武次 徹也 (タケツグ テツヤ)

理学研究院 化学部門 物理化学分野教授
工学研究院教授
総合イノベーション創発機構化学反応創成研究拠点教授
附属社会創造数学研究センター教授

研究者基本情報

■ 学位
  • Ph. D, The University of Tokyo
■ URL
researchmap URLホームページURL■ ID 各種
J-Global ID■ 研究キーワード・分野
研究キーワード
  • 量子化学
  • 反応動力学
  • 計算化学
  • 理論化学
研究分野
  • ナノテク・材料, 基礎物理化学, 理論化学
■ 担当教育組織

経歴

■ 経歴
経歴
  • 2005年04月 - 現在
    北海道大学, 大学院理学研究院化学部門, 教授
  • 1999年04月 - 2005年03月
    お茶の水女子大学, 理学部化学科, 助教授
  • 1995年11月 - 1999年03月
    東京大学, 大学院工学系研究科応用化学専攻, 助手
  • 1994年 - 1995年
    アイオワ州立大学 博士研究員
学歴
  • 1994年03月, 東京大学, 大学院工学系研究科, 工業化学専攻 博士後期課程, 日本国
  • 1991年03月, 東京大学, 大学院工学系研究科, 合成化学専攻 修士課程, 日本国
  • 1989年03月, 東京大学, 工学部, 合成化学科
学内役職歴
  • 教育研究評議会評議員, 2018年4月1日 - 2020年3月31日
  • 大学院総合化学院長, 2018年4月1日 - 2020年3月31日
  • 大学院総合化学院副学院長, 2014年4月1日 - 2016年3月31日

研究活動情報

■ 受賞
  • 2024年09月, 分子科学会, 第15回分子科学会賞
    反応経路概念に基づく化学反応ダイナミクスの理解の深化
    武次徹也
  • 2021年02月, Hokkaido University, 北海道大学教育研究総長表彰
    武次徹也
  • 2019年03月, The Chemical Society of Japan, 日本化学会学術賞
    第一原理計算に基づく電子励起状態反応素過程とダイナミクスの解明
    武次 徹也
■ 論文
■ その他活動・業績
■ 書籍等出版物
  • 密度汎関数法による量子化学計算 (KS化学専門書)
    常田貴夫; 武次徹也; 小林正人; 岩佐豪; Andrey Lyalin; 斉田謙一郎; 小野ゆり子; 堤拓朗; 和田諒; 赤間知子
    講談社, 2025年05月29日, 4065396786, 256, 日本語, 教科書・概説・概論, [共編者(共編著者)]
  • ケモインフォマティクスにおけるデータ収集の最適化と解析手法
    岩佐豪; 小林正人; 武次徹也, 第3章 第2節 計算化学研究におけるスパースモデリングの応用 pp 92-100
    技術情報協会, 2023年04月, 657, pp 92-100, 日本語, 学術書, [分担執筆]
  • 計算化学
    Jensen, Frank; 五十幡, 康弘; 内田, 希; 神谷, 宗明; 北, 幸海; 小林, 正人 (物理化学); 佐藤, 啓文; 重田, 育照; 砂賀, 彩光; 武次, 徹也; 常田, 貴夫; 長谷川, 淳也; 波田, 雅彦; 森, 聖治; 後藤, 仁志; 立川, 仁典; 長嶋, 雲兵
    森北出版, 2023年03月, 9784627242333, xx, 882p, 日本語
  • Time-Dependent Density Functional Theory: Nonadiabatic Molecular Dynamics
    Tetsuya Taketsugu; Takuro Tsutsumi; Yu Harabuchi; Takao Tsuneda, Chapter 2. On-the-fly excited-state molecular dynamics study based on spin-flip TDDFT approach: photo-branching reaction of stilbene and stilbene derivatives, pp39-73
    Jenny Stanford Publishing, 2022年12月29日, 9814968420, 504, pp39-73, 英語, 学術書, [査読有り], [分担執筆]
  • Spectroscopy and Computation of Hydrogen-Bonded Systems
    Tetsuya Taketsugu; Yusuke Ootani, chapter 3. Trajectory on-the-fly Molecular Dynamics Approach to Tunneling Splitting in the Electronic Ground and Excited States, pp65-80
    Wiley-VCH, 2022年12月27日, 3527349723, 544, pp65-80, 英語, 学術書, [査読有り], [分担執筆]
  • 化学便覧 基礎編 改訂6版
    武次徹也; 小林正人, 「理論化学,計算化学,情報化学」17章2.3節 化学反応
    丸善出版, 2021年01月, 9784621305218, xviii, 1509p, pp1276-1278, 日本語, 事典・辞書, [査読有り], [分担執筆]
  • 触媒の劣化対策、長寿命化
    武次徹也; Andrey Lyalin, 第12章 触媒の貴金属低減化、貴金属フリー技術 第6節 新電極触媒BN/Au:理論提案から実験実証へ
    技術情報協会, 2020年11月, 9784861048142, 579p, pp 571-579, 日本語, 学術書, [分担執筆]
  • 化学 : 物質の構造と性質を理解する
    新しい化学教育研究会, 第3章 化学結合と分子構造
    学術図書出版社, 2019年04月, 9784780607635, iv, 333p, 日本語, [共著]
  • Frontiers of Quantum Chemistry
    Tetsuya Taketsugu; Yu Harabuchi, Ab initio molecular dynamics study on photoisomerization reactions: Applications to azobenzene and stilbene
    Springer, 2017年, pp431-453, [分担執筆]
  • 新版 すぐできる 量子化学計算ビギナーズマニュアル (KS化学専門書)
    武次徹也; 平尾公彦
    講談社サイエンティフィク, 2015年03月, 4061543881, 224, 日本語, 学術書, [編者(編著者)]
  • π-Stacked Polymers and Molecules: Theory, Synthesis, and Properties
    Takao Tsuneda; Tetsuya Taketsugu, π-Stacking on Density Functional Theory: A review
    Springer, 2013年, pp 245-270, [分担執筆]
  • Advances in Quantum Monte Carlo
    Akira Nakayama; Tetsuya Taketsugu, Chapter 3. Enhancement of sampling efficiency in ab initio Monte Carlo simulations using an auxiliary potential energy surface
    ACS symposium series vol 1094, 2012年, pp 27-40, [分担執筆]
  • Hydrogen Bonding and Transfer in the Excited State
    Tetsuya Taketsugu; Daisuke Kina; Akira Nakayama; Takeshi Noro; Mark S. Gordon, QM/MM Study of Excited State Solvation Dynamics of Biomolecules
    Wiley, 2010年, pp. 579-588, [分担執筆]
  • すぐできる 量子化学計算ビギナーズマニュアル (KS化学専門書)
