Journal of Computer Chemistry, Japan

[Published online Journal of Computer Chemistry, Japan Vol.15, 143-147, by J-STAGE]
<Title:> 多成分密度汎関数理論のための電子-核相関汎関数の開発
<Author(s):> 宇田川　太郎, 常田　貴夫, 立川　仁典
<Corresponding author E-Mill:> udagawa(at)gifu-u.ac.jp
<Abstract:> 最も軽い水素の原子核の運動においては，量子効果が顕著に現れる. 原子核運動の量子効果を直接的に取り込んだ理論として多成分分子理論を開発してきた．また近年では，計算時間のかからない密度汎関数理論が分子理論の中心 理論となりつつある．我々は，多成分密度汎関数理論のための簡便な電子-核相関汎関数を開発した. この汎関数は，相関波動関数から簡単かつ正当な物理条件のみにもとづいて導出した汎用性の高い汎関数であり，パラメータを1つしか含まない．にもかかわら ず，水素原子を含む小分子の電子-プロトン相関エネルギーを化学的精度(1 2 kcal/mol程度の誤差)で再現する．
<Keywords:> Multicomponent density functional theory, electron-nucleus correlation functional, many-body effect, H/D isotope effect, correlations between different elementary particles
<URL:> https://www.jstage.jst.go.jp/article/jccj/15/5/15_2016-0018/_article/-char/ja/

[Published online Journal of Computer Chemistry, Japan Vol.15, 155-162, by J-STAGE]
<Title:> Quantum Molecular Dynamics Simulation of Condensed Hydrogens by Nuclear and Electron Wave Packet Approach
<Author(s):> Kim HYEON-DEUK
<Corresponding author E-Mill:> kim(at)kuchem.kyoto-u.ac.jp
<Abstract:> We recently proposed a real-time simulation method of nuclear and electron wave packet molecular dynamics (NEWPMD) based on wave functions of hydrogen molecules composed of nuclear and electron WPs. Non-empirical intra- and intermolecular interactions of non-spherical hydrogen molecules were explicitly derived and a long-range dispersion force between hydrogen molecules was successfully derived. Nuclear quantum effects (NQEs) such as nuclear delocalization and zero-point energy were non-perturbatively taken into account. The developed NEWPMD method can be applied to various condensed hydrogen systems from a gas-phase to a high-pressure solid phase at feasible computational cost, providing intuitive understandings of real-time dynamics of each hydrogen molecule including H-H bond vibration, molecular orientations and librational motions. We will report the demonstrations not only in liquid hydrogens but also in solid and supercooled hydrogens which exhibited strong NQEs and thus anomalous static and dynamic properties.
<Keywords:> Quantum molecular dynamics simulation, Nuclear wave packet, Electron wave packet, Nuclear quantum effect, Liquid/solid/supeercooled hydrogen
<URL:> https://www.jstage.jst.go.jp/article/jccj/15/5/15_2016-0020/_article/-char/ja/

[Published online Journal of Computer Chemistry, Japan Vol.15, 136-142, by J-STAGE]
<Title:> 水素分子クラスターの量子構造ゆらぎ
<Author(s):> 三浦　伸一
<Corresponding author E-Mill:> smiura(at)mail.kanazawa-u.ac.jp
<Abstract:> 水素分子はその質量の軽さから原子核の量子効果が大きく，水素分子クラスターの基底状態を考える上で重要な役割を果たしている．クラスター(H₂)₁₃を 例にとり，単純な調和近似は破綻し，その波動関数は配位空間の中でエネルギー最安定構造を含む幾つかの極小構造をカバーする領域にまで非局在化し ていることを示した．また比較的小さいクラスター(N 20)に対して，化学ポテンシャルに相当する量μ_Nを 計算し，核の量子効果を完全に取り入れた場合は，N = 13のクラスターは魔法数と呼んでもよい安定な状態をとっている一方で，古典近似の際に見られたN = 7, 19におけるμ_Nの 極小は量子力学的な運動エネルギーにより消失することを示した．
<Keywords:> Molecular cluster, Para-hydrogen molecule, Path integral, Quantum Monte Carlo method, Superfluid.
<URL:> https://www.jstage.jst.go.jp/article/jccj/15/5/15_2016-0021/_article/-char/ja/

