Department of Applied Chemistry, Graduate School of Science and Engineering, University of Toyama

研究内容

計算化学的手法を用いて,相界面での分子の輸送,構造,分光など様々な物理化学の問題を研究しています.実験との共同研究を積極的に行います。

液体(水)界面構造と振動スペクトルの分子科学研究

私たちの身の回りには、様々な「水界面」が存在します。コップに水を入れれば水界面ができます。泡には気体と液体の界面ができています。洗剤で汚れを落とす際、ミセルと水の界面が生じます。生体分子は常に水と接触しています。こういった水と接触している物質の多様なふるまいを理解するには、バルクの水ではなく、界面の水を理解する必要があります。しかし、界面の分子を「みる」実験手法は大変限られています。現在、液体界面構造をプローブする有力な実験手法のひとつに和周波発生分光法があります。この分光法では、界面構造を選択的にプローブできますが、スペクトルの解釈が難しい場合が少なくありません。一方、分子動力学シミュレーションは、液体界面構造を理解する有力な計算手法のひとつです。しかし、分子シミュレーション結果もまた、用いる計算条件や分子モデルに大きく依存する場合が少なくありません。
 私たちは、分子動力学シミュレーションにより液体界面構造とともに和周波スペクトルを直接理論的に計算することにより、シミュレーション結果の妥当性を検証した上で、界面分子構造、スペクトルの帰属などを行う研究を行っています。

[代表的論文(総説)]

T. Ishiyama, T. Imamura, and A. Morita, Theoretical Studies of Structures and Vibrational Sum Frequency Generation Spectra at Aqueous Interfaces, Chemical Reviews, Vol.114, pp.8447-8470 (2014).

T. Ishiyama and A. Morita, Computational Analysis of Vibrational Sum Frequency Generation Spectroscopy, The Annual Review of Physical Chemistry, Vol. 68, (2017) pp.1-22


分子モデリング開発

液体界面では、その不均質環境に起因する非一様な電場が生じているため、分子シミュレーションで一般に用いられている固定電荷モデル(非分極モデル)ではなく、分極モデルが必要になる問題が少なくありません。私たちは、外場に対する電子状態の歪(分極)を記述する、Point DipoleモデルやCharge Response Kernelモデルの開発を様々な分子に対して行っています。

[代表的論文]

T. Ishiyama and A. Morita, Molecular Dynamics Study of Gas-Liquid Aqueous Sodium Halide Interfaces I. Flexible and Polarizable Molecular Modeling and Interfacial Properties, The Journal of Physical Chemistry C, Vol.111, Iss.2, (2007), pp.721-737.

T. Ishiyama and A. Morita, Analysis of Anisotropic Local Field in Sum Frequency Generation Spectroscopy with the Charge Response Kernel Water Model, The Journal of Chemical Physics, Vol.131, (2009), p.244714 (17 pages).


水溶液界面構造の研究

電解質水溶液界面は、体内における生体分子界面、海塩エアロゾル表面など、生体、環境等さまざまな場所で重要な役割を演じている。しかし、イオンが界面において水や水溶液に接触している物質にどういった作用を及ぼしているかはよくわかっていないことが多い。特にイオンは静電相互作用が強いので、適切に電子分極モデルを取り入れる必要がある。私たちは、イオンの分子モデリングに基づき、あらゆる水溶液界面でのイオンの効果について研究しています。

[代表的論文]

T. Ishiyama and A. Morita, Molecular dynamics simulation of sum frequency generation spectra of aqueous sulfuric acid solution, The Journal of Physical Chemistry C, Vol.115, Iss.28, (2011), pp.13704-13716. 

T. Ishiyama, S. Shirai, T. Okumura, and A. Morita, Molecular Dynamics Study of Structure and Vibrational Spectra at Zwitterionoic Lipid/Aqueous KCl, NaCl, and CaCl2 Solution Interfaces, The Journal of Chemical Physics, Vol.148, (2018), p.222801 (12 pages).