    武次 徹也; 平尾 公彦; 武次 徹也; 平尾 公彦
    講談社サイエンティフィク, 2006年04月, 406154330X, 236, 日本語, [編者(編著者)]
  • 早わかり分子軌道法 (化学サポートシリーズ)
    武次 徹也; 平尾 公彦
    裳華房, 2003年01月, 4785334096, 114, 日本語, [共著]
  • The Transition State: A Theoretical Approach
    Tetsuya Taketsugu; Kimihiko Hirao, 3. Molecular Symmetry and Transition State
    Kodansha-Gordon and Breach Science Publishers, 1999年, pp45-63, [分担執筆]
  • Theory of Chemical Reaction in terms of Normal Modes of Vibration
    武次徹也
    学位論文(東京大学), 1994年03月, [単著]
  • 分子軌道法MOPACガイドブック”第2版
    武次 徹也, 10章.遷移状態の計算法とキーワード SADDLE,NLLSQ,TS 等の使用法
    海文堂, 1994年, pp187-203, [分担執筆]
■ 講演・口頭発表等
  • Theoretical suggestion and experimental proof for functionalization of h-BN by gold as electrocatalysts for ORR and HER
    Tetsuya Taketsugu; Andrey Lyalin; Min Gao; Kohei Uosaki
    256th ACS National Meeting "Fundamental Understanding of Catalysis at Interface through Computational Approach", 2018年08月19日, 英語, 口頭発表(招待・特別)
    Boston, [招待講演], [国際会議]
  • Reaction Path Concept in Quantum Chemistry and Dynamics Effects
    TAKETSUGU Tetsuya
    Geometry of Chemical Reaction Dynamics in Gas and Condensed Phases, TSRC workshop, 2018年07月17日, 英語, 口頭発表(招待・特別)
    Telluride, [招待講演], [国際会議]
  • Dynamic Reaction Routes beyond the IRC network
    TAKETSUGU Tetsuya
    7th JCS SYMPOSIUM (Quantum chemistry, from methodology to applications in organic, inorganic, biochemistry and material sciences), 2018年05月21日, 英語, 口頭発表(招待・特別)
    PRAGUE, [招待講演], [国際会議]
  • 理論と実験のインタープレイから生まれた新しい触媒:BN/Au
    武次徹也; Andrey Lyalin; Min Gao; 魚崎浩平
    ワークショップ「理論と実験の融合による高難度物質変換の反応機構解明にむけて」, 2018年05月11日, 日本語, 口頭発表(招待・特別)
    札幌, [招待講演], [国内会議]
  • 固有反応座標と動力学効果
    武次徹也
    ワークショップ 「複合系の理論化学・計算化学:最近の研究状況と展望」, 2018年04月21日, 日本語, 口頭発表(招待・特別)
    京都, [招待講演], [国内会議]
  • Theoretical study of reactivity of gold clusters: Structural effects and support effects
    Tetsuya Taketsugu
    APS March Meeting "Nano and sub-nano clusters as the smallest and highly-tunable interfaces", 2018年03月05日, 英語, 口頭発表(招待・特別)
    Los Angels, [招待講演], [国際会議]
  • 理論計算による未知触媒開発と未知反応機構解明
    武次徹也
    計算材料学センター セミナーシリーズ スパコンプロフェッショナル No.11, 2018年02月23日, 日本語, 口頭発表(招待・特別)
    仙台, [招待講演], [国内会議]
  • 量子化学研究の最新の展開:振動状態理論・反応経路網・ダイナミクス
    武次徹也
    2017 年度「物質階層原理研究」研究報告会, 2018年02月13日, 日本語, 口頭発表(招待・特別)
    和光, [招待講演], [国内会議]
  • Theoretically inspired new catalyst: boron nitride with gold
    TAKETSUGU Tetsuya
    2018 Mesilla Chemistry Workshop on Interplay between Theory and Experiment in Nanocatalysis, 2018年02月04日, 英語, 口頭発表(招待・特別)
    Mesilla, [招待講演], [国際会議]
  • 元素戦略にもとづく触媒開発研究 ~理論計算と実験実証のインタープレイ~
    武次徹也
    スーパーコンピュータワークショップ2017「機能性材料設計への最新の計算科学アプローチ」, 2018年01月23日, 日本語, 口頭発表(招待・特別)
    東岡崎, [招待講演], [国内会議]
  • 隠れた反応経路 - 固有反応座標を超えて
    武次徹也
    化学科主催研究会「お茶の水女子大学の理論化学と計算化学」, 2017年12月23日, 日本語, 口頭発表(招待・特別)
    茗荷谷, [招待講演], [国内会議]
  • 解離性再結合反応の 第一原理分子動力学シミュレーション
    武次徹也
    宇宙生命計算科学連携拠点第 3 回ワークショップ, 2017年11月20日, 日本語, 口頭発表(招待・特別)
    筑波, [招待講演], [国内会議]
  • 北大理論化学グループの元素戦略プロジェクト:これまでの成果と今後の計画
    武次徹也; 岩佐豪; 高敏; 小林正人; 前田理; 中山哲; Andrey Lyalin; Raman Singh
    ESICB電子論 second kick-off会議, 2017年11月13日, 日本語, 口頭発表(招待・特別)
    京都, [招待講演], [国内会議]
  • Theoretical Suggestion and Experimental Proof for Novel Catalyst: Boron Nitride with Gold
    TAKETSUGU Tetsuya
    The 2017 International Conference on Functional Carbons (ICFC), 2017年11月01日, 英語, 口頭発表(招待・特別)
    Taipei, [招待講演], [国際会議]
  • Reaction-path bifurcation analyses based on Valley-Ridge transition and global reaction route mapping
    Tetsuya Taketsugu; Yu Harabuchi; Yuriko Ono; Takuro Tsutsumi; Satoshi Maeda
    The 11th Triennial Congress of the World Association of Theoretical and Computational Chemists (WATOC 2017), 2017年08月27日, 英語, 口頭発表(一般)
    Munich, [国際会議]
