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報告書

Survey of computational methods of cross sections for thermal neutron scattering by liquids

市原 晃

JAEA-Review 2019-046, 36 Pages, 2020/03

JAEA-Review-2019-046.pdf:1.55MB

JENDL-4.0の改定に向けて、液体に対する熱中性子散乱断面積の計算法に関する文献調査を実施した。本報告書は、分子動力学シミュレーションを利用した熱中性子散乱断面積の計算法を要約したものである。断面積は「散乱則」と呼ばれる関数を使って表され、軽水や重水に対しては断面積の代わりに散乱則に関するデータが核データベース上で与えられている。本調査で散乱則の計算法を確認した。散乱則は中間散乱関数と時空間相関関数の両者から導くことができる。得られる散乱則の特徴について言及した。熱中性子のターゲットである液体の分子動力学シミュレーションを利用して散乱則が計算できることを示した。

論文

分子動力学法によるモンモリロナイト層間中の水とイオンの物性評価; 拡散モデルへの反映

四辻 健治*; 舘 幸男; 河村 雄行*; 有馬 立身*; 佐久間 博*

粘土科学, 58(1), p.8 - 25, 2019/00

分子動力学シミュレーションによってモンモリロナイト層間間隙中の水分子やイオンの物性を調査した。膨潤挙動や安定な水和状態に対する層間陽イオンや層電荷による影響が最初に評価された。層間間隙中の水分子や陽イオンの拡散係数はバルク水と比較して小さく、層間間隙が広がるにつれてバルク水に近づくことが確認された。推定された層間間隙水の電粘性効果による粘性係数の変化は、1層あるいは2層水和状態において、また層電荷が高い条件において顕著であった。これらのMD計算によって得られた傾向は、既存の実測データや先行するMD計算事例とも整合することが確認できた。さらに、現状の拡散モデルに用いている電粘性効果を表現するモデルとパラメータは、MD計算結果と実測データの比較を通じて改善できることが示された。これらのMD計算によって得られる分子レベルでの現象理解は、圧縮モンモリロナイト中の拡散モデルの開発と改良に有益な情報を与えるものである。

論文

Diffusion and adsorption of uranyl ion in clays; Molecular dynamics study

有馬 立身*; 出光 一哉*; 稲垣 八穂広*; 河村 雄行*; 舘 幸男; 四辻 健治

Progress in Nuclear Energy, 92, p.286 - 297, 2016/09

 被引用回数:4 パーセンタイル:47.23(Nuclear Science & Technology)

ウラニルイオン(UO$$_2^{2+}$$)の拡散・吸着挙動は、放射性廃棄物処分の性能評価において重要である。溶液中のUO$$_2^{2+}$$, K$$^{+}$$, CO$$_3^{2-}$$, Cl$$^{-}$$, H$$_{2}$$Oの拡散挙動が分子動力学計算によって評価された。UO$$_2^{2+}$$の拡散係数が最小であり、H$$_{2}$$Oの自己拡散係数の26%であった。高濃度の炭酸イオンを含む溶液中では、UO$$_{2}$$CO$$_{3}$$やUO$$_{2}$$(CO$$_{3}$$)$$^{2-}$$の炭酸錯体として存在することが確認された。モンモリロナイト及びイライトと水溶液が共存する系におけるUO$$_2^{2+}$$やK$$^{+}$$の吸着・拡散挙動が分子動力学計算によって評価された。分配係数(Kd)は粘土鉱物の層電荷とともに増加し、UO$$_2^{2+}$$のKdはK$$^{+}$$のKdよりも小さいと評価された。さらに、2次元方向での拡散係数は、吸着層では比較的小さく、高い層電荷をもつイライトでは極めて小さな値を示した。

論文

Investigation of the fragmentation of core-ionised deoxyribose; A Study as a function of the tautomeric form

Herv$'e$ du Penhoat, M.-A.*; Kamol Ghose, K.*; Gaigeot, M.-P.*; Vuilleumier, R.*; 藤井 健太郎; 横谷 明徳; Politis, M.-F.*

