量子化学,計算化学とは?




 関山研究室の研究分野は,物質科学や生命科学の領域の中では量子化学(Quantum Chenistry)という分野に属するものです。化学という名前がついてはいますが、研究室には実験装置やガラス器具等はひとつもありません。ここでは、コンピューターを使って、量子力学の手法にもとづき分子の構造や化学反応に関する問題を理論的に明らかにしようとするものです。ここで対象とするものは,分子に限らず,生体物質などまで含む固体,液体等,かなり広い領域をカバーしています。この分野は,遠い昔(20世紀前半)には紙と鉛筆だけで行っていたこともありましたが,膨大な数値計算を必要とするため現在では高速のコンピューターが不可欠であり,このため計算化学(Computational Chemistry)と呼ぶことが少なくないようです。最近では特にパーソナルコンピューターの性能がめざましくよくなり,Macintosh(Mac OS)やDOS/V(Windows,Linux)等の身近に手に入るパソコン上でもこれらの計算は実用レベルで可能になりつつあります。また,最近急速に普及しつつあるWorld Wide Web も分子グラフィックスやデータベース等をはじめとした点から計算化学の世界を急速に変えつつあります。

 現在、関山研究室が最も精力的に手がけているテーマは、『弱い分子間相互作用をもつ分子クラスターに関する理論的研究』です。ここでは,星間に存在するとされている興味ある分子クラスターの構造や反応について調べようとしています。星間は極めて真空度が高く,また極低温の世界であるため,地球上では存在できない不安定な分子やラジカル等があり,興味ある物質の宝庫となっています。これらの分子の生成過程や構造について量子化学計算により調べています。さて,クラスターとは一般に原子や分子が2個から数百個集まって1つの集団を形成したものですが,しばしば,気体,液体および固体とは異なった反応性や物性を持っていることが,実験的に知られています。これらを量子化学的観点から理論的に解明することも今後の課題として計画しており,このことは新物質,新素材のコンピューター支援設計の点からも重要な課題の1つと言えます。

 また,もうひとつのテーマとして『遷移金属錯体の化学結合に関する理論的研究』でこれは、金属錯体中の金属ー配位子間の結合状態,特にd-orbitalの役割についてしらべるものです。金属錯体の化学結合については,d-orbital(d 軌道)の役割がまだはっきりしておらず,このためまだ理論的に統一的な説明がされていません。また金属錯体は触媒作用のような興味深い働きがあり,量子化学計算による触媒設計の点からも重要なテーマとなっています。

 以上,このような研究を日夜,研究室や本学情報センターのワークステーションおよびネットワークを介して分子科学研究所のスーパーコンピューターを利用しながら行ってる毎日です。
 21世紀には、コンピューターが分子構造や化学反応を深く理解するだけにどどまらず、まったく新しい機能を持つ分子の設計や材料設計が,実験に先んじてコンピューター上でできることも夢ではないかもしれません。


反応過程のシミュレーション (IRC 計算)の例
Diels-Alder反応(mov)

H2CO→H2 + CO(mov)


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