  • Computational approach to design of non-platinum catalyst for oxygen reduction reaction: boron nitride with gold
    Tetsuya Taketsugu; Andrey Lyalin; Min Gao; Kohei Uosaki
    The 21st International Annual Symposium on Computational Science and Engineering (ANSCSE21), 2017年08月03日, 英語, 口頭発表(招待・特別)
    Pathum Thani, Thailand, [招待講演], [国際会議]
  • A Hidden Feature in Static Intrinsic Reaction Coordinate Analysis: Bifurcation
    TAKETSUGU Tetsuya
    3rd Japan-Thai workshop on Theoretical and Computational Chemistry 2017, 2017年07月14日, 英語, 口頭発表(招待・特別)
    Yokohama, [招待講演], [国際会議]
  • Theoretical approach to reaction-path bifurcation
    TAKETSUGU Tetsuya
    INTERNATIONAL SYMPOSIUM ON PURE & APPLIED CHEMISTRY (ISPAC) 2017, 2017年06月08日, 英語, 口頭発表(招待・特別)
    Ho Chi Minh, Vietnam, [招待講演], [国際会議]
  • AIMD study on pipi*-excited substituted-stilbene
    Tetsuya Taketsugu; Rina Yamamoto; Takuro Tsutsumi; Yu Harabuchi; Satoshi Maeda
    57th Sanibel Symposium, 2017年02月19日, 英語, ポスター発表
    St. Simons Island, [国際会議]
  • Ab initio MD study of branching reactions in the excited-state potential energy surface
    武次 徹也
    GAMESS7557 Meeting, 2017年01月15日, 英語, 口頭発表(招待・特別)
    Kauai, [招待講演], [国際会議]
  • 反応経路自動探索法の金属クラスター触媒への応用と表面触媒反応への展開
    武次徹也; 前田 理; 岩佐 豪; 小林正人; 高 敏; 中山 哲; Andrey Lyalin
    ESICB触媒検討会, 2017年01月12日, 日本語, 口頭発表(招待・特別)
    京都, [招待講演], [国内会議]
  • 理論計算が拓く非白金燃料電池触媒探索の試み
    武次徹也
    ポスト「京」重点課題5 「エネルギーの高効率な創出,変換・貯蔵,利用の新規基盤技術の開発」第3回公開シンポジウム, 2016年12月15日, 日本語, 口頭発表(招待・特別)
    東京, [招待講演], [国内会議]
  • 触媒開発に理論化学は役に立つか? 未知触媒と未知反応機構へのアプローチ
    武次徹也
    住友化学講演会, 2016年12月08日, 日本語, 公開講演,セミナー,チュートリアル,講習,講義等
    千葉, [招待講演], [国内会議]
  • Ab Initio Approach to Photoreaction Dynamics
    TAKETSUGU Tetsuya
    Thai-Japan Symposium in Chemistry, 2016年11月15日, 英語, 口頭発表(招待・特別)
    Chiang Mai, [招待講演], [国際会議]
  • On-the-fly dynamics study on the photoisomerization mechanism of stilbene and its derivative
    TAKETSUGU Tetsuya
    Japan-France-Spain Joint-Symposium on Theoretical and Computational Science of Complex Systems, 2016年10月26日, 英語, 口頭発表(招待・特別)
    Kyoto, [招待講演], [国際会議]
  • Theoretical study of substituent effects on excited-state dynamics of stilbene
    TAKETSUGU Tetsuya
    2nd Japan-Thai workshop on Theoretical and Computational Chemistry 2016, 2016年09月21日, 英語, 口頭発表(招待・特別)
    Yokohama, [招待講演], [国際会議]
  • 反応経路分岐の理論化学
    武次徹也
    有機反応機構研究会, 2016年09月05日, 日本語, 口頭発表(招待・特別)
    長崎, [招待講演], [国内会議]
  • Ab initio study of photo-isomerization reaction dynamics
    TAKETSUGU Tetsuya
    INTERNATIONAL SYMPOSIUM ON PURE & APPLIED CHEMISTRY (ISPAC) 2016, 2016年08月16日, 英語, 口頭発表(招待・特別)
    Kuching, Malaysia, [招待講演], [国際会議]
■ 主な担当授業
  • 計算機実習, 2024年, 学士課程, 総合教育部
  • 実践的計算化学, 2024年, 修士課程, 総合化学院
  • 化学特別講義Ⅱ, 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
  • 物理化学Ⅰ, 2024年, 学士課程, 理学部
  • 計算機実習, 2024年, 学士課程, 理学部
  • 化学特別講義Ⅱ, 2024年, 学士課程, 理学部
■ 所属学協会
  • 理論化学会
  • American Chemical Society
  • 分子科学会
  • 日本化学会
■ 共同研究・競争的資金等の研究課題
  • 超原子マテリアルの理論化学解析
    科学研究費助成事業
    2026年04月01日 - 2031年03月31日
    武次 徹也; 岩佐 豪
    日本学術振興会, 学術変革領域研究(A), 北海道大学, 26H00397
  • 経路分岐概念の反応経路地図への導入と反応制御の試み
    科学研究費助成事業
    2016年07月19日 - 2019年03月31日
    武次 徹也; 前田 理
    固有反応座標(IRC)は素反応を表す静的反応経路として定義されるが、反応経路に直交する方向に関するポテンシャルの曲率が正から負に変化し、反応経路の分岐が起こる場合がある。本研究では、金5量体を例として非調和下方歪追跡法とIRC計算によりグローバルな反応経路地図を生成し、経路分岐が起こる条件や頻度を調べ、さらにAIMD計算により動力学効果や分岐比についても議論を行い、化学反応における分岐反応の重要性を明らかにした。谷-尾根遷移点の構造には構造が類似する遷移状態構造が存在していることを示した。
    日本学術振興会, 基盤研究(B), 北海道大学, 16KT0047
  • 時間分解分子軌道分光による光化学反応における非断熱遷移の研究
    科学研究費助成事業
    2015年04月01日 - 2018年03月31日
    関川 太郎; 武次 徹也; 飯窪 亮; 天宅 建晴; 荒木 孝太郎; 跡部 龍之介
    これまでの1,3-butadiene(BD)の励起状態における構造に関する知見に基づき,立体効果もしくは質量効果により励起緩和経路を制御することを目的とし,BDの末端水素原子をメチル基(-CH3)により置換した,1,3-pentadiene(PD)及び2,5-dimethyl-2,4-hexadiene(DH)の光励起緩和ダイナミクスを観測した.励起緩和後のDHの光電子スペクトルのみが大きく変化した.
