Quantum proton transfer in hydrated sulfuric acid clusters; A Perspective from semiempirical path integral simulations

硫酸水和クラスターの量子的プロトン移動; 半経験的経路積分シミュレーション

菅原 修一*; 吉川 武宏*; 高柳 敏幸*; 志賀 基之   ; 立川 仁典*

Sugawara, Shuichi*; Yoshikawa, Takehiro*; Takayanagi, Toshiyuki*; Shiga, Motoyuki; Tachikawa, Masanori*

本論文発表では、硫酸水和物クラスターにおけるイオン解離や水素結合交替プロセスを明らかにするため、量子的な経路積分分子動力学シミュレーションを行った成果について報告する。得られた成果は、クラスターサイズが大きくなるにつれ、硫酸の第1,第2脱プロトン化が起こりやすくなることがわかったほか、脱プロトン化過程の反応機構において、プロトン移動に関与する硫酸の酸素と水の酸素の間の距離が短くなるという知見である。これらの結果から、プロトンを受容する水の周りの配位数が重要な役割を担っていることが結論づけられる。本研究は、科学研究費補助金研究の一環として行われ、原子力材料物性シミュレーションの高度化手法を硫酸水和クラスターに応用することで得られた成果であり、基礎化学の発展に資する成果と位置付けられる。

We have carried out path integral molecular dynamics simulations for hydrated sulfuric acid clusters to understand acid-dissociation and hydrogen-bonded structural rearrangement processes in these clusters from a quantum mechanical viewpoint. We have found that the acid dissociation processes, first and second deprotonation, effectively occur in a hydrated cluster with a specific cluster size. The mechanisms of the proton-transfer processes were analyzed in detail and it was found that the distance between O in sulfuric acid and O in the proton-accepting water is playing an important role. We also found that the water coordination number of the proton-accepting water is important in the proton-transfer processes.