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Kobayashi Masato

Faculty of Science Chemistry Physical ChemistryAssociate Professor
Institute for Integrated Innovations Institute for Chemical Reaction Design and DiscoveryAssociate Professor
Research Center of Mathematics for Social CreativityAssociate Professor

Researcher basic information

■ Degree
  • PhD (Science), Waseda University, Mar. 2007
■ URL
researchmap URLホームページURL■ Various IDs
ORCID IDJ-Global ID■ Research Keywords and Fields
Research Keyword
  • electronic structure theory
  • materials informatics
  • catalyst informatics
  • chemoinformatics
  • Theoretical Chemistry
  • Quantum Chemistry
Research Field
  • Nanotechnology/Materials, Fundamental physical chemistry, Theoretical Chemistry
■ Educational Organization

Career

■ Career
Career
  • Apr. 2025 - Present
    Hokkaido University, Green Transformation Innovation Center, Concurrent Faculty, Japan
  • Oct. 2021 - Present
    Hokkaido University, Research Center of Mathematics for Social Creativity, Research Institute for Electronic Science, Concurrent Faculty, Japan
  • Nov. 2020 - Present
    Hokkaido University, Faculty of Science Department of Chemistry, Associate Professor, Japan
  • Apr. 2019 - Present
    Hokkaido University, WPI-ICReDD, Concurrent Associate Professor
  • Apr. 2014 - Mar. 2022
    Kyoto University, Elements Strategy Initiative for Catalysts and Batteries, Project Associate Professor
  • Jul. 2017 - Oct. 2020
    Hokkaido University, Faculty of Science, Lecturer
  • Dec. 2015 - Mar. 2019
    JST, PRESTO Researcher
  • Mar. 2014 - Jun. 2017
    Hokkaido University, Faculty of Science, Assistant Professor
  • Apr. 2012 - Feb. 2014
    Waseda University, Waseda Institute for Advanced Study, Assistant Professor
  • Apr. 2008 - Mar. 2012
    Waseda University, Faculty of Science and Engineering, Visiting Lecturer
  • Apr. 2008 - Mar. 2012
    National Institutes of Natural Sciences, Institute for Molecular Science, Research Fellow
  • Apr. 2007 - Mar. 2008
    Japan Society for the Promotion of Science, Young Scientist Fellow (PD)
  • Oct. 2007 - Dec. 2007
    Eötvös Loránd University, Visiting Scholar
  • Apr. 2006 - Mar. 2007
    Japan Society for the Promotion of Science, Young Scientist Fellow (DC2)
Educational Background
  • Apr. 2004 - Mar. 2007, Waseda University, Graduate School of Science and Engineering, Department of Chemistry, Japan
  • Apr. 1999 - Mar. 2003, Waseda University, School of Science and Engineering, Department of Chemistry, Japan
Committee Memberships
  • Apr. 2023 - Present
    The Chemical Society of Japan, Secretary, Division of Theoretical, Information, and Computational Chemistry, Society
  • Apr. 2016 - Present
    National Institute of Science and Technology Policy (NISTEP), Investigator, Science and Technology Experts Network, Government
  • Oct. 2021 - Sep. 2025
    Japan Society of Theoretical Chemistry, Secretary, Society
  • Nov. 2024
    日本コンピュータ化学会2024秋季年会, 実行委員, Society
  • Dec. 2023
    Theory and Applications of Computational Chemistry 2020 (TACC2020), Secretariat Office, Society
  • Sep. 2021
    The 15th Annual Meeting of Japan Society for Molecular Science, Organizing Committee, Society
  • May 2019
    22nd Symposium on Theoretical Chemistry, Organizing Committee, Society
  • May 2017
    The 15th Annual Meeting of Society of Nano Science and Technology, Organizing Committee, Society
  • Jun. 2015
    31st Symposium on Chemical Kinetics and Dynamics, Organizing Committee, Society
  • Apr. 2012 - Mar. 2014
    Waseda Institute for Advanced Study (WIAS), Editorial board, Others
  • Jul. 2011
    The Seventh Congress of the International Society for Theoretical Chemical Physics (ISTCP-VII), Secretariat Office (PR manager), Society

Research activity information

■ Awards
  • 2012, 2nd CMSI Workshop, Excellent Poster Award
    Japan
  • 2009, Society of Computer Chemistry, Japan, Yoshida Award (Excellent Paper Award)
    Japan
  • 2008, WATOC2008, Poster Prize
■ Papers
■ Other Activities and Achievements
■ Books and other publications
■ Lectures, oral presentations, etc.