    理論計算によると,DHの円錐交差での構造は,立体障害のため他の二つと大きく異なる.そのため,基底状態緩和後,励起された分子振動が異なる.相互作用モードの違いによりスペクトルが異なると考えられる.
    日本学術振興会, 基盤研究(B), 北海道大学, 15H03702
  • 複合的因子を考慮した励起反応ダイナミクスの理論研究
    科学研究費助成事業
    2014年04月01日 - 2017年03月31日
    武次 徹也; 前田 理; 中山 哲
    30原子サイズの実在分子の非断熱領域を含む励起反応ダイナミクスに対し、第一原理シミュレーションを行う理論手法としてスピン反転時間依存密度汎関数法に着目し、複数の電子状態から対象となる電子状態を追跡する手法を導入してダイナミクス計算を可能にした。最先端のレーザー分光実験研究と連携し、スチルベンおよびその誘導体の光異性化反応、さらに1,2-ブタジエンの光励起失活過程について反応機構とダイナミクスを解明し、実験だけでは理解が困難な反応収率、励起寿命、失活後の分子運動などを説明することに成功した。
    日本学術振興会, 基盤研究(B), 北海道大学, 26288001
  • マトリックス単離-振動スペクトルの第一原理シミュレーション
    科学研究費補助金(挑戦的萌芽研究)
    2011年 - 2012年
    武次 徹也
    不安定分子種の分光定数を測定する手段として「希ガスマトリックス単離法」が広く利用されている。この手法では「希ガスの影響は無視できる」と仮定されているが、近年、対象分子種に対して希ガス原子が特異的に結合を形成する例がいくつか報告され、マトリックス単離法による分光データを見直す必要が生じている。希ガス化合物の高精度ab initio電子状態計算に基づく分光定数の決定は数多くなされているが、周囲のマトリックスの影響も考慮した計算報告例はほとんどない。たとえばBeOは希ガス原子と強く結合し、希ガス複合体RgBeOを形成することが報告されている。複合体形成によりBeOの伸縮振動スペクトルは大きくブルーシフトすることが量子化学計算により予測されているが、このシフト量はマトリックス中で観測されるシフト量に対してかなり大きい。本研究では、XeまたはArマトリックス中でのBeOの振動数について希ガス複合体形成と周囲のマトリックス環境が振動数に与える影響を定量的に議論するために、周囲の希ガス原子を古典的に扱った量子古典混合ハミルトニアンを定義し、モンテカルロシミュレーションを行った。BeOはBe側に一つの希ガス原子と特異的に強く結合するため、RgBeOの分子内振動を量子自由度とし、ポテンシャルはCCSD(T)法により求め、量子自由度を含む項については基準座標を用いたPO-DVR法によりマトリック...
    文部科学省, 挑戦的萌芽研究, 北海道大学, 研究代表者, 競争的資金, 23655001
  • 金ナノ粒子の触媒活性に関する理論的研究
    科学研究費助成事業
    2010年 - 2012年
    リャーリン アンドレイ; 武次 徹也
    金ナノクラスターの触媒活性について、DFT計算に基づき、サイズ依存性、担体効果に着目した理論研究を行った。金クラスター触媒を用いた酸素分子によるエチレンの酸化反応について、反応分子が共吸着することにより酸素分子がより活性化される共吸着効果を見出した。担体効果については、不活性なh-BN担体であっても、担持した金原子に吸着した酸素分子が電子押し出し効果により活性化される機構を明らかにした。また、h-BN単層自体に窒素ドープすることで酸素還元反応触媒として活性が生じることを示した。活性なTiO2に担持された金クラスター上での水素解離反応過程を計算し、触媒活性が金クラスターと担体の境界の周に沿った長さに比例することを示した。
    日本学術振興会, 基盤研究(C), 北海道大学, 22550001
  • 第一原理反応動力学の多角的展開と汎用プログラムの開発
    科学研究費補助金(基盤研究(B))
    2009年 - 2011年
    武次 徹也; 野呂 武司; 中山 哲
    本課題では、動力学の手法に電子状態計算手法を融合させ、モデル系ではなく実在系の反応ダイナミクスをシミュレートする「第一原理反応動力学法」を確立することを目的として研究を進めている。本年度は、非断熱遷移を考慮したAIMD法を光異性化反応(スチルベン、アゾベンゼン)、光解離反応(CH3I)、DNA塩基(シトシン)の光安定性の検証へと適用し、反応機構、状態遷移機構を解明し、生成物の分岐比、励起寿命、エネルギー分布において実験値と良い一致を得ることに成功した。また、反応にそれほど関与しないと考えられる自由度を固定して分子動力学計算を行うRATTLE法をAIMDコードに実装し、タイムステップを長めにとることでコスト削減を実現した。さらにQM/MM法をAIMDコードに実装し、7-azaindole、Coumarinl51の溶液内励起緩和過程のダイナミクスへと適用し、緩和機構に関する知見を得た。また、生体分子で重要な役割を果たす励起プロトン移動で重要となるトンネル効果を議論する手法を構築するため、MakriとMillerが提案したWKB近似に基づく半古典法をAIMDコードに実装し、テスト計算として電子基底状態におけるマロンアルデヒドの分子内プロトン移動反応へと適用した。マロンアルデヒドの分子内プロトン移動反応におけるIRCは遷移状態前後で大きく曲がることが知られており、自由度間に過剰なエネ...
