界面の分子科学を基礎とした相間移動触媒反応のマルチスケールシミュレーション

基于界面分子科学的相转移催化多尺度模拟

基本信息

批准号：
13J02345
负责人：
吉川信明
金额：
$ 1.92万
依托单位：
Tohoku University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2013
资助国家：
日本
起止时间：
2013-04-01 至 2016-03-31
项目状态：
已结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-13J02345/
关键词：
分子動力学イオン輸送油水界面 water finger 自由エネルギー曲面摩擦係数拡張系の方法電位差制御誘電体計算液液界面自由エネルギー電気二重層界面自由エネルギー計算レプリカ交換法活性化障壁

项目摘要

27年度はこれまでの研究の成果として water finger の形成切断における自由エネルギー解析についての論文[1]を発表するとともに、更なる調査のため water finger の形成切断における摩擦の影響を調べた。これまでの研究では油水界面におけるイオン輸送の反応速度定数が実験と理論で異なる原因として、活性化障壁や摩擦係数、電気二重層等多くの理由が考案されてきたが、具体的な解析方法がなく手が出せない領域であった。我々はグラフ理論を利用することで water finger を適切に射影する座標の開発に成功し、その解析を可能とし、理論と実験のずれの原因が water finger 形成切断時の活性化障壁にあることが明らかにした。また、界面近傍とバルクでイオン周りの水和数に大きな違いがあることも見出した。water finger の解析に加え、電気二重層の影響を分子動力学計算に取り込む手法として拡張系の方法による電位差制御の手法開発に取り組んだ。通常古典分子動力学では電位差の影響を外部電場として取り込むが、この手法では実験と定量的な関係を得るのが困難なためである。拡張系の方法の開発では拡張系の変数を何にするかが重要であるが、我々は仮想的なコンデンサの電荷を拡張系の変数とすることで立式に成功した。テスト系として水バルク系を用いて本式の妥当性を検証したところ、水の誘電率の再現に成功し本手法が正しく動くことを確認した。[1] N. Kikkawa; L. Wang; A. Morita, J. Am. Chem. Soc. 137 (2015) 8022.

2015年，由于先前的研究，我们发表了一篇论文[1]，介绍了对水手指形成和切割水手指的自由能的分析，为了进一步研究，我们研究了摩擦对形成和切割水手指的影响。先前的研究已经设计了许多原因，为什么在油水界面上离子传输的反应速率常数与实验和理论的反应速率常数不同，例如激活屏障，摩擦系数和电动双层，但这是一个没有特定分析方法的区域。通过使用图理论，我们成功地开发了适当地投射水手指的坐标，使其可以进行分析，并揭示了理论和实验之间差异的原因是在水手指形成过程中的激活屏障。还发现，界面和大体之间的离子周围的水合数量存在很大差异。除了分析水手指外，我们还致力于使用扩展系统将电差控制的方法融合到分子动力学计算中。通常，经典分子动力学结合了电位差为外部电场的影响，但是这种方法使与实验的定量关系很难。在开发扩展系统方法时，扩展系统的变量是重要的，但是我们通过将假设电容器的电荷设置为扩展系统的变量，成功地建立了方程。当我们使用水量系统作为测试系统验证该公式的有效性时，我们成功地再现了水的介电常数，并确认该方法可以正常工作。 [1] N. Kikkawa； L. Wang; A. Morita，J。Am。化学Soc。 137（2015）8022。