計算化学的手法による有機物・無機物の熱物性・輸送特性予測

概要

令和４年度

京都大学化学研究所 スーパーコンピュータシステム 利用報告書
計算化学的手法による有機物・無機物の熱物性・輸送特性予測

Investigation of thermal and transport properties of organic and inorganic compounds
京都大学 大学院工学研究科 機械理工学専攻 熱物理工学分野 松本充弘

研究成果概要
本研究は，さまざまな機能性ナノ物質の機能発現機構の解明を目的として，量子力学計算
や分子動力学法などの計算化学的手法によるアプローチをおこなうものである．本年度は，主
として次の 2 つのテーマについて，本スーパーコ
ンピュータシステムを利用した大規模分子シミュレ
ーションによる研究を行った．
１．セルロース分子の親溶媒性評価：両親媒性を
持つと言われるナノセルロース結晶を対象として，
水／油界面における吸着自由エネルギーを評価
した．主として古典分子動力学計算ソフトウェア
LAMMPS により，界面近傍でのナノセルロース分
子にはたらく力とトルクの長時間平均から図 1 のよ

図 1：水／油界面におけるセルロース分子の
界面吸着自由エネルギーの例：界面からの位
置 𝑥 と回転角 𝜃𝑧 に対する 2 次元マップ．

うな自由エネルギー曲面を得た．既に報告されている吸着状態に加えて，2～3 個の水分子を
はさんで水相側から吸着する新たな吸着形態を見つけた．こうした結果は，官能基修飾等に
よるナノセルロースの乳化作用向上などの分子設計に寄与することが期待される．この成果は
学術論文として公表した[1]．
２．酸化チタン成膜過程の量子計算：シリコン型太陽電池の passivation 層として注目されてい
る 酸 化 チ タ ン 薄 膜 に つ い て ， シ リ コ ン 結 晶 表 面 へ の 酸 化 チ タ ン 前 駆 体 （ titanium
tetraisopropoxide, TTIP）分子の衝突・解離過程を調べ
た．主として DFTB+パッケージによる量子計算により，
TTIP 分子が結晶表面に衝突する際の反応や自由エネ
ルギー地形を詳細に解析しつつある．成果の一部は国
際会議で発表した[2]ほか，学術論文を準備中である．
図 2：Si 基板と TTIP 分子の反応例．

発表論文（謝辞あり）
[1] K. Ito and M. Matsumoto, “Adsorption free energy of cellulose nanocrystal on water-oil
interface,” Nanomaterials, 12, 1321 (2022), DOI: 10.3390/nano12081321
発表論文（謝辞なし）
[2] K. Sotoyama and M. Matsumoto, “TiO2 layer fabrication on c-Si surface: Quantum
simulation,” Int. Conf. ...

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