Physical Chemistry Chemical Physics, 17(48), p.32375 - 32383, 2015/12

 被引用回数:8 パーセンタイル:61.25(Chemistry, Physical)

We have investigated the gas phase fragmentation dynamics following the core ionisation of 2-deoxy-D-ribose (dR), a major component in the DNA chain. To that aim, we use state-of-the-art ab initio Density Functional Theory-based Molecular Dynamics simulations. The ultrafast dissociation dynamics of the core-ionised biomolecule, prior Auger decay, is first modelled for 10 fs to generate initial configurations (atomic positions and velocities) for the subsequent dynamics of the doubly ionised biomolecule in the ground state. The furanose, linear and pyranose conformations of dR were investigated. We show that fragmentation is relatively independent of the atom struck or of the duration of the core vacancy, but depends rather critically on the molecular orbital removed following Auger decay.

論文

第一原理分子動力学法によるカーボンアロイ触媒における酸素還元反応機構

池田 隆司; Hou, Z.*; Chai, G.-L.*; 寺倉 清之*

表面科学, 36(7), p.345 - 350, 2015/07

カーボンアロイ触媒は固体高分子形燃料電池の白金代替正極触媒として有望視されている。我々は第一原理に基づいた分子動力学シミュレーションによりカーボンアロイ触媒における酸素還元反応機構を調べてきた。本稿では我々のシミュレーションにより示唆されたカーボンアロイ触媒の活性点での可能な酸素還元反応機構を紹介する。

論文

Infrared absorption and Raman scattering spectra of water under pressure via first principles molecular dynamics

池田 隆司

Journal of Chemical Physics, 141(4), p.044501_1 - 044501_8, 2014/07

 被引用回数:9 パーセンタイル:56.76(Chemistry, Physical)

通常水分子の変角振動によるとされている1600cm$$^{-1}$$付近に現れるピークが超臨界水の偏光ラマンおよび偏光解消ラマンスペクトルでは消失することが実験により観測されている。一方赤外吸収スペクトルには対応するピークが明瞭に現れることが観測されている。本研究では第一原理分子動力学と分極理論を組み合わせることにより赤外吸収スペクトルとラマンスペクトルの解析法を構築した。我々の計算法により水の赤外・ラマンスペクトルの上記の奇妙な振る舞いが再現されることを示した。通常の水で1600cm$$^{-1}$$に観測されるラマンスペクトルのピークの起源を議論した。

論文

DNA strand break; Structural and electrostatic properties studied by molecular dynamics simulation

Kotulic Bunta, J.*; Laaksonen, A.*; Pinak, M.; 根本 俊行*

Computational Biology and Chemistry, 30(2), p.112 - 119, 2006/04

 被引用回数:3 パーセンタイル:76.61(Biology)

細胞致死の原因となるDNA二本鎖切断は、生物影響上非常に重要な損傷の一つである。将来、二本鎖切断とその修復メカニズムについて調べるための布石として、損傷のないDNA,原子価を有する一本鎖切断を持つDNA,原子価のない一本鎖切断を持つDNAについてシミュレーションを行った。その結果、原子価を有する一本鎖切断DNAは部分的にその構造が崩壊すること,原子価を持たないDNAは鎖切断の2末端の間に新たな水素結合が形成され安定化することが明らかになった。

論文

Enzymatic recognition of radiation-produced oxidative DNA lesion; Molecular dynamics approach

Pinak, M.

Modern Methods for Theoretical Physical Chemistry of Biopolymers, p.191 - 210, 2006/00

数種類のDNA損傷とそれぞれの修復酵素に関する分子動力学シミュレーションの結果を紹介する。修復酵素が損傷を適切に認識する要因としての、DNAの構造変化及び静電エネルギーの変化に焦点を絞った研究を行った。DNA塩基対間の水素結合ネットワークの崩壊や、DNAの折れ曲り等の重要な構造変化が観察された。このDNA構造の変化により修復酵素が損傷DNAに結合しやすい状況ができあがっていると考えられる。また、損傷したDNAと損傷のないDNAを修復酵素が識別するのを助けると考えられる静電エネルギーの変化も観察された。