  • Analyses for Catalytic and Surface Adsorption Systems by Quantum Chemical Calculations × Informatics
    KOBAYASHI, Masato
    Lecture in AI Advanced Research Center at Gifu Univ., 22 Jan. 2021, Japanese, Invited oral presentation
    22 Jan. 2021 - 22 Jan. 2021, [Invited]
  • Analyses and Prediction for Catalytic and Surface Adsorption Systems by Combining Quantum Chemical Calculations and Data Science
    小林正人
    RCCS & Nanotechnology Platform Workshop 2021, 13 Jan. 2021, Japanese, Invited oral presentation
    12 Jan. 2021 - 13 Jan. 2021, [Invited]
  • Data Scientific Analysis of Quantum Chemical Calculation Results for Surface Adsorption Systems and Its Application to Catalysis
    Masato Kobayashi
    36th Computational Materials Design Workshop, Feb. 2020, English, Invited oral presentation
    [Invited]
  • Construction of quantum chemical calculation database of surface adsorption systems and its application to catalytic activity analysis
    KOBAYASHI Masato
    ESICB Electron Theory Meeting, Dec. 2019, Japanese, Invited oral presentation
    [Invited], [Domestic Conference]
  • Data-Scientific Analysis of Quantum Chemical Calculation Results for Surface Adsorption Systems and Its Application to Catalysts
    KOBAYASHI Masato
    Rare Events Workshop 2019, Dec. 2019, Japanese, Invited oral presentation
    [Invited], [Domestic Conference]
  • Surface model calculation database for predicting catalytic activity: An application to methane steam reforming
    KOBAYASHI Masato
    The ninth conference of the Asia-Pacific Association of Theoretical and Computational Chemists (APATCC2019), Oct. 2019, English, Invited oral presentation
    [Invited], [International presentation]
  • Calculation, Analysis, and Prediction for Catalyst and Surface Adsorption Systems with Informatics Techniques and Automated Reaction Path Search
    KOBAYASHI Masato
    2nd International Workshop on Phase Interfaces Science for Highly Efficient Energy Utilization, Nov. 2018, English, Invited oral presentation
    [Invited], [International presentation]
  • Recent Trends on Catalyst Informatics
    KOBAYASHI Masato
    CSE 1st Young Researcher Workshop, Aug. 2018, Japanese, Invited oral presentation
    [Invited], [Domestic Conference]
  • Calculation, Analysis, and Prediction for Catalytic and Surface Adsorption Systems Using Informatics and Reaction Path Search Method
    KOBAYASHI Masato
    2nd PRESTO Symposium on Materials Informatics, Aug. 2018, Japanese, Invited oral presentation
    [Invited], [Domestic Conference]
  • Tutorial for Informatics, Artificial Intelligence, and Machine Learning
    KOBAYASHI Masato
    ESICB Young Researcher Workshop on "Frontiers in Practical Theoretical Chemistry for Catalyst and Battery", Aug. 2018, Japanese, Invited oral presentation
    [Invited], [Domestic Conference]
  • Analysis of Quantum Chemical Calculation Results and Applications to Catalysis Using Large-Scale Quantum Chemical Calculation and Data Science
    KOBAYASHI Masato
    Lecture at Institute for Molecular Science, May 2018, Japanese, Invited oral presentation
    [Invited], [Domestic Conference]
  • Reaction Path Search Method and Informatics: Applications to Catalyst and Surface Adsorption System Calculations
    KOBAYASHI Masato
    NAIST Interdisciplinary Workshop "New Frontiers in Chemistry by Combination with Data Science, Mar. 2018, Japanese, Invited oral presentation
    [Invited], [Domestic Conference]
  • Theoretical Studies on Catalysts Using Reaction Path Search Method and Informatics
    KOBAYASHI Masato
    5th RIST Workshop for Materials Science, Feb. 2018, Japanese, Invited oral presentation
    [Invited], [Domestic Conference]
  • Theoretical Studies on Catalysts Using Reaction Path Search Method and Informatics
    KOBAYASHI Masato
    4th Open Symposium of Priority Issue 5 on Post-K Computer, Dec. 2017, Japanese, Invited oral presentation
    [Invited], [Domestic Conference]
