结构因子可以很好地再现。 2。在第一个原理中处理溶液中的化学反应时，只需在研究中以利益的自由度来计算电子状态。在这种情况下，使用经验势可以近似溶剂的自由度，但是应尽可能准确地计算出最重要的能量的库仑相互作用。为此，我们使用模型（极化模型）进行了模拟，在该模型（极化模型）中，每个水分子的极化状态响应于该分子所感觉的外场，并旨在积累技术。模拟是在超临界的水状态下进行的。已知这种情况是高反应性的。对大约1,000个颗粒进行了大规模计算，以重现临界点附近的大密度波动。密度波动也通过定义分子之间的“键”并引入簇的概念来解释密度波动。

项目成果

N.Yoshii: "A molecular dynamics study of sub- and Supercritical water using a polarizable potential model" Journal of Chemical Physics. 109. 4873-4884 (1998)

N.Yoshii：“使用极化势模型对亚临界水和超临界水进行分子动力学研究”《化学物理杂志》。