論文

Hydration structure of Y$$^{3+}$$ and La$$^{3+}$$ compared; An Application of metadynamics

池田 隆司; 平田 勝; 木村 貴海

Journal of Chemical Physics, 122(24), p.244507_1 - 244507_5, 2005/06

 被引用回数:41 パーセンタイル:18.21(Chemistry, Physical)

水溶液中でのY$$^{3+}$$とLa$$^{3+}$$の水和構造をカー$$cdot$$パリネロ分子動力学に基づくメタダイナミクス法を用いて調べた。メタダイナミクスの集団変数として金属イオンに関する酸素の配位数を用いることにより、10ps程度のシミュレーションで構造の異なる水和錯体を生成することができた。メタダイナミクスの処方箋に従い自由エネルギ-面を求めたところ、3価希土類イオンの水和の特徴が再現されていることがわかった。このことより、カー$$cdot$$パリネロ分子動力学に基づくメタダイナミクスは溶液のような複雑な系の自由エネルギー探査に有効な手法であることが確認できた。

論文

Molecular dynamics simulation of clustered DNA damage sites containing 8-oxoguanine and abasic site

藤本 浩文*; Pinak, M.; 根本 俊行*; O'Neill, P.*; 久米 悦雄; 斎藤 公明; 前川 秀明*

Journal of Computational Chemistry, 26(8), p.788 - 798, 2005/06

 被引用回数:22 パーセンタイル:43.32(Chemistry, Multidisciplinary)

電離放射線によるDNAクラスター損傷は修復され難く、細胞のガン化など生体にとって深刻な事態を引き起こす原因の一つと考えられている。DNAクラスター損傷を持つDNA分子には、単独の損傷を持つ分子と比べるとDNA修復酵素が作用し難いことが、生化学的・分子生物学的実験によって示されているが、どのような要因が酵素の作用阻害に関わっているかはいまだ不明である。そこで本研究では、DNAクラスター損傷における酵素の作用阻害の要因を、計算科学的手法を用いて考察した。既報の実験で用いられたDNA分子と同配列となるように、7,8-dihydro-8-oxoguanine(8-oxoG)及びapurinic/apyrimidinic(AP) siteという2つの酸化損傷部位が数塩基はなれた位置に存在する40merのDNA分子を、2損傷部位間の距離を変えて6種類設計し、それぞれに対し分子動力学的(MD)シミュレーションを1nsのオーダーで行った。その結果、損傷部位における分子の屈曲や、損傷塩基と相補鎖上の塩基との相互静電エネルギーの減少など損傷DNA分子に特徴的な構造や性質が観察された。これらの特徴によって修復酵素がDNAに結合できず、したがって修復効率が低下したのではないかと推察される。

論文

A Severe artifact in simulation of liquid water using a long cut-off length; Appearance of a strange layer structure

米谷 佳晃

Chemical Physics Letters, 406(1-3), p.49 - 53, 2005/04

 被引用回数:47 パーセンタイル:15.04(Chemistry, Physical)

18$AA $の長いカットオフ距離を用いて水の分子動力学シミュレーションを行ったところ、水の挙動に著しいアーティファクトが現れた。この結果から、カットオフ距離の増加によりシミュレーション結果が改善されるとは限らないことが判明した。さらに、これまでに長いカットオフ距離を用いて行われてきた水を含む生体分子系のシミュレーションにも予想外に大きいアーティファクトが存在していた可能性が示唆されている。

論文

An Observation of a nascent fractal pattern in MD simulation for a fragmentation of an fcc lattice

近角 真平*; 岩本 昭

Chaos, Solitons and Fractals, 23(1), p.73 - 78, 2005/01

自然界に於けるフラクタルパターンの成因を探索するため、無限fcc結晶格子の破砕に関する分子動力学計算を行った。破砕は、Hubble型の動径方向の膨張を格子粒子の初期条件として課することにより誘起される。時間経過につれて、系の平均密度は減少して密度ゆらぎが成長する。ボックスカウント法を用いると、密度ゆらぎの頻度・サイズの関係が瞬間的に形成され、各ハッブル常数ごとにクロスオーバー点に至るまでの間、普遍的なパワー則を示す。このクロスオーバーのサイズは系の最大密度ゆらぎの大きさに対応しており、動的なスケーリング則に従うことが示される。瞬間的に作られるフラクタルの芽の成因は純粋に動的なものであり、伝統的な臨界概念とは違う新しい形成機構の存在を示している。