  • Analyzing Quantum Chemical Calculation Results with Informatics Techniques: Toward Application to Catalyst Development
    KOBAYASHI Masato
    International Symposium on Pure & Applied Chemistry (ISPAC) 2017, Jun. 2017, English, Invited oral presentation
    [Invited], [International presentation]
  • Analysis of Quantum Chemical Calculation Results Using Data Science Techniques and Its Application to Catalysis
    KOBAYASHI Masato
    1st AICS Materials Informatics School, Mar. 2017, Japanese, Invited oral presentation
    [Invited], [Domestic Conference]
  • Fundamentals of Large-Scale Quantum Chemical Calculation
    KOBAYASHI Masato
    6th Quantum Chemistry School, Dec. 2016, Japanese, Invited oral presentation
    [Invited], [Domestic Conference]
  • Quantum chemical calculation meets informatics: Toward application to catalyst development
    KOBAYASHI Masato
    Thai-Japan Symposium in Chemistry, Nov. 2016, English, Invited oral presentation
    [Invited], [International presentation]
  • Static and dynamical electron correlation calculations of large systems based on the divide-and-conquer method
    KOBAYASHI Masato
    EMN Meeting on Computation and Theory 2016, Oct. 2016, English, Invited oral presentation
    [Invited], [International presentation]
  • Static Electron Correlations Described via Two-Electron Wave Functions
    KOBAYASHI Masato
    Collaborative Conference on Materials Research 2014 (CCMR2014), Jun. 2014, English, Invited oral presentation
    [Invited], [International presentation]
  • アンチモンおよびテルルの超原子価化合物のリガンド交換反応に関する理論的研究
    第40回有機典型元素化学討論会, 2013, Poster presentation
  • ペア行列を用いた平均場電子状態計算による静的電子相関の取り扱い
    第7回分子科学討論会, 2013, Poster presentation
  • Geminal-based wavefunction theory and its perturbative improvement
    VIIIth Congress of the International Society for Theoretical Chemical Physics (ISTCP-VIII), 2013
  • Hartree-Fock-Bogoliubov法による分子の電子状態計算とエネルギー勾配法
    日本コンピュータ化学会2013春季年会, 2013
  • Hartree-Fock-Bogoliubov法を用いた量子化学計算の検討
    第16回理論化学討論会, 2013
  • Excited-state calculations based on divide-and-conquer method for large systems
    17th International Annual Symposium on Computational Science and Engineering (ANSCSE17), 2013, Poster presentation
  • Binding investigation of the West Nile Virus NS3 Protease Inhibitor using Divide-and-Conquer method
    17th International Annual Symposium on Computational Science and Engineering (ANSCSE17), 2013
  • Divide-and-Conquer Program in GAMESS: 開発と最近の成果
    グランドチャレンジ・アプリケーションの研究開発 公開シンポジウム, 2013, Poster presentation
  • 分割統治MP2法: エネルギー勾配法の開発と抗ウィルス薬への適用
    スーパーコンピューターワークショップ2013「理論と計算科学による新たな展開と可能性を探る」, 2013, Poster presentation
  • Divide-and-conquer quantum chemistry program in GAMESS: Implementation and application
    International Workshop on Massively Parallel Programming Now in Molecular Science, 2013
  • Quantum chemical calculations of large delocalized molecules with the divide-and-conquer method
    日本化学会第93春季年会 アジア国際シンポジウム, 2013
  • Development of efficient quantum chemical calculation methods for nano material research
    Collaborative Conference on Materials Research (CCMR) 2013, 2013
  • ナノ・生体系の化学反応ダイナミクス: 分割統治法を用いた検討
    第4回TCCI研究会, 2013
  • Divide-and-conquer method for linear-scaling electronic sturcture calculations
    5th JCS International Symposium on Theoretical Chemistry, 2013
  • Theoretical study on the ligand exchange reaction of hypervalent Sb and Te compounds
    The 40th Symposium on Main Group Element Chemistry, 2013, Poster presentation
  • Static electron correlation treated by mean-field electronic structure calculations with pairing matrix
    Annual Meeting of Japan Society for Molecular Science 2013, 2013, Poster presentation
  • Geminal-based wavefunction theory and its perturbative improvement
    VIIIth Congress of the International Society for Theoretical Chemical Physics (ISTCP-VIII), 2013
  • Electronic structure calculations of molecules with Hartree-Fock-Bogoliubov method and its energy gradient
    Spring Meeting 2013, Society of Computer Chemistry, Japan, 2013
