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。

分子晶体所具有的机械作用和光的相互转换功能作为新型传感器材料的种子而受到关注。该功能由分子的电子激发态动力学驱动，并通过晶体的高度有序结构来表达。在本研究中，我们开发了一种用于电子激发态动力学的深度学习分子动力学方法，旨在阐明电子激发态分子动力学在分子晶体的变形和破坏中带来的机械效应以及光的相互转换机制。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。在本研究中，我们以3,4-二氯苯甲酸（CBA）和3,4-二氯苯甲酰胺（CBAM）为典型例子，并利用软件开发了我们自己的密度泛函紧束缚分子动力学（DFTB-MD）方法。分析了分子晶体力学性能的机理。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表现出脆性断裂。当沿[010]方向拉动CBA分子晶体时，观察到分子倾斜和伸长。另一方面，当拉扯CBAM分子晶体时，分子晶体内部出现裂纹。从分子晶体结构随时间的详细变化，我们发现在CBA分子晶体中，分子之间通过相对较弱的π-π相互作用相互作用，因此分子响应于张力而重新取向并且能量被耗散。表现出塑性变形。另一方面，人们发现，在CBAM分子晶体中，分子之间通过相对较强的氢键相互作用，因此不会发生由于分子重新取向而导致的能量耗散并产生裂纹。此外，作为电子激发态动力学深度学习分子动力学方法开发的一部分，我们在DFTB-MD软件中实现了电子激发态能量计算功能，并开发了基态深度学习分子动力学程序。。