[Published online Journal of Computer Chemistry, Japan Vol.15, 184-191, by J-STAGE]
<Title:> プロトンの水和自由エネルギー:酸解離定数および標準水素電極電位の高精度計算
<Author(s):> 松井　亨, 喜屋武　茜, 庄司　光男, 重田　育照
<Corresponding author E-Mill:> shigeta(at)ccs.tsukuba.ac.jp
<Abstract:> 本総説では，分極誘電体モデルと量子化学計算に基づく酸解離定数(pK_a) の計算手法について述べる．この手法では，参照分子に対して計算により得られる自由エネルギー差と実験により得られるpK_a値 から官能基毎の線形関係を導くことで，アミノ酸の側鎖のpK_aの半定量的な計算が可能になる．ペプチド3量 体の計算においては，周囲のアミノ酸の水素結合の効果によってpK_aが単量体とくらべ大きく(3 pK_a単 位)異なることがわかる．また本手法は標準水素電極電位の計算にも適用可能であり，いくつかの酸化還元反応の誤差はCCSD (T)/aug-cc-pVDZでは0.1V以内であり，B3LYPでも同程度の精度で酸化還元電位が計算される．
<Keywords:> Hydration free energy, pKa, Proton, Solvation model
<URL:> https://www.jstage.jst.go.jp/article/jccj/15/5/15_2016-0022/_article/-char/ja/

[Published online Journal of Computer Chemistry, Japan Vol.15, 124-135, by J-STAGE]
<Title:> 固体内及び固体表面上における水素同位体の量子状態
<Author(s):> 中西　寛
<Corresponding author E-Mill:> nakanishi(at)akashi.ac.jp
<Abstract:> これまで，固体中および固体表面上における軽元素原子の量子状態を第一原理的に計算する手法を開発してきた．特に対象となる原子は，軽水素(H)，重水素 (D)，三重水素(T)，ミュオニウム(Mu)等の水素同位体である．本稿では現状の計算手法とそれを用いたいくつかの計算結果を紹介する．この 手法による計算結果は，定量的に実験結果と良い一致を示しており，材料中水素の特性解析に有用である．水素同位体原子の量子状態は，学術的興味だ けでなく，今後の水素関連技術の材料開発に，必須の知見になると考えられる．
<Keywords:> Hydrogen isotope (Mu, H, D, T), Quantum states of atom motion, The first principles calculation, μSR, Hyperfine interaction, Positive muon, Proton, Muonium
<URL:> https://www.jstage.jst.go.jp/article/jccj/15/5/15_2016-0023/_article/-char/ja/

[Published online Journal of Computer Chemistry, Japan Vol.15, 199-202, by J-STAGE]
<Title:> Theoretical Study on Rotational Constants of CH₃O/CD₃O Induced by Geometrical Isotope Effect
<Author(s):> Takayoshi ISHIMOTO, Masaaki BABA, Umpei NAGASHIMA, Naofumi NAKAYAMA, Michihisa KOYAMA
<Corresponding author E-Mill:> ishimoto(at)ifrc.kyushu-u.ac.jp
<Abstract:> We analyzed the rotational constants of CH₃O and CD₃O by using the multi-component molecular orbital method, which takes into account the quantum effect of proton and deuteron directly. We clearly observed the difference in C H and C-D bond lengths due to the anharmonicity of the potential. The rotational constants of CH₃O and CD₃O based on the optimized structures including H/D geometrical isotope effect showed good agreement with the experimental value. We found that the geometrical changes induced by the H/D isotope effect influence the spectroscopic properties, such as rotational constants.
<Keywords:> Rotational constants, Quantum effect, H/D isotope effect, High-resolution spectroscopy
<URL:> https://www.jstage.jst.go.jp/article/jccj/15/5/15_2016-0024/_article/-char/ja/

[Published online Journal of Computer Chemistry, Japan Vol.15, 203-209, by J-STAGE]
<Title:> 酢酸−リン酸アニオンクラスターの分子間水素結合における核の量子揺らぎの効果に関する理論的研究
<Author(s):> 川島　雪生, 澤田　啓介, 中嶋　隆人, 立川　仁典
<Corresponding author E-Mill:> yukio.kawashima(at)riken.jp
<Abstract:> High Performance Computerで効率の高いシミュレーションを実行できる，分子科学計算ソフトウェアNTChemと経路積分分子動力学(PIMD)法を統合した階層的 並列プログラムプラットフォームを用いることにより，低障壁水素結合(LBHB)の存在が示唆されているperiplasmic phosphate binding protein (PPBP)のモデル分子である酢酸−リン酸アニオンクラスターの分子間水素結合における原子核の量子揺らぎの効果を明らかにした．モデル分子における一 つの水素結合を形成する配置を解析したところ，原子核を古典的な質点で取り扱った古典シミュレーションでは，プロトンは水素結合の両端に局在化 し，通常の水素結合と同様の振る舞いを示した．一方，原子核の量子揺らぎの効果を取り込んだ量子シミュレーションでは，プロトンが水素結合の中央 に存在する確率が高くなった．酢酸−リン酸アニオンクラスターの分子間水素結合は，LBHBと同じような傾向を示した．
<Keywords:> Low barrier hydrogen bond (LBHB), First principles calculation, Nuclear quantum effect, Path integral molecular dynamics (PIMD) simulation, Periplasmic phosphate binding protein (PPBP)
<URL:> https://www.jstage.jst.go.jp/article/jccj/15/5/15_2016-0043/_article/-char/ja/