  • Quantum chemical calculations with Hartree-Fock-Bogoliubov method
    16th Annual Forum on Theoretical Chemistry, 2013
  • Excited-state calculations based on divide-and-conquer method for large systems
    17th International Annual Symposium on Computational Science and Engineering (ANSCSE17), 2013, Poster presentation
  • Binding investigation of the West Nile Virus NS3 Protease Inhibitor using Divide-and-Conquer method
    17th International Annual Symposium on Computational Science and Engineering (ANSCSE17), 2013
  • Divide-and-Conquer Program in GAMESS: Development and recent results
    Public Symposium on Research and Development of Grand Challenge Applications, 2013, Poster presentation
  • Divide-and-conquer MP2 method: Formulation of energy gradient and application to anti-virus drug
    Supercomputer Workshop 2013, 2013, Poster presentation
  • Divide-and-conquer quantum chemistry program in GAMESS: Implementation and application
    International Workshop on Massively Parallel Programming Now in Molecular Science, 2013
  • Quantum chemical calculations of large delocalized molecules with the divide-and-conquer method
    Asian International Symposium in the 93rd Annual Meeting of the Chemical Society of Japan, 2013
  • Development of efficient quantum chemical calculation methods for nano material research
    Collaborative Conference on Materials Research (CCMR) 2013, 2013
  • Chemical reaction dynamics of nano and biological systems: Divide-and-conquer approaches
    4th TCCI Symposium, 2013
  • Divide-and-conquer method for linear-scaling electronic sturcture calculations
    5th JCS International Symposium on Theoretical Chemistry, 2013
  • 分割統治MP2プログラムの最近の展開と性能評価
    第3回CMSI研究会, 2012
  • Development of divide-and-conquer quantum chemical code for biomolecules and nano materials
    JSST 2012 International Conference on Simulation Technology, 2012
  • GAMESSに実装された分割統治(DC)量子化学計算法のハイブリッド並列化
    第6回分子科学討論会, 2012, Poster presentation
  • APSG and its perturbative correction: Application to open-shell systems
    Theory and Applications of Computational Chemistry 2012 (TACC2012), 2012, Poster presentation
  • Excited-state calculation of photoactive yellow protein using divide-and-conquer SAC-CI theory
    XVIIth International Workshop on Quantum Systems in Chemistry and Physics (QSCP-XVII), 2012, Poster presentation
  • DC-SAC-CI法による光活性タンパクの励起状態計算
    第15回理論化学討論会, 2012, Poster presentation
  • 開殻APSG波動関数を参照とした多体摂動計算
    第15回理論化学討論会, 2012, Poster presentation
  • DC-SAC-CI法~大規模励起状態理論の構築~
    日本コンピュータ化学会2012春季年会, 2012, Poster presentation
  • 量子化学計算を用いた有機電子材料の電荷移動特性の解析
    日本コンピュータ化学会2012春季年会, 2012, Poster presentation
  • 分割統治(DC)量子化学計算法: その高精度化と高速化,超並列化
    先駆的計算科学に関するフォーラム2012~京コンピュータ利用に向けた分子科学分野での取り組み~, 2012
  • 分割統治(DC)量子化学計算プログラム: 開発と応用、そして展望
    次世代ナノ統合シミュレーションソフトウェアの研究開発・次世代生命体統合シミュレーションソフトウェアの研究開発 公開シンポジウム, 2012
  • 分割統治(DC)法に基づく大規模量子化学計算プログラムの開発と『京』での実装
    第4回HPCI戦略プログラム合同研究交流会, 2012
  • 大規模系の量子化学計算:化学理論と計算機の発展が開いた世界とその近未来
    第26期CAMMフォーラム例会, 2012
  • Recent advances in the divide-and-conquer MP2 program and its performance assessment
    3rd CMSI Symposium, 2012
  • Development of divide-and-conquer quantum chemical code for biomolecules and nano materials
    JSST 2012 International Conference on Simulation Technology, 2012
  • Hybrid parallelization of divide-and-conquer (DC) quantum chemical method implemented in GAMESS
    Annual Meeting of Japan Society for Molecular Science 2012, 2012, Poster presentation
  • APSG and its perturbative correction: Application to open-shell systems
    Theory and Applications of Computational Chemistry 2012 (TACC2012), 2012, Poster presentation
  • Excited-state calculation of photoactive yellow protein using divide-and-conquer SAC-CI theory
    XVIIth International Workshop on Quantum Systems in Chemistry and Physics (QSCP-XVII), 2012, Poster presentation
  • Excited-state calculation of photo-active protein by DC-SAC-CI method
    15th Annual Forum on Theoretical Chemistry, 2012, Poster presentation
