九州大学大学院 総合理工学研究院・エネルギー物質科学部門/総合理工学府・物質理工学専攻 固体表面科学大講座・理論物質学教育分野 青木研究室

研究内容

高分子の超効率的&高精度シミュレーション法-Elongation法

 従来法での巨大分子の電子状態を計算するときの問題点は、①時間がかかる②コストがかかる③系が大きい場合計算すらできない、などである。これらの問題解決のために、高分子の重合反応を模倣し、反応末端だけをまともに、しかも反応末端以外の部分の電子状態もきちんと含めつつ計算するのがElongation法である。ここでは軌道を領域に局在化するというオリジナル手法が盛り込まれており、計算精度を落とすことなく大きな系の計算が可能となる。Elongation法は、計算が速いだけでなく、ディスク容量にも負担をかけない。したがって、従来の方法では計算不可能な大きさの系も効率的に計算できる。どのような大規模系にも適用できる①超高精度②オーダーN③一般性が高いオリジナル量子化学計算プログラムの開発を目指している。

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ナノ・固体触媒のコンピュータ・シミュレーションと理論設計

 産業的に重要な多くの触媒プロセスはナノ・固体物質の表面で起こっている。その一方で固体表面というのは複雑で多様性に富んでおり、触媒の詳細な動作機構などについては未解明な点が多いのが現状である。その難しさは物理学で顕著な業績を残したパウリが「表面は悪魔がつくった。」と述べたほどであるが、近年コンピュータ・パワーの増大と計算アルゴリズムの発展により触媒反応のリアリスティックなシミュレーションが可能となってきている。 われわれは実験グループと手を取り合い触媒の構造・反応解析に取り組んでいる。

物質の機能解析のための軌道相互作用解析法-Through-Space/Bond解析法

 有機化学の分野でThrough Space/Through Bond相互作用という言葉を使った解釈がしばしばなされているが、その相互作用の大きさを定量的に見積もる方法はなく、結果からの類推の域を超えていないのが現状である。われわれは、相互作用の経路と機能発現の関係を、数値的な根拠をもって解釈できる計算手法を開発している。
本方法は、人為的軌道収縮により、特定の相互作用を電子-電子間、電子-核間、核-核間相互作用をバランスよくカットし、分子内・分子間の軌道間相互作用エネルギーを、電子相関効果を含めて定量的に評価する解析法である。本方法により、分子の安定性、機能と分子構造の関係、電荷移動、相互作用伝搬経路などの理論的解明が可能となる。

有機強磁性体設計

 有機強磁性体のスピン整列機構は明確ではなく、強磁性予測のための一般則が存在しないのが現状である。
そこでわれわれは、分子軌道法の立場から多重項安定性をNBMO(非結合性軌道)の重なり方に基づいて高スピン型有機材料を簡便に予測する方法を開発している。さらに、有機磁性体がレアメタル代替材料になり得るための理論設計法の構築と予測を目指し、有機高分子や有機結晶における中間スピン状態の計算方法の開発にも取り組んでいる。

機能性分子・材料の理論設計

 導電性・強磁性・非線形光学特性などの発現メカニズムを電子論的立場から解明・予測することで、新規機能を持つ分子・材料の理論設計を目指している。

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