[Published online Journal of Computer Chemistry, Japan Vol.15, 177-183, by J-STAGE]
<Title:> カーボンナノウォールの電子状態と水素吸着
<Author(s):> 木下　郁雄, 北　幸海, 立川　仁典, 橘　勝
<Corresponding author E-Mill:> ikinoshi(at)yokohama-cu.ac.jp
<Abstract:> カーボンナノウォール(CNW)の構造を透過型電子顕微鏡(TEM)で観測し，CNWの結晶子間の境界領域に折れ曲がったグラファイト構造があることがわ かった．CNWの電子構造を紫外光電子分光(UPS)で測定し，高配向性グラファイト(HOPG)と比較した．HOPGと同様にCNWでも層間バ ンドが観測された．一方，カーボンナノチューブに見られるσ-π混成バンドが観測された．昇温脱離法(TPD)の測定から，重水素がCNWの主に 境界領域に吸着することがわかった．CNWの境界領域の1つのモデルとして折れ曲がったコロネン分子を用いて水素吸着に関して第一原理計算をおこ なった．オントップサイトとホローサイトどちらも折れ曲げ角が大きくなるほど水素の吸着エネルギーが大きくなった．NBO解析から吸着サイトの炭 素の結合がsp²からsp³に変化するためだとわかった．
<Keywords:> Carbon Nano-wall, Electronic Structure, Hydrogen Adsorption, First-principles calculation
<URL:> https://www.jstage.jst.go.jp/article/jccj/15/5/15_2016-0016/_article/-char/ja/

[Advanced Published online Journal of Computer Chemistry, Japan, by J-STAGE]
<Title:> プロトンの水和自由エネルギー:酸解離定数および標準水素電極電位の高精度計算
<Author(s):> 松井　亨, 喜屋武　茜, 庄司　光男, 重田　育照
<Corresponding author E-Mill:> shigeta(at)ccs.tsukuba.ac.jp
<Abstract:> 本総説では，分極誘電体モデルと量子化学計算に基づく酸解離定数(pK_a) の計算手法について述べる．この手法では，参照分子に対して計算により得られる自由エネルギー差と実験により得られるpK_a値 から官能基毎の線形関係を導くことで，アミノ酸の側鎖のpK_aの半定量的な計算が可能になる．ペプチド3量 体の計算においては，周囲のアミノ酸の水素結合の効果によってpK_aが単量体とくらべ大きく(3 pK_a単 位)異なることがわかる．また本手法は標準水素電極電位の計算にも適用可能であり，いくつかの酸化還元反応の誤差はCCSD (T)/aug-cc-pVDZでは0.1V以内であり，B3LYPでも同程度の精度で酸化還元電位が計算される．
<Keywords:> Hydration free energy, pKa, Proton, Solvation model
<URL:> https://www.jstage.jst.go.jp/article/jccj/advpub/0/advpub_2016-0022/_article/-char/ja/

[Advanced Published online Journal of Computer Chemistry, Japan, by J-STAGE]
<Title:> 多成分密度汎関数理論のための電子-核相関汎関数の開発
<Author(s):> 宇田川　太郎, 常田　貴夫, 立川　仁典
<Corresponding author E-Mill:> udagawa(at)gifu-u.ac.jp
<Abstract:> 最も軽い水素の原子核の運動においては，量子効果が顕著に現れる. 原子核運動の量子効果を直接的に取り込んだ理論として多成分分子理論を開発してきた．また近年では，計算時間のかからない密度汎関数理論が分子理論の中心 理論となりつつある．我々は，多成分密度汎関数理論のための簡便な電子-核相関汎関数を開発した. この汎関数は，相関波動関数から簡単かつ正当な物理条件のみにもとづいて導出した汎用性の高い汎関数であり，パラメータを1つしか含まない．にもかかわら ず，水素原子を含む小分子の電子-プロトン相関エネルギーを化学的精度(1 2 kcal/mol程度の誤差)で再現する．
<Keywords:> Multicomponent density functional theory, electron-nucleus correlation functional, many-body effect, H/D isotope effect, correlations between different elementary particles
<URL:> https://www.jstage.jst.go.jp/article/jccj/advpub/0/advpub_2016-0018/_article/-char/ja/