  • Many-body perturbation calculation based on open-shell APSG wavefunction
    15th Annual Forum on Theoretical Chemistry, 2012, Poster presentation
  • DC-SAC-CI method - Construction of large-scale excited-state theory
    Spring Meeting 2012, Society of Computer Chemistry, Japan, 2012, Poster presentation
  • Analysis of charge mobility of organic electronic device using quantum chemical calculation
    Spring Meeting 2012, Society of Computer Chemistry, Japan, 2012, Poster presentation
  • Divide-and-Conquer (DC) Quantum Chemical Calculation Method: Its Improvements in Accuracy, Efficiency, and Parallelism
    Forum on Pioneering Computational Science 2012 (Kyushu Univ.), 2012
  • Divide-and-Conquer (DC) Quantum Chemical Calculation Program: Developments, applications, and Perspectives
    Open Symposium on Grand Challenges in Next-Generation Integrated Nanoscience and Living Matter, 2012
  • Development of Large-Scale Quantum Chemical Calculation Program Based on Divide-and-Conquer (DC) Method and Its Implementation into K Supercomputer
    4th Joint Symposium of the Strategic Program for Innovative Research (SPIRE), 2012
  • Quantum Chemical Calculations of Large Systems: The World Pioneered by Recent Developments in Chemical Theory and Computer Science, and Its Future
    26th CAMM Forum, 2012
  • Divide-and-Conquer量子化学計算プログラム
    次世代ナノ統合シミュレーションソフトウェア説明会, 2009
  • 分割統治(DC)電子状態計算法のGAMESSへの実装と応用
    日本コンピュータ化学会2009春季年会, 2009
  • Divide-and-Conquer quantum chemistry program
    Next-Generation Integrated Nanoscience Simulation Software Explanatory Meeting, 2009
  • Implimentation of divide-and-conquer (DC) electronic structure code to GAMESS program package and its applications
    Spring Meeting 2009, Society of Computer Chemistry, Japan, 2009
  • Divide-and-conquer electronic structure method: Extension to post-HF correlation theories
    The International Conference on the Theory and Applications of Computational Chemistry in 2008 (TACC2008), 2008
  • Divide-and-conquer electronic structure method: Extension to post-HF correlation theories
    The International Conference on the Theory and Applications of Computational Chemistry in 2008 (TACC2008), 2008
  • 大規模系の高精度量子化学計算法: Divide-and-Conquer法に基づくMP2計算
    科研費特定領域研究「次世代量子シミュレータ・量子デザイン手法の開発」 A02班ミニワークショップ「大規模・高精度電子状態計算手法に関する研究会II」, 2007
  • Accurate quantum chemical methodology for large systems: MP2 calculation based on the divide-and-conquer method
    Mini workshop on large-scale accurate electronic structure calculation methods II, 2007
■ Syllabus
  • 計算機実習, 2024年, 学士課程, 総合教育部
  • 分子化学A(分子理論化学), 2024年, 修士課程, 総合化学院
  • 一般教育演習(フレッシュマンセミナー), 2024年, 学士課程, 全学教育
  • 量子化学Ⅰ, 2024年, 学士課程, 理学部
  • 教科教育法(理科Ⅱ), 2024年, 学士課程, 教育学部
■ Affiliated academic society
  • Jun. 2019 - Present
    Japan Society of Theoretical Chemistry
  • Nov. 2016 - Present
    CATALYSIS SOCIETY OF JAPAN
  • Jan. 2007 - Present
    THE CHEMICAL SOCIETY OF JAPAN
  • Sep. 2006 - Present
    JAPAN SOCIETY FOR MOLECULAR SCIENCE
  • Mar. 2006 - Present
    SOCIETY OF COMPUTER CHEMISTRY, JAPAN
■ Research Themes
  • 重水素学を進める総括班研究
    科学研究費助成事業
    Apr. 2026 - Mar. 2031
    中 寛史
    日本学術振興会, 学術変革領域研究(A), 京都大学, 26H00485
  • 重水素学のための理論実験複合データベースと学理構築
    科学研究費助成事業
    Apr. 2026 - Mar. 2031
    小林 正人
    日本学術振興会, 学術変革領域研究(A), 北海道大学, 26H00486
  • Feature extraction of reaction route map by topological data analysis and its application to reactivity comparison, classification, and prediction
    Grants-in-Aid for Scientific Research
    01 Apr. 2023 - 31 Mar. 2026
    小林 正人; 中村 壮伸; 寺本 央
    「反応経路地図(RRM)を表現する重み付きグラフに対するパーシステント・ホモロジー(PH)解析法の確立」の項目については、基盤となるadjusted weight rank clique filtrationを開発して貨幣金属ナノクラスターと有機化学反応に適用し、その有用性を報告した。また、GRRMプログラムの出力を用いてPH解析を行うプログラムを整備して公開した。一方、GRRMプログラムの出力は対称性と同種核置換反転に関して縮約されているため、元のポテンシャルエネルギー曲面(PES)全体を表すものにはなっていない。そこで、3N-6次元のPESの空間に対応するRRMをGRRMの出力から復元する手法を並行して開発し、公開した。この復元されたPESに対するPH解析についても、予備的な検討を行った。
    「グローバル反応経路地図の作成とデータベース化」の項目に関しては、遷移金属元素の少数原子クラスターの計算とデータベース化を進めている。