    文部科学省, 基盤研究(B), 北海道大学, 研究代表者, 競争的資金, 21350002
  • 希ガスマトリックス効果を考慮した凝縮系振動スペクトルシミュレーションの理論開発
    科学研究費補助金(萌芽研究, 挑戦的萌芽研究)
    2008年 - 2009年
    武次 徹也; 野呂 武司; 中山 哲
    本研究では、量子化学計算手法を凝縮系のダイナミクスに実装し、不安定分子種の分光定数を測定する手段として長らく利用されてきた「希ガスマトリックス単離法」を理論的にシミュレートする方法論を開発することを目的として研究を進めてきた。あわせて、希ガスマトリックス分光法で測定された実験データの中に希ガス化合物に帰すべきものが含まれていないか、高精度理論計算に基づき調べている。本年度は(1)キセノンとグラフェンの相互作用に関する高精度計算、(2)Ar-PtCO、Ar-PdCOの高精度分光定数予測、(3)希ガスマトリックス振動スペクトルシミュレーションプログラムの開発とキセノンマトリックス中に単離されたXe-BeOの振動スペクトルへの適用を行った。ここでは、すでに論文で報告を行った(2)について概要を述べる。モノカルボニル化合物PtCO,PdCOについてはArマトリックス中で測定された振動数が報告されているが、特に変角振動の振動数について、理論計算で得られる調和振動数と実験値との間に二倍ほどのずれがあった。他研究グループの論文では、何らかの理由で実験では倍音が測定されたのでは、と議論されていたが、その根拠についてはフェルミ共鳴の可能性が指摘されるのみで、解決には至っていなかった。本研究では、ArがPtCO,PdCOに10kcal/molのオーダーの結合エネルギーで付着し、変角モードの振動数...
    文部科学省, 萌芽研究, 挑戦的萌芽研究, 北海道大学, 研究代表者, 競争的資金, 20655001
  • 励起状態反応ダイナミックスと光化学への応用
    科学研究費補助金(特定領域研究)
    2006年 - 2009年
    武次 徹也; 野呂 武司; 中山 哲
    多配置波動関数に基づく、電子励起状態に適用可能な非断熱遷移を実装したab initio分子動力学プログラムを完成させ、アゾベンゼンやスチルベンの光異性化反応、星間分子の解離性再結合反応、7アザインドールの励起プロトン移動、クマリン151の溶液内光反応へと適用して、反応分岐比、量子収率、反応経路、励起寿命の解明を行った。
    文部科学省, 特定領域研究, 北海道大学, 研究代表者, 競争的資金, 18066001
  • 星間分子生成機構の解明にむけて:解離性再結合反応の第一原理シミュレーション
    科学研究費補助金(基盤研究(B))
    2006年 - 2008年
    武次 徹也
    電子励起状態に適用可能な、Tullyの状態遷移アルゴリズムを実装したabinitio分子動力学プログラムを開発し、星間分子の解離性再結合反応HCNH+, H_3O^+, HD_2O^+, CH_3^+, (H_2O)_2H^+へと適用して、解離生成物の分岐比、動的反応経路、反応ダイナミクスの解明を行った。
    文部科学省, 基盤研究(B), 北海道大学, 研究代表者, 競争的資金, 18350001
  • カチオン-π相互作用による立体配座制御を基盤とする不斉合成反応の多面的展開
    科学研究費助成事業
    2005年 - 2008年
    山田 眞二; 武次 徹也; 矢島 知子
    ピリジニウム環とアリール基との分子内カチオンーπ相互作用が様々な有機分子の立体配座制御に有効であることを見出し、置換ジヒドロピリジン類およびシクロプロパン類の立体選択的合成に有効であることを実証した. さらに、本相互作用を分子間に拡張することで、溶液および固相におけるアルケン類の[2+2]付加環化反応が、高い選択性でsynHT 体を与えることを見出し、カチオンーπ相互作用が分子間の立体選択的反応においても有効であることを明らかにした.
    日本学術振興会, 基盤研究(B), お茶の水女子大学, 17350046
  • 水分子クラスターにおけるトンネル効果の理論的研究
    科学研究費補助金(若手研究(B))
    2002年 - 2003年
    武次 徹也
    水分子二量体・三量体において有効分子対称群を考えると、最安定構造に対する同種核置換異性体はそれぞれ8個、48個あり、各異性体をつなぐ反応経路は二量体で3種類(acceptor tunneling, acceptor-donor interchange, donor tunneling)、三量体で2種類(single flip, bifurcation tunneling)あることがわかっている。各水分子クラスターにおけるトンネル効果を理論の立場から定量的に調べるため、MP2, CCSD(T)/aug-cc-pVXZ(X=D,T)レベルの電子状態計算により最安定構造および各反応の遷移状態構造を求め、結合エネルギー、活性化エネルギーを比較したところ、MP2/aug-cc-pVTZレベルで十分精度良い結果が得られることがわかった。対象とする系が分子間力である水素結合を伴う系であることを考慮して、結合エネルギーおよび分子構造についてはcounterpoise法による基底関数重ね合せ誤差(BSSE)の補正をした計算も行ったが、電子相関を考慮した方法においてはBSSEの補正はむしろ行わない方が基底関数の大きさに関して良い収斂が得られることがわかった。次に、各異性体をつなぐ反応に対し、MP2レベルで決定した固有反応経路をトンネル経路と近似し、半古典論に基づいてトンネル相互作用項の大きさをそ...