論文

Direct ab initio molecular dynamics study of the two photodissociation channels of formic acid

黒崎 譲; 横山 啓一; 寺西 慶哲

Chemical Physics, 308(3), p.325 - 334, 2005/01

 被引用回数:21 パーセンタイル:39.6(Chemistry, Physical)

248及び193nmの光によるギ酸の二つの解離反応、HCOOH$$rightarrow$$H$$_{2}$$O+CO(1)及びHCOOH$$rightarrow$$CO$$_{2}$$+H$$_{2}$$(2)、について、RMP2(full)/cc-pVDZレベルでのdirect ab initio molecular dynamics法を用いて約1200本の古典トラジェクトリを計算した。その結果、反応2における相対並進モードへのエネルギー分配の割合は、反応1におけるそれよりもはるかに大きいことが明らかとなった。このことは反応1と2の遷移状態の構造の違いによるところが大きいと考えられる。また、生成物であるCOとH$$_{2}$$はともに振動,回転状態が励起されていることが予測された。本計算から見積もられたCOの振動状態分布は、248nm光による光解離実験の値とよく一致した。

報告書

Molecular dynamics simulation studies of radiation damaged DNA molecules and repair enzymes

Pinak, M.

JAERI 1346, 25 Pages, 2004/12

JAERI-1346.pdf:3.84MB

放射線により損傷をうけたDNAの分子レベルにおける経時的変化を調べるために、チミンダイマー,チミングリコール,8-オキソグアニンについて分子動力学シミュレーションを利用した研究を行った。すべてのケースでDNA二重らせん構造の重大な構造変化が観察された。それらは(1)相補的な塩基との水素結合ネットワークの破壊による二重らせんの分離(8-オキソグアニン),(2)損傷部位を中心としたDNAの折れ曲り(チミンダイマー,チミングリコール),(3)相補鎖上の塩基のDNA外へのフリッピングアウト(8-オキソグアニン)に大別される。また、損傷部位において特異的な静電エネルギーとしてチミンダイマー:-10kcal/mol,チミングリコール:-26kcal/mol,8-オキソグアニン:-48kcal/molが観察された。

論文

Photoemission study of the translational energy induced oxidation processes on Cu(111)

盛谷 浩右; 岡田 美智雄*; 佐藤 誠一*; 後藤 征士郎*; 笠井 俊夫*; 吉越 章隆; 寺岡 有殿

Journal of Vacuum Science and Technology A, 22(4), p.1625 - 1630, 2004/08

 被引用回数:18 パーセンタイル:40.99(Materials Science, Coatings & Films)

超熱酸素分子線によるCu{111}表面の酸化過程を放射光を光源とするX線光電子分光により調べた。酸化の効率は被服率0.5ML以下では0.6eV酸素分子線のほうが2.3eV酸素分子線よりも高い。反対に、被服率0.5ML以上では酸化はゆっくり進み2.3eV酸素分子線の方が酸化の効率が高くなる。われわれはこの遅い酸化の反応過程について運動エネルギーの直接的な移行により酸化が進行するモデルを提案した。この結果は酸素分子線のエネルギーを変えることでCu表面における酸化過程を制御できることを示している。

論文

Large scale MD simulation of 8-oxoguanine and AP site multiple lesioned DNA molecule combined with biomolecular visualization software