    「PH解析に基づく記述子を用いた系の分類と機能・性質解明」の項目に関しては、Wasserstein距離およびボトルネック距離を用いた金属ナノクラスターのRRMの類似度比較を開始したが、RRMの比較に最適のものであるとは言いがたい結果となった。今後は、RRMの特徴を活かした新たな「距離」の定義方法について検討を進める。
    PESや反応経路地図の解析、という観点では、様々な観測時間スケールでPESの速度論的な可視化を実現する手法を新たに共同で開発した。PESのエネルギー値の関係をそのまま表示する従来のdisconnectivity graphとは異なり、時間スケールに基づいた階層性を表現するものになっている。
    Japan Society for the Promotion of Science, Grant-in-Aid for Scientific Research (B), Hokkaido University, 23K26608
  • 位相的データ解析による反応経路地図の特徴量抽出と反応性比較・分類・予測への応用
    科学研究費助成事業 基盤研究(B)
    01 Apr. 2023 - 31 Mar. 2026
    小林 正人
    日本学術振興会, 基盤研究(B), 北海道大学, 23H01915
  • Computational Research on Materials with Better Functions and Durability Toward Sustainable Development
    Program for Promoting Researches on the Supercomputer Fugaku
    Apr. 2023 - Mar. 2026
    館山 佳尚; 三宅 隆; 松林 伸幸; 大谷 実; 泰岡 顕治; 藤本 和士; 福島 鉄也; 笠松 秀輔; 久保 百司; 新里 秀平; 赤木 和人; 小林 正人; 新屋 ひかり; 中田 彩子
    MEXT, NIMS, Coinvestigator, Competitive research funding, JPMXP1020230325
  • 大規模量子分子動力学計算と準安定結晶構造探索に基づく超秩序構造の理論的研究
    科学研究費助成事業 学術変革領域研究(A)
    01 Apr. 2023 - 31 Mar. 2025
    小林 正人
    日本学術振興会, 学術変革領域研究(A), 北海道大学, 23H04093
  • Acceleration of the Development of Organic Reactions Based on the Fusion of Automatic Synthesis Robots and Information Science
    Grants-in-Aid for Scientific Research Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
    01 Apr. 2021 - 31 Mar. 2024
    長田 裕也; 水野 雄太; 田畑 公次; 辻 信弥; 小林 正人
    有機合成研究において反応条件の最適化は極めて重要であり、研究遂行のためには多大な労力と時間を費やし続けている。本研究は、自動合成ロボットと量子化学計算によって得られる分子記述子を用いた強化学習を用いることで、反応条件の最適化を飛躍的に加速させることを目的としている。
    2021年度の研究においては、自動合成ロボットにおける予備的有機合成実験を実施し、さらに実験結果の自動測定に取り組んだ。初期検討として、熱的フィスゲン環化付加反応と縮合剤を用いたアミド化反応に関する検討に取り組んだ。遷移金属触媒を用いずにフィスゲン環化付加反応を行った場合、1,4-付加体と1,5-付加体の混合物が得られ、これらの生成比は基質の構造に依存する。あらかじめ量子化学計算によって生成比の予測を行い、続いて自動合成ロボットを用いた合成実験と生成比の決定を行うことで両者の比較を行い、反応モデルの改良を行うことで、良い精度で生成比の予測を行う方法の開発に成功した。
    また、縮合剤を用いたアミド化反応に関する検討では、種々のカルボン酸類とアミン類からアミド化合物を合成し、アミド類の構造と超臨界流体クロマトグラフィーでの保持時間の関係について検討を行った。超臨界流体クロマトグラフィーではポリブチレンテレフタレートがコーティングされたシリカゲルを固定相として用いたカラムを使用することで、迅速な分離分析を行うことができることを見出した。現在、アミド類の構造とその保持時間の相関について分子記述子を用いた解析を進めており、未知のアミド化合物の分析条件の推定が可能になるものと期待している。
    Japan Society for the Promotion of Science, Grant-in-Aid for Scientific Research (B), Hokkaido University, 21H01924
  • Elucidation of synergistic effects and dynamic properties of hyper-ordered structures using large-scale quantum chemical calculations and crystal structure database
    Grants-in-Aid for Scientific Research
    10 Sep. 2021 - 31 Mar. 2023
    小林 正人
    本研究では、(1)多様な超秩序構造材料の大規模量子分子動力学計算を実現するプログラムの開発と、(2)準堰堤結晶構造データベースとパーシステント・ホモロジー解析を利用したアモルファス-結晶の構造相関解析手法の開発を推進することにより、超秩序構造材料の機能発現機構を原子レベルで解明する計算化学プラットフォームを構築し、領域内の融合研究に利用する。
    (1)に関して、我々は数千~数万原子系の量子化学計算法である分割統治密度汎関数強束縛(DC-DFTB)法を開発してきたが、元素ペアに対するパラメータが必要であり、既存のパラメータで多様な超秩序構造材料を広範に取り扱うことはできない。そこで本年度は、元素ごとのパラメータで計算可能なGFN-xTB法にDC法を導入したDC-xTB法の開発を行った。開発したDC-xTB法による計算時間は系の大きさに対してほぼ線形となっており、またDC法のバッファ領域の大きさを制御することにより通常のxTB法の計算結果が再現できることも確かめられた。
    (2)に関して、反応経路自動探索プログラムGRRMを使用して、ガラス化しないTiO2の準安定結晶構造データベースを作成し、すでに構築されていたSiO2の準安定結晶構造データベースとともにそのパーシステント・ホモロジー解析を行った。TiO2の方が低エネルギー準安定構造の数は多かったが、そのパーシステンス・ダイアグラムはスポット的に集中する傾向にあり、ガラス化しやすいSiO2とは大きく異なることが分かった。
    Japan Society for the Promotion of Science, Grant-in-Aid for Transformative Research Areas (A), Hokkaido University, 21H05544
  • High-order many body correlation analysis of network forming glass based on comprehensive integration of experimental, theoretical and data sciences
    Grants-in-Aid for Scientific Research Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
    Apr. 2020 - Mar. 2023
    志賀 元紀; 小原 真司; 小林 正人; 平田 秋彦; 小野寺 陽平
    非晶質材料に内在する秩序の記述および効率的な計算法の開発のために、理論計算による大規模な構造モデルの構築、量子ビームによる計測データから秩序を同定する方法の開発、また、実験データに適合する構造モデルから中距離秩序を抽出する試みを行った。
    大規模な構造モデル構築の課題において、構造エネルギーや原子にかかる力を高速に計算するために機械学習モデルの開発に取り組んだ。訓練データとして、DC-DFTB法を用いてシリカの様々な構造に対して計算した結果を用意した。DC-DFTB計算に対して、全エネルギーを構成原子に割り当てるエネルギー密度解析を用いて、学習データを高効率的に収集することが可能となった。こうして生成された訓練データに対して、原子配置に関する記述子を入力として、機械学習モデルを構築し、予測性能を検証した。