    文部科学省, 若手研究(B), お茶の水女子大学, 研究代表者, 競争的資金, 14740325
  • 内挿法によるabinitioポテンシャル曲面の生成とダイナミックスへの応用
    科学研究費補助金(特定領域研究(A))
    2000年 - 2001年
    武次 徹也
    本申請課題では、内挿法によるab initioポテンシャル曲面(PES)生成法の一般化を行い、動力学の諸問題に応用することを目的とした研究を行った。まず、1994年にCollinsらによって提案された修正Shepard内挿法に基づくPESの生成法を、デカルト座標に基づいて定式化することにより一般の多原子分子系に適用できる形に拡張することに成功した。本方法を、(1)マロンアルデヒドの分子内水素移動反応・蟻酸二量体の分子間二重水素移動反応における多次元トンネル動力学、(2)水、ホルムアルデヒド分子の振動-回転エネルギー準位の予測、の2つの動力学の問題に応用した。以下順次成果を述べる:(1)反応経路が大きく曲がるためにトンネル効果を定量的に見積もることが困難な系として知られているマロンアルデヒドの分子内水素移動反応に対して全21自由度を含んだab initioポテンシャル曲面を作成し、Millerのモデルを適用してトンネル効果によるエネルギー分裂を評価したところ、実験値を非常に精度よく再現することができた。蟻酸二量体の分子間二重水素移動反応(24自由度)についても、同様にしてPESを作成し、simulationを行うことにより、トンネル分裂を定量的に見積もることができた。(2)振動-回転エネルギー準位を理論予測する振動SCF法にdirectに電子状態計算を組み合わせたdirect ...
    文部科学省, 特定領域研究(A), お茶の水女子大学, 研究代表者, 競争的資金, 12042228
  • 大規模分子系のab initio分子軌道プログラムの開発
    科学研究費助成事業
    1998年 - 2000年
    平尾 公彦; 武次 徹也; 中嶋 隆人; 中野 晴之
    本研究では、1000原子に至る大規模分子系の電子状態、分子構造などを十分な精度を持って、しかも、高速に決定することのできるようなab initio分子軌道法のプログラムの開発を目的とした。
    このような大規模系の分子軌道プログラムを開発する際には、計算手法・計算アルゴリズムにおける新たな方法の創出とそれを計算機上で実現する段階における新たな技術の創出の双方が必要である。
    計算手法・計算アルゴリズムにおける新たな方法の創出の観点では、特に、1.新しいab initio分子軌道理論、特に、多参照を基礎とした摂動論の開発、2.相対論的効果を含む分子理論の開発、3.密度汎関数理論における交換・相関汎関数の開発、について集中的に研究を行った。局在化軌道を用いたMRMP法、CASCI参照のMRMP法、多配置SCFの新たな方法QCAS-SCF法、QCAS-SCF参照の摂動論QCAS-QDPTの開発、RESC法、3次のDouglas-Kroll法、Dirac-Hartree-Fock,Dirac-Kohn-Sham法の高速スキーム、相対論的モデル・ポテンシャル、パラメータ・フリー交換汎関数、One-parameter-progressive相関汎関数の開発、などの成果を挙げることができた。
    また、計算機上で実現する段階における新たな技術の創出の観点では、高速積分法を基礎とした分子積分プログラムSphericaの開発からはじまり、Hartree-Fock法、Kohn-Sham法、および、上に述べたDirac-Hartree-Fock,Dirac-Kohn-Sham法の高速計算スキームをもとに、そのプログラムを完成させることができた。これらのプログラムは、単に従来の計算法をコードしたものではなく、分子積分にまでさかのぼって計算の最適スキームを探索した結果得られた新たな技術によるものである。
    日本学術振興会, 基盤研究(B), 東京大学, 10555298
  • 多原子分子反応におけるトンネル経路モデルの開発
    科学研究費補助金(奨励研究(A))
    1998年 - 1999年
    武次 徹也
    本課題では多原子分子反応にも適用可能な半古典トンネルモデルの定式化を目的として研究を行った。初年度は、Truhlarらが2次元共線形に対して定式化した「最小作用原理に基づくトンネル経路モデル」の多次元系への一般化を試みた。彼らのモデルでは、経路に沿った虚の作用積分を最小にするために最小エネルギー経路(MEP)と最短移動経路(LMP)の重み付き平均として一群の経路を定義し、その重みを変分パラメーターとして作用積分の最小値を与える経路をトンネル経路とする。我々は、反応経路の接線・曲率ベクトルで決まる2次元の座標空間を局所的反応平面と定義してMEPに沿った変化を調べ、経路が大きく曲がる領域で反応平面は安定であること、MEP全体を反応平面のねじれに基づきいくつかの領域に分割できることを見い出した。この幾何学的性質を利用し、まず反応経路をねじれに基づいて安定な反応平面を持ついくつかの断片に分割し、各領域で局所的なLMPとMEPとを加重平均して一群の経路を発生させ、経路群の中で最小作用を与える経路をその領域におけるトンネル経路とし、各領域の局所トンネル経路を合成して全トンネル経路とする方法を提案した。この方法をheavy-light-heavy系であるNH_3+OH→NH_2+H_2Oに適用し、MEPより大きなトンネル確率を与える最適なトンネル経路を決定することが出来た。また、本トンネル...
