変形・破壊の分子ダイナミクスがもたらす力学作用と光の相互変換

分子变形、断裂动力学和光的相互转换所带来的机械作用

基本信息

批准号：
22H02025
负责人：
大谷優介
金额：
$ 7.74万
依托单位：
Tohoku University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
财政年份：
2022
资助国家：
日本
起止时间：
2022-04-01 至 2025-03-31
项目状态：
未结题

项目摘要

分子結晶がもつ力学作用と光の相互変換機能が新たなセンサー材料のシーズとして注目されている。この機能は、分子の電子励起状態ダイナミクスが駆動源となり、結晶の秩序高い構造を通して発現する。本研究では、電子励起状態ダイナミクスのための深層学習分子動力学手法を開発し、分子結晶の変形・破壊の電子励起状態分子ダイナミクスがもたらす力学作用と光の相互変換機構を解明することを目的とする。本年度は分子結晶の変形・破壊メカニズムの解析を行った。分子結晶の力学特性は結晶構造が似ていても全く異なる場合がある。本研究では、典型的な例として3,4-ジクロロ安息香酸(CBA)と3,4-ジクロロベンズアミド(CBAM)に着目し、独自に開発した密度汎関数強束縛分子動力学(DFTB-MD)ソフトウェアを活用して分子結晶の力学特性発現メカニズムの解析を行った。CBAとCBAMは非常に似た分子構造、結晶構造を持つにもかかわらず、CBAは塑性変形を示す一方、CBAMは脆性破壊を示すことが報告されている。CBA分子結晶を[010]方向に引っ張ると、分子が傾くことで伸びる様子が見られた。一方、CBAM分子結晶を引っ張ると、分子結晶内に亀裂が生じた。詳細な分子結晶の構造の時間変化から、CBA分子結晶では比較的弱いπ-π相互作用によって分子同士が相互作用しているため、引っ張りに応じて分子が再配向し、エネルギーが散逸されるため塑性変形を示すことがわかった。一方のCBAM分子結晶では、分子同士が比較的強い水素結合で相互作用しているため、分子の再配向によるエネルギー散逸が起こらず、亀裂が生じることが明らかになった。また、電子励起状態ダイナミクスのための深層学習分子動力学手法の開発の一環として、DFTB-MDソフトウェアに電子励起状態エネルギー計算機能を実装するとともに、基底状態に対する深層学習分子動力学プログラムの開発を行った。

分子晶体的动态作用和互转换功能一直吸引着作为传感器材料的新种子的注意力。该功能由分子的电子激发态动力学驱动，并通过晶体的有序结构表示。这项研究旨在为电子激发的状态动力学开发一种深度学习的分子动力学方法，并阐明由电子激发的状态分子动力学和分子晶体分解的机械效应和机制。今年，我们分析了分子晶体的变形和断裂机制。即使晶体结构相似，分子晶体的机械性能也可能完全不同。在这项研究中，我们专注于3,4-二氯苯甲酸（CBA）和3,4-二氯苯二甲酰胺（CBAM）作为典型示例，并使用我们自己的开发的台分子晶体的机械性能进行了分析的机制，使用我们自己开发的台状晶体功能性功能性紧密结合分子动力学（DFTB-MD）。尽管CBA和CBAM具有非常相似的分子和晶体结构，但据报道CBA表现出塑性变形，而CBAM表现出脆性骨折。当将CBA分子晶体沿[010]方向拉动时，可以看到分子在倾斜时延伸。另一方面，当拉动CBAM分子晶体时，在分子晶体内形成裂缝。已经发现，从详细的CBA分子晶体中分子晶体的结构的时间变化，分子由于相对较弱的π-π相互作用而彼此相互作用，分子响应于拉力而重新定位，并散发能量，表明塑性塑料变形。另一方面，在CBAM分子晶体中，分子通过相对较强的氢键相互相互作用，并且已经揭示了由于分子重新定向引起的能量耗散而导致破裂。此外，作为用于电子激发态动力学的深度学习分子动力学方法的一部分，我们实施了计算DFTB-MD软件中电子激发态能量的功能，并为基础状态开发了深度学习分子动力学程序。