藤本 浩文; Pinak, M.; 根本 俊行*; 坂本 清隆*; 山田 和幸*; 星 芳幸*; 久米 悦雄

Journal of Molecular Structure; THEOCHEM, 681(1-3), p.1 - 8, 2004/01

分子動力学シミュレーションプログラムAMBERと、AMBERの出力ファイルから動画ファイルを自動的に生成するために新たに開発したソフトウエアF-BMVSを組合せたシステムを用いて、複数箇所に酸化損傷を被ったDNA分子がどのように分子構造を変えるかを観察した。放射線や化学物質によって生じるこれらの損傷は、修復されなければ強力な突然変異原となり、細胞がガン化する原因となると考えられている。2種類の損傷(8-oxoG, AP部位)を持つDNA分子と損傷を持たないDNA分子に対し1ナノ秒のオーダーのシミュレーションを行い、F-BMVSを用いて可視化したところ、損傷構造に特異的な立体構造が観察された。これらの分子構造の差異は、損傷を修復する酵素が損傷部位と非損傷部位とを見分ける要因の1つになっているのではないかと考えられる。

論文

Spatiotemporal behavior of void collapse in shocked solids

波多野 恭弘

Physical Review Letters, 92(1), p.015503_1 - 015503_4, 2004/01

 被引用回数:36 パーセンタイル:19.25(Physics, Multidisciplinary)

爆轟波伝播において本質的な役割を果たすホットスポット生成の様子を調べるため、ボイドを含む3次元レナード・ジョーンズ固体についての分子動力学シミュレーションを行った。観測量については、従来から調べられてきた温度に加えて、化学反応に直接関係する単位体積あたりの分子間衝突数をモニターした。この量についてはボイドサイズ依存性はあまりなく、ナノスケールのボイドについても一定量に収束する。これは温度の増幅により大きなスケールのボイドを必要とすることと極めて対照的である。またボイド内に射出された粒子の速度と温度が、衝撃波の集積作用により徐々に増幅されていくことも直接確認した。

論文

Structural transformation of methane hydrate from cage clathrate to filled ice

池田 隆司; 寺倉 清之*

Journal of Chemical Physics, 119(13), p.6784 - 6788, 2003/10

 被引用回数:24 パーセンタイル:36.32(Chemistry, Physical)

室温・高圧下におけるメタンハイドレートの構造,ダイナミクス及び電子状態を第一原理定圧分子動力学法を用いて調べた。I型クラスレートのかご構造は4.5GPaで壊れた。かご構造が消失した後、MH-III構造に特徴的な2つの構造が現れた。また、われわれの得たMH-III構造ではCD伸縮振動モードが一つ存在し、加圧とともにブルーシフトを示す。これらはLovedayらが提案したフィルドアイスの存在を支持する結果である。

論文

臭化水素と硫化水素における圧力誘起構造相転移と固相反応

池田 隆司

高圧力の科学と技術, 13(3), p.224 - 231, 2003/08

水素結合系結晶の臭化水素及び硫化水素は、加圧することにより化学結合状態が著しく変化し、秩序-無秩序転移,水素結合対称化,固相反応を伴う分子解離などのさまざまな現象を示す。本稿では高圧実験と第一原理分子動力学シミュレーションより明らかになった臭化水素と硫化水素における圧力誘起構造相転移と固相反応の関係について解説する。

論文

SiO mass spectrometry and Si-2p photoemission spectroscopy for the study of oxidation reaction dynamics of Si(001) surface by supersonic O$$_{2}$$ molecular beams under 1000 K

寺岡 有殿; 吉越 章隆; 盛谷 浩右

Japanese Journal of Applied Physics, Part 1, 42(7B), p.4671 - 4675, 2003/07

 被引用回数:4 パーセンタイル:78.68(Physics, Applied)

Si(001)のO$$_{2}$$分子による酸化反応を860Kから1300Kの温度範囲で、かつ、O$$_{2}$$分子の運動エネルギーが0.6eVから3.0eVの範囲で研究した。表面分析には放射光光電子分光法を用いた。Si-2p光電子スペクトルを分子線を照射しながら実時間測定し、その温度依存性と運動エネルギー依存性を測定した。また、酸素同位体(質量数18の酸素)からなるO$$_{2}$$分子を用いて脱離するSiO分子を質量分析器で検出して脱離収率の温度依存性と運動エネルギー依存性を測定した。その結果、1000K以下では酸化膜形成とエッチングが共存し、同じ温度でもエッチング,酸化膜形成,両者共存の反応様式が運動エネルギーによって決まることが明らかとなった。

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