    文部科学省, 奨励研究(A), 東京大学->お茶の水女子大学, 研究代表者, 競争的資金, 10740266
  • 光生体反応の理論的解明
    科学研究費助成事業
    1997年 - 1998年
    平尾 公彦; 武次 徹也; 中野 晴之
    本研究を通してMultireference Moeller-Plesset法を実用的に確立し、これまでab initio分子軌道法では取り扱うことが困難であった大きな分子系の励起状態を高い精度でしかも比較的簡単に計算できることを明らかにした。
    ベンゼンからテトラセンまでのn-n^*励起状態に計算し、理論計算の精度を確認するとともに、これまで議論のあったスペクトルを同定し、ポリアセンの励起状態の一般的傾向を明らかにした。また、Pairing Propertyにより、励起状態を共有結合型とイオン結合型に分類し、2つのタイプの励起状態ではその性質が異なり、電子相関効果も大きく異なることを示すとともに、遷移モーメントの出現機構を理論的に解明した。これを利用してポルフェリン(フリーベース、金属ポルフェリン)の可視部から近紫外部に現れる弱い吸収強度のQ-バンドの理論的研究を行った。ポルフェリン電子構造を解析し、ポルフェリン骨格がナフタセンと類似の交互炭化水素系であること、Pairing PropertiesからQ-バンドの吸収強度が弱いのはPseudoparity禁制のためであること、Q-バンドの強度を強くするにはPseudoparity対称性を破ればよいことを明らかにした。この理論的解析に基づき、ポルフェリン骨格への化学的修飾(ビロールの還元、アゾ化、ポルフェリンの中心に金属の導入など)を利用してPseudoparity対称性を破り、Q-バンドの吸収波長や吸収強度がいかにして制御できるかを理論的に予測した。現在、レチナール等の励起状態の研究を継続中である。
    その他に、分子積分の新しいアルゴリズムを開発し、プログラムを作成した。このアルゴリズムは現在、世界最速である。また、密度汎関数法の新しい相関汎関数(OP)を提唱した。OPはただ1つのパラメータを含む簡単な形にも拘わらず、厳密な相関汎関数の満たすべき条件全て満足する汎関数であり、数値的にもこれまで提唱されている汎関数の精度を凌ぐものである。さらに、重原子を含む系を取り扱うために、新しい相対理論、RESCを提唱した。
    日本学術振興会, 基盤研究(B), 東京大学, 09450314
  • 固体表面での吸着反応に関する理論的研究
    科学研究費助成事業
    1997年 - 1997年
    平尾 公彦; 武次 徹也; 中野 晴之; 山下 晃一
    平成9年度は、H交換ゼオライト触媒上のメタノール->ガソリン転化反応(MTG法)、Cu交換ゼオライト触媒上のNO分解反応、金属表面上のメタンの光分解反応に関して研究を行った。
    MTG法に関しては、我々は、特に多くの異論の唱えられてきた、炭素-炭素結合生成のメカニズムに着目し、量子化学計算に基づき反応経路の決定を試みた。その結果、ゼオライト表面上のメトキシ基とメタノールとの間の反応により、ホルムアルデヒドとメタン、エタノールを経て、エチレンに至る反応経路が最も優位であるとの結果を得た。この反応経路は生成化合物の推移などに関する実験観測との整合性も高く、このことに鑑みて実際に可能な経路の一つであろうと結論した。NO分解反応に関しても、反応経路の決定を行い、ゼオライトの触媒効果に関して考察した。銅イオンに比べて銅原子上では反応障壁が非常に低いことが計算の結果明らかとなり、ゼオライトの触媒効果が、原子状の銅を分散担持することに有るのでは無いかと示唆することができた。メタンの光分解反応に関しては、Pt,Ni,Pd金属表面のモデルとして原子10個程度のクラスターを用いて励起状態を計算し、それぞれの状態の分子軌道論理論的抽象およびポテンシャルエネルギー曲面の解析を行った。メタンの結合解離を導く励起状態が、基底状態の平衡構造においては、金属表面ではなく局所的にメタンを励起したものであることに基づき、光分解が直接励起によるものであることを明らかにした。またこの状態が金属表面との相互作用によりエネルギー的に大きく安定化することなどの実験事実を説明できることも確認できた。
    日本学術振興会, 重点領域研究, 東京大学, 09218213
  • 理論化学における時間依存アプローチに関する共同研究
    科学研究費助成事業
    1996年 - 1997年
    平尾 公彦; CEDERBAUM Lo; HANDY Nichol; 武次 徹也; 中野 晴之; 山下 晃一; LOERNZ Ceder; NICHOLAS Han; 諸熊 奎治; CARBO Ramon
    本研究では、理論化学における緊急の課題として、時間に依存する現象を定量的に扱う理論的手法と分子設計、反応設計を可能にする大きな系の定量的計算法の確立をめざし、国内外の研究者との共同研究によって電子相関、電子-核相互作用における時間依存アプローチを新たに開発することを目的としている。特に、時間依存アプローチを行う上で非常に重要な要素である、化学反応のポテンシャルエネルギー曲面を、高精度かつ高速に構築する理論の開発、構築されたエネルギー曲面上での動的反応経路に基づく反応経路モデルの開発、電子-核相互作用を考慮した波束動力学法の開発を行い、これらの手法を現実の化学反応に適用することを主眼とする研究を行ってきた。Handy教授との共同研究では、時間依存密度汎関数法と電子相関を考慮した多配置摂動論のエネルギー微分法について新たな定式化を行い、同時にプログラムコードも開発した。これによって、エネルギー曲面の高精度かつ高速な構築が可能となった。また、並行して、多次元ポテンシャル面でのトンネル現象を扱う理論も提唱し、多原子化学反応に適用した。Carbo教授との共同研究では、ポテンシャルエネルギー曲面の高速な構築に不可欠な大次元ハミルトニアン行列の新しい対角化法を開発し、アルゴリズムの精度と速度について実証を行った。Cederbaum教授とは電子-核相互作用を考慮した波束法と動的反応経路に基づくポテンシャルエネルギー曲面の構築法の開発について共同研究を行うとともに、これまで開発した前述の手法を現実の化学反応に適用し、多原子分子の解離機構の解明、蛍光分光への応用等を行った。
