(57)【要約】【課題】短時間で分子分極率を推定する方法を提供する。【解決手段】部品構造作成部２１において分子を分割して複数の部品構造を作成する。生じた不飽和原子は水素原子またはメチル基で飽和させる。それらの部品構造の分極率が既知ならばその値を使用し、既知でなければ分極率計算部２６において分極率を計算し、分子分極率推定部２３においてそれら部品構造の分極率の総和をもって前記分子の分子分極率とする。ただし、ｘｘ成分（ｘ軸は分子の長軸方向）を推定するにはメチル基で飽和させた部品構造を使用し、ｙｙ成分とｚｚ成分を推定するには水素原子で飽和させた部品構造を使用する。【選択図】    図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
分子を分割することによって複数の部品構造を作成し、該部品構造の分極率を量子化学計算によって求め、該部品構造の分極率の総和をもって前記分子の分子分極率とすることを特徴とする分子分極率推定方法。
【請求項２】
前記分子を分割することによって作成した前記部品構造を構成する原子のうち、不飽和原子に原子または原子団を結合させることによって該不飽和原子を飽和させることを特徴とする請求項１に記載の分子分極率推定方法。
【請求項３】
前記原子は水素原子であることを特徴とする請求項２に記載の分子分極率推定方法。
【請求項４】
前記原子団はメチル基であることを特徴とする請求項２に記載の分子分極率推定方法。
【請求項５】
ｘ軸を前記分子の長軸方向におよそ平行な方向として定義したとき、前記分子分極率のｘｘ成分（αｘｘ）を推定する場合には、メチル基を結合させることによって前記不飽和原子を飽和させた前記部品構造の分極率を用い、前記分子分極率のｙｙ成分（αｙｙ）とｚｚ成分（αｚｚ）を推定する場合には、水素原子を結合させることによって前記不飽和原子を飽和させた前記部品構造の分極率を用いることを特徴とする請求項２に記載の分子分極率推定方法。
【請求項６】
分子を分割することによって複数の部品構造を作成し、該部品構造の分極率が未知ならば該分極率を量子化学計算によって求め、既知ならば既知の分極率を使用して、前記部品構造の分極率の総和をもって前記分子の分子分極率とすることを特徴とする分子分極率推定方法。
【請求項７】
前記分子を分割することによって作成した前記部品構造を構成する原子のうち、不飽和原子に原子または原子団を結合させることによって該不飽和原子を飽和させることを特徴とする請求項６に記載の分子分極率推定方法。
【請求項８】
前記原子は水素原子であることを特徴とする請求項７に記載の分子分極率推定方法。
【請求項９】
前記原子団はメチル基であることを特徴とする請求項７に記載の分子分極率推定方法。
【請求項１０】
ｘ軸を前記分子の長軸方向におよそ平行な方向として定義したとき、前記分子分極率のｘｘ成分（αｘｘ）を推定する場合には、メチル基を結合させることによって前記不飽和原子を飽和させた前記部品構造の分極率を用い、前記分子分極率のｙｙ成分（αｙｙ）とｚｚ成分（αｚｚ）を推定する場合には、水素原子を結合させることによって前記不飽和原子を飽和させた前記部品構造の分極率を用いることを特徴とする請求項７に記載の分子分極率推定方法。
【請求項１１】
前記量子化学計算として、非経験的分子軌道法、半経験的分子軌道法、密度汎関数法のいずれかを用いることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれかに記載の分子分極率推定方法。
【請求項１２】
分子を分割することによって複数の部品構造を作成する部品構造作成部と、該部品構造の分極率を作成する部品構造分極率作成部と、該部品構造の分極率から該分子の分子分極率を推定する分子分極率推定部と、該分子分極率を出力する出力装置とからなる分子分極率シミュレーション装置であって、該部品構造分極率作成部は、該部品構造の分子構造と分極率を保存しておく部品構造データベースと、該部品構造の分極率を量子化学計算を用いて計算する分極率計算部とからなることを特徴とする分子分極率シミュレーション装置。
【請求項１３】
前記部品構造作成部は、前記分子を分割することによって作成した前記部品構造を構成する原子のうち、不飽和原子に原子または原子団を結合させることによって該不飽和原子を飽和させる機能を備えたことを特徴とする請求項１２に記載の分子分極率シミュレーション装置。
【請求項１４】
前記原子は水素原子であることを特徴とする請求項１３に記載の分子分極率シミュレーション装置。
【請求項１５】
前記原子団はメチル基であることを特徴とする請求項１３に記載の分子分極率シミュレーション装置。
【請求項１６】
前記分子分極率推定部は、ｘ軸を前記分子の長軸方向におよそ平行な方向として定義したとき、前記分子分極率のｘｘ成分（αｘｘ）を推定する場合には、メチル基を結合させることによって前記不飽和原子を飽和させた前記部品構造の分極率を用い、前記分子分極率のｙｙ成分（αｙｙ）とｚｚ成分（αｚｚ）を推定する場合には、水素原子を結合させることによって前記不飽和原子を飽和させた前記部品構造の分極率を用いて前記分子分極率を推定する機能を備えたことを特徴とする請求項１３に記載の分子分極率シミュレーション装置。
【請求項１７】
前記量子化学計算方法として、非経験的分子軌道法、半経験的分子軌道法、密度汎関数法のいずれかを用いることを特徴とする請求項１２に記載の分子分極率シミュレーション装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、物質の分極率の推定方法および物質の分極率シミュレーション装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、液晶分子の分極率を求める場合、下記に示す方法が用いられていた。