氷表面構造の研究

氷表面は、スキーやスケートなどウィンタースポーツなどで我々に身近な存在であり、かつエアロゾルの表面反応場として大気化学分野においても重要です。「氷の表面構造はどれくらい乱れているのか?」という問題は、ファラデーの時代から考えられてきましたが、近年、和周波分光実験の発展によりその詳細が分かってきました。私たちは、分子シミュレーションの立場から、氷表面構造に関する研究を行っています。

[代表的論文]

T. Ishiyama, H. Takahashi, and A. Morita, Origin of Vibrational Spectroscopic Response at Ice Surface, The Journal of Physical Chemistry Letters, Vol.3, (2012), pp.3001-3006.


液体/複雑界面構造の研究

生体分子や高分子材料は、水と接触することにより様々な機能を発現する場合が多々あります。しかし、このような複雑な分子構造をもつ相と水との界面構造は、埋もれた界面であるため和周波分光以外の方法で観測することは、ほぼ不可能だと考えられます。私たちは、脂質膜や高分子材料などが水と接触した際の界面構造を、和周波スペクトル計算に基づき、分子シミュレーションの立場から解明します。

[代表的論文]

T. Ishiyama, D. Terada, and A. Morita, Hydrogen-Bonding Structure at Zwitterionic Lipid/Water Interface, The Journal of Physical Chemistry Letters, Vol.7, (2016), pp.216-220.

T. Ishiyama, S. Shirai, T. Okumura, and A. Morita, Molecular Dynamics Study of Structure and Vibrational Spectra at Zwitterionoic Lipid/Aqueous KCl, NaCl, and CaCl2 Solution Interfaces, The Journal of Chemical Physics, Vol.148, (2018), p.222801 (12 pages).


界面での分子ダイナミクスの研究

界面におけるstaticな分子構造と共に、界面における分子ダイナミクスを直接観測する手法が盛んに研究されています。時間分解和周波分光法により、例えば水界面における分子の過渡応答が観測され、スペクトル拡散、エネルギー緩和、水素結合の組み換えダイナミクスなどが議論されております。我々は、分子シミュレーションの立場から、界面における時間分解スペクトルと、分子ダイナミクスの関係を解明する研究を行っております。

[代表的論文]

T. Ishiyama, A. Morita, and T. Tahara, Molecular Dynamics Study of Two-Dimensional Sum Frequency Generation Spectra at Vapor/Water Interface, The Journal of Chemical Physics, Vol.142, (2015), p.212407 (13 pages).

K. InoueT. IshiyamaS. NihonyanagiS. YamaguchiA. Morita, and T. TaharaEfficient Spectral Diffusion at the Air/Water Interface Revealed by Femtosecond Time-Resolved Heterodyne-Detected Vibrational Sum Frequency Generation SpectroscopyThe Journal of Physical Chemistry Letters, Vol.7, (2016), pp.1811-1815.


気液界面での物質・エネルギー輸送の研究

高温,高圧場を発生するキャビテーション気泡など,気液二相流は単相流にはない特殊な性質がいくつかあり, それを用いた革新的な技術発展が期待されています。気液二相流は,流体力学のような連続体理論が成り立たない 気液界面領域を含んでおり,そこでの物質・熱輸送を精密に記述するためには, より微視的な分子論を要します.本研究は,気液界面における物質・熱輸送機構を,分子気体力学,分子動力学といった 微視的理論から検討しました。そして,巨視的理論に組み込まれるべき界面での輸送を記述する境界条件と, それに含まれるパラメータ(蒸発係数,凝縮係数)の値を,アルゴン,水,メタノールに対して明らかにしました. 最近では温度適応係数を導入し,物質輸送のみならずエネルギー輸送を正確に記述する境界条件の研究も行っております。

[代表的論文]

T. Ishiyama, T. Yano, and S. Fujikawa, Kinetic Boundary Condition at a Vapor-Liquid Interface, Physical Review Letters, Vol.95, 084504. (2005).

T. Ishiyama, S. Fujikawa, T. Kurz, and W. Lauterborn, Nonequilibrium Kinetic Boundary Condition at the Vapor-Liquid Interface of Argon, Physical Review E, Vol.88, p.042406 (16pages) (2013).