    日本学術振興会, 国際学術研究, 東京大学, 08044063
  • 多自由度トンネル反応の素過程と波束ダイナミックス
    科学研究費助成事業
    1996年 - 1996年
    山下 晃一; 武次 徹也
    ポテンシャル障壁のトンネルは化学反応における重要な量子効果の一つである。特に低温域での化学反応の機構、速度、準安定状態の崩壊、分子分光スペクトルの解析等にトンネル現象の理解が不可欠である。そこで本研究では、(1)化学反応過程を反応座標モデルで記述し、経路積分法と量子波束法を導入した多自由度系での量子力学的計算法を新たに開発し、トンネル確率への多自由度の影響、トンネル領域における波束ダイナミックスとトンネル時間に対する多自由度の影響を明らかにすることを目的とした。また(2)量子クラスターのシミュレーションに必要なモンテ・カルロ経路積分法を新たに開発し、極低温凝縮系のトンネル現象の機構を明らかにすることを目的とした。凝縮系の分子動力学計算やモンテ・カルロ計算は、これまで一般的に古典系に対するものが普通であった。ところが量子クラスター、さらには超流動相ヘリウムの場合には多自由度系での量子力学的計算を行う必要が生じる。絶対ゼロ度での量子シミュレーションには量子モンテカルロ法などが用いられるが、ここでは有限温度の量子クラスターのシミュレーションに必要なモンテ・カルロ経路積分法を新たに開発した。具体的応用として、最近、理研の笠井、高見らが極低温液体ヘリウム中にナフタレン分子を注入することに成功し、電子スペクトルを観測した系を取り上げ、ナフタレン分子をドープした量子ヘリウムクラスターの構造を理論的に検討した。
    日本学術振興会, 重点領域研究, 東京大学, 08240212
  • Pt表面でのNO吸着特性と直接分解反応に関する理論的研究
    科学研究費助成事業
    1996年 - 1996年
    平尾 公彦; 武次 徹也; 中野 晴之; 山下 晃一
    本年度は、ab initio分子軌道法と密度汎関数法を併用し、Pt(111)表面におけるメタンの光解離反応、H型ゼオライト上の水分子の吸着およびプロトン交換反応、に対して理論的研究を行った。気相のメタンを解離させるには185nm以下の波長の光が必要がであるが、最近、Pt表面に物理吸着したメタンは193nmの光を照射することによってメチルラジカルと水素原子に解離することが実験により見い出された。本研究では、Pt表面をクラスターで近似し、密度汎函数法およびCASSCF法による計算を行なって、(1)メタンはontop構造で表面から3.00Å離れて物理吸着すること、(2)単分子の励起状態から約3eVシフトしたcharge transfer型の励起状態がCH_3+Hへの解離を引き起こすこと、を明らかにした。今後は、同族のPd,Ni表面について同様の計算を行ない、反応性の違いを比較する予定である。ゼオライトの問題では、そのプロトン供与性による触媒能に関連し、H型ゼオライト上の活性点と水分子のプロトン交換反応を含む吸着状態を、特にオキソニュウム化合物の存否の観点から調べた。ゼオライト骨格はクラスターによってモデル化し、ゼオライト-H_2Oの錯体に対してHartree-Fock計算により2個の吸着構造(プロトン供与型および水素結合型)を求め、電子相関を考慮した2次摂動法計算によりこれらがほぼ等しい吸着エネルギーを与えることを明らかにした。一方で、平衡構造における調和振動数と実験の赤外吸収位置との比較においてプロトン供与型錯体では〜3600cm^<-1>の実測値に対応する計算値が現われない点で大きく異なることから、水素結合型の錯体が優位に形成されているとの結果を得た。このことは、実験によって示唆されている水素結合型の吸着を支持するものである。
    日本学術振興会, 重点領域研究, 東京大学, 08232218
  • 希土類錯体の電子状態や結合に関与するf-電子の役割りの理論的解明
    科学研究費助成事業
    1996年 - 1996年
    平尾 公彦; 武次 徹也; 中野 晴之
    本研究課題では、希土類錯体の電子状態や結合様式における4f電子の果たす役割を理論的に解明する事を目的とし、ab initio分子軌道法による理論計算を用いて諸問題に取り組んでいる。一連のランタニド三塩化物LnCl_3に対する理論計算により、f軌道への電子のつまり方に関して、これまでのs,p,d軌道のみを含む分子系の常識とは反した興味深い現象が見いだしてきた。7つのf軌道には電子はフント則に従って1つずつ詰まっていくが、7つのf軌道のすべてに電子が一つずつ詰まった後、8つ目の電子からは軌道エネルギーの高いf軌道から順に詰まっていく。本年度は錯体中の4f軌道の擬縮退の状態を解明し、それに基づいて上記の現象の理論的な解明に成功した。さらに、計算に際して配位子の基底関数におけるd分極関数の効果を確認し、その必要性を示唆した。加えて現在、ランタニド二核錯体Ln_2F_6の計算を行い、2組のf軌道の相互作用によるf軌道の分裂の様子や、それによってf軌道が結合へ参加する可能性、さらにf軌道が外部の分子に及ぼす化学的な影響の理論的解明を試みている。一方で、近年、O_h対称の構造をもつ6フッ化アニオンが安定に存在することが予測されていることに着目し、希土類多価負イオンLnF_6^(n=2,3)の存在を理論的に検討している。まず、すべての希土類元素に対してLnF_6^はOh対称の安定な分子構造を持ち、電子構造はLn=Gdではn=3、それ以外ではn=2で最安定であることを確認した。次いで、解離反応LnF_6^→LnF_5^<(n-1)>+F^-の反応障壁、反応熱を求めて、LnF_6^の安定性を考察した。一般には多価負イオンは解離に際してクーロンエネルギーの放出による発熱をともなう準安定分子であることが知られており、n=3の場合にはその反応障壁は10kcal/mol程度である。一方n=2の場合には、原系が生成系より安定に存在することを明らかにした。
    日本学術振興会, 重点領域研究, 東京大学, 08220213
  • 励起状態の反応ダイナミクス
    競争的資金
  • Direct dynamics on electronic excited states
    競争的資金