    計測データ解析の課題では、Åビーム電子回折実験を計算機において仮想的に行うヴァーチャルÅビーム電子回折法を開発し、計算ホモロジーおよび分子動力学法と組み合わせることで、代表的な金属ガラスであるPd-Siのトポロジー的な秩序領域から得られる電子回折の特徴を調べた。その結果、トポロジー的な秩序領域では1nm以上にわたり方向の揃った擬格子面が形成されており、これに対応して回折パターン中に強い強度のスポットが出現することがわかった。
    また、温度と圧力を精密に制御して合成した永久高密度化シリカガラスについて、その高密度化のメカニズムを量子ビーム実験と構造モデリング、トポロジカル解析を駆使することによって明らかにした。ガラスの3次元構造モデルをSPring-8、海外の原子炉・パルス中性子源を利用して測定した量子ビーム実験データを再現する構造モデルを構築し、化学結合によるネットワークが形成するリング、原子分布が形成する空隙を解析することで、永久高密度化ガラスの構造秩序の起源を明らかにした。
    Japan Society for the Promotion of Science, Grant-in-Aid for Scientific Research (B), Gifu University, 20H04241
  • パーシステント・ホモロジーを用いたグローバル反応経路地図に対する記述子の開拓
    研究助成(一般)
    Oct. 2020 - Sep. 2022
    小林正人; 寺本央; 青木雅充; 石橋卓
    量子化学探索研究所, 北海道大学, Principal investigator
  • 大規模複雑電子構造系の遷移状態・電子励起状態計算法の確立と生体反応への応用
    Grants-in-Aid for Scientific Research Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
    01 Apr. 2017 - 31 Mar. 2021
    小林 正人; 赤間 知子
    本研究では、大規模計算法の分割統治(DC)法と複雑系電子状態計算法のHartree-Fock-Bogoliubov (HFB)法を土台として、大規模で複雑な電子構造を持つ系の遷移状態探索や電子励起状態を取り扱うための量子化学理論の確立を目的としている。
    本年度は、昨年度着手したDC-MP2電子相関計算に対するバッファ領域の自動決定法の開発を行った。電子相関は、電子状態の高精度な記述に欠かせないものである。また、バッファ領域はDC法の精度を決める重要なパラメータであるが、これまでは精度が適切な範囲となるように経験的に決められていた。昨年度、電子相関を含まない一電子近似の範囲で、これを自動的に決定する方法を確立したが、一電子近似計算は反復的な計算であり、徐々にバッファ領域を調節することが可能であった。しかし、MP2計算は一回で終わる計算であるため、計算中の調整ができないという難点がある。本研究では、Laplace変換MP2法というDC法とは異なるMP2計算の効率的計算法の表式にヒントを得て、一電子近似計算で決めたバッファ領域の各原子からのエネルギー寄与を概算し、適切なバッファ領域を決めるスキームを開発した。これについては、現在論文を執筆中である。本手法のエネルギー勾配(遷移状態構造最適化などに必要)は、以前代表者が開発したDC-MP2エネルギー勾配を直接用いることが可能であり、これを利用して昨年度達成した反応経路自動探索法との接続も可能である。また、現在、エネルギー勾配計算に対して適切なバッファ領域を自動決定する方法も検討している。
    一方、分担研究者の産休のため遅れていた電子励起状態を取り扱うための時間依存HFB (TD-HFB)法の検討を開始した。現在、理論の精査を進めており、プログラム開発にも着手する予定である。
    Japan Society for the Promotion of Science, Grant-in-Aid for Scientific Research (C), Hokkaido University, 17K05738
  • Evaluation of synergistic effects in chemical reactions of multinary systems and its application to catalyst development
    PRESTO
    Dec. 2015 - Mar. 2019
    Japan Science and Technology Agency, Advanced Materials Informatics through Comprehensive Integration among Theoretical, Experimental, Computational and Data-Centric Sciences, Hokkaido University, Principal investigator
  • 感応性化学種が持つ中間的な電子構造とその反応に関する理論的研究
    Grants-in-Aid for Scientific Research Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
    01 Apr. 2015 - 31 Mar. 2017
    小林 正人
    本課題では、分散力・強い電子相関・環境効果などを介した「中間的な電子構造」が感応性化学種を支配する重要なキーワードであると捉え、精緻な量子化学計算により感応性化学種の構造と反応、物性を理解することを目的として研究を行った。
    本年度はまず、異常に長い結合長を持つ化合物DSAPの構造起源に関する研究を行った。DSAPはX線構造解析により177.1 pmのC-C結合長を持つ化合物である。この異常な結合長は単分子の性質だけから現れるものではなく、結晶のパッキング効果や、分子内および分子間に働く分散力のバランスによって実現されていることを理論・計算化学的観点から示した。具体的には、Grimmeの補正法により分散力を、ONIOM法や周期境界条件計算により環境効果を取り込んだ精緻な量子化学計算により、DSAPのユニットセル中に含まれる4種類の分子の構造を全て精度よく再現することに成功した。
    また、強い電子相関を記述するのに有効なHartree-Fock-Bogoliubov (HFB)法を大規模系に適用するため、DC法と組み合わせたDC-HFB法の開発と感応性化学種への応用を行った。代表的な感応性化学種に中間ジラジカル性を持つ分子があるが、これらの適切な構造計算には強い電子相関を考慮することが欠かせない。また強い電子相関を考慮できる大規模系計算法は、これまで確立されていない。本年度は、ポリフェノキノジメタンに対するDC-HFB計算により、本手法が系の大きさに対して線形の計算時間で強い電子相関の効果を有効的に記述できるものであることを示した。今後は、バッファ領域というDC法のパラメータを自動的に決定できるアダプティブDC-HFB法や、大規模強相関系の構造計算を可能とするDC-HFBエネルギー勾配法へと展開し、感応性化学種を中心に応用展開する予定である。
    Japan Society for the Promotion of Science, Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area), Hokkaido University, 15H00908
  • Development and application of black-box quantum chemical theory for large strongly correlated systems
    Grants-in-Aid for Scientific Research Grant-in-Aid for Young Scientists (B)
    01 Apr. 2013 - 31 Mar. 2016
    Kobayashi Masato
    The black-box computational method that enables us to perform quantum chemical calculations of large strongly correlated electronic systems was developed. The divide-and-conquer (DC) method was used to treat large systems, while the Hartree-Fock-Bogoliubov (HFB) method based on the electron-pair wave functions (geminals) was used to consider the strong electron correlation. In particular, we developed the adaptive DC method that controls the energy error introduced by the DC method, the HFB energy gradient method, and the DC-HFB method that combines the DC method and HFB method.