（１）分子動力学計算を用いて分子の最安定構造の候補を数個作成する。
（２）すべての候補構造について量子化学計算を用いて構造最適化を行い、その中から最安定構造を選択する。
（３）その最安定構造について量子化学計算を用いて分子分極率を算出する。
【０００３】
【非特許文献１】
１９９７年第２７回液晶討論会予稿集  ３ＡＤ０７  犬飼孝  「代表的ネマチック液晶の分子の非経験的分子軌道法による立体配座、双極子能率、分極率、帯磁率の計算」
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の方法においては下記のような問題点を有していた。
（１）一般的に液晶分子の原子数は大きいため、量子化学計算では多大な計算時間を必要とする。
（２）部分構造が少しでも異なる液晶分子の分子分極率を求めるためには上記の手順（１）〜（３）をすべて実行しなければならない。
そこで本発明は、上記課題を解決し、液晶分子の分子分極率を簡単に求めることができる分子分極率推定方法を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の分子分極率推定方法は、分子を分割することによって複数の部品構造を作成し、該部品構造の分極率を量子化学計算によって求め、該部品構造の分極率の総和をもって前記分子の分子分極率とすることを特徴とする。さらには、分子を分割することによって作成した前記部品構造を構成する原子のうち、不飽和原子に原子または原子団を結合させることによって該不飽和原子を飽和させた後、非経験的分子軌道法、半経験的分子軌道法、密度汎関数法のいずれかの量子化学計算によって前記部品構造の分極率を求め、ｘ軸を前記分子の長軸方向におよそ平行な方向として定義したとき、分子分極率のｘｘ成分（αｘｘ）を推定する場合には、メチル基を結合させることによって前記不飽和原子を飽和させた前記部品構造の分極率を用い、ｙｙ成分（αｙｙ）とｚｚ成分（αｚｚ）を推定する場合には、水素原子を結合させることによって前記不飽和原子を飽和させた前記部品構造の分極率を用いることを特徴とする。また、部品構造のうち分極率が既知のものについては既知のデータを利用すればよいため、その部品構造の分極率を再び計算する必要はない。
【０００６】
上記構成によれば、部品構造の原子数は母体となる分子の原子数よりも少ないため、量子化学計算に必要な時間が軽減され、部品構造の構造最適化も母体となる分子の場合よりも格段に容易となり、さらに、液晶分子の部分構造が一部異なる液晶分子について分子分極率を推定する場合、異なる部品構造についてのみ量子化学計算を用いて分極率を求めればよいという効果を有する。さらに、その異なる部品構造の分極率を既に求めてあるならば、その部品構造の構造最適化や量子化学計算を行う必要がないため、いろいろな種類の分子の分子分極率を非常に簡便に推定できる、という効果を有する。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を説明する。
【０００８】
まず始めに、本発明による分子分極率の推定方法の概念を図１を用いて説明する。ステップ１１において分子分極率を求めたいサンプル分子の分子構造を設定する。次に、ステップ１２において、そのサンプル分子を適当な部品構造に分解する。ここで、サンプル分子を分割した時に生成される不飽和原子を水素原子またはメチル基で飽和させる。さらにステップ１３でこれらの部品構造の分極率が既知であるかどうかをデータベースで検索する。検索した結果、データベースに分極率のデータが登録されていない部品構造についてのみ、ステップ１４で量子化学計算を用いて分極率を計算し、ステップ１５でそのデータベースに計算結果を登録する。最後にステップ１６で、部品構造の分極率の総和を求めてサンプル分子の分子分極率を推定する。
【０００９】
図２に本発明による分子分極率シミュレーション装置を示す。本発明による分子分極率シミュレーション装置は、部品構造作成部２１、部品構造分極率作成部２２、分子分極率推定部２３と出力装置２４から構成される。さらに部品構造分極率作成部２２は、部品構造データベース２５と分極率計算部２６とから構成される。
【００１０】
部品構造作成部２１は分子構造構築ソフトウェアとグラフィクス表示装置を備えたコンピュータシステムであり、分子構造構築ソフトウェアとしてはたとえばＡｃｃｅｌｒｙｓ，  Ｉｎｃ．  製Ｃｅｒｉｕｓ２（Ｃｅｒｉｕｓ２はＡｃｃｅｌｒｙｓ，  Ｉｎｃ．の商品名）やＡｃｃｅｌｒｙｓ，  Ｉｎｃ．  製Ｍａｔｅｒｉａｌ  Ｓｔｕｄｉｏ（Ｍａｔｅｒｉａｌ  ＳｔｕｄｉｏはＡｃｃｅｌｒｙｓ，  Ｉｎｃ．の商品名）が用いられる。分子分極率推定部２３は一般に用いられる演算器であり、出力装置２４は一般に用いられる表示装置または印刷装置である。部品構造データベース２５としては、部品構造とその分極率データを書き込み・読み出しできるものならばいかなる種類のものも使用可能であり、Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ（Ｒ）製  Ｅｘｃｅｌ等が利用できる。分極率計算部２６は量子化学計算用ソフトウェアを備えたコンピュータシステムである。量子化学計算法としては、非経験的分子軌道法、半経験的分子軌道法、密度汎関数法などが用いられ、量子化学計算用ソフトウェアとしては、Ｇａｕｓｓｉａｎ，  Ｉｎｃ．  製