    Japan Society for the Promotion of Science, Grant-in-Aid for Young Scientists (B), Hokkaido University, 25810011
  • 分割統治(DC)大規模高精度計算法を活用した有機分子集合系の超構造と電子状態論
    Research Grant 2011
    Apr. 2011 - Mar. 2012
    Association for the Progress of New Chemistry, 有機電子材料の集合体構造と電子特性の関係の計算科学的研究, Waseda University
  • Development of the geminal-based quantum chemical theory and its application to nanomagnetic devices
    Grants-in-Aid for Scientific Research Grant-in-Aid for Young Scientists (B)
    2010 - 2012
    KOBAYASHI Masato
    Beyond the current quantum chemical framework that is based on the one-electron wavefunction (orbital), a novel quantum chemical theory that is based on the two-electron wavefunction (geminal) and its computer program have been established. It enabled highly accurate quantum chemical calculations of strongly-correlated systems with few parameters. Furthermore, the divide-and-conquer method, which is a large-scale calculation theory, has been developed to enable highly accurate quantum chemical calculations of real systems.
    Japan Society for the Promotion of Science, Grant-in-Aid for Young Scientists (B), Waseda University, 22750016
  • Development of accelerated quantum dynamics theory
    Grants-in-Aid for Scientific Research
    2006 - 2009
    NAKAI Hiromi; IMAMURA Yutaka; KOBAYASHI Masato; SATO Takeshi; KIKUCHI Yasuaki; ATSUMI Teruo
    The present study presented the theoretical development of electronicstructure calculations for large systems. The theoretical treatment for quantum dynamics of nuclei was developed based on the nuclear orbital plus molecular orbital (NOMO) theory. The energy density analysis (EDA) techniques were improved for effective analysis of the electronic-structure calculations of real systems.
    Japan Society for the Promotion of Science, Grant-in-Aid for Scientific Research on Priority Areas, Waseda University, 18066016
  • 大規模電子状態計算を用いた光合成アンテナ複合体に関する研究
    Grants-in-Aid for Scientific Research Grant-in-Aid for JSPS Fellows
    2006 - 2007
    小林 正人
    光合成アンテナ系のようなタンパク質複合体の電子状態を精度良く表すためには、現在広く用いられている密度汎関数理論(DFT)では十分でないため、波動関数理論に基づいた電子相関を含む高精度な電子状態計算の高速化が必要不可欠である。報告者はこのニーズに応えるため、全系を部分系に分割して計算を行う分割統治(DC)法に注目し、これに基づく高速な2次Moller-Plesset摂動(MP2)計算法、DC-MP2法を開発してきた(J. Chem. Phys. 127, 074103)。これにより計算コストを系の大きさNに対してほぼ線形と、従来法のN^5に対して劇的に改善することに成功した。しかし、そのプレファクターは大きく、実際の計算のためにはこの改善が求められていた。そこで、Hartree-Fockと電子相関計算の両者で同程度の精度を保つために要求される部分系の環境(バッファ領域)の大きさが異なることを用い、このプレファクターを削減するdual-level DC-MP2法を開発した。さらに、DC法をMP2よりもさらに精度の高い結合クラスター(CC)法に適用したDC-CCSD法の理論およびプログラムを開発し、線形の計算時間を保ったまま高精度の計算手法に拡張することに成功した。
    MP2法やCCSD法によって、動的電子相関を定量的に取り扱うことはできるが、静的電子相関はほとんど取り入れることができない。これを効率よく取り入れることができ、大規模系への適用も期待される手法にAPSG法があるが、この手法は動的電子相関を取り入れることができなかった。申請者は、APSG波動関数に対して摂動的に動的相関を取り入れる手法を開発した。これにより、結合の解離などを伴う化学反応のエネルギー局面を定量的に再現することに成功した。
    Japan Society for the Promotion of Science, Grant-in-Aid for JSPS Fellows, Waseda University, 06J00448
■ Industrial Property Rights
  • エリアデザイン提案システム、及びエリアデザイン提案方法
    Patent right, 岡本 守; 竹本 享史; 内垣内; 洋; クラシエンアピバーン; タンティップ; シリナピグ; 中村 篤祥; 小林 正人; 水野 雄太; 寺本 央
    特願2023-555979, 28 Oct. 2021
    特許7670276
    30 Apr. 2025
  • セリウム(III)イオンと、該セリウム(III)イオンと配位結合を形成する配位子と、を含む希土類錯体
    Patent right, 北川 裕一; 富川 虎乃輔; 庄司 淳; 長谷川 靖哉; 伏見 公志; 赤間 知子; 小林 正人; 武次 徹也
    特願2022-35630, 08 Mar. 2022
    特開2023-130997, 21 Sep. 2023
  • エネルギー取引支援装置及びエネルギー取引支援方法
    Patent right, 岡本 守; 竹本 享史; 内垣内 洋; 古林 優希; 寺田 圭佑; 中村 篤祥; 寺本 央; 長山 雅晴; 水野 雄太; 小松▲崎▼ 民樹; 小林 正人, 国立大学法人北海道大学, 株式会社日立製作所
    特願2021-082895, 17 May 2021
    特開2022-176451, 30 Nov. 2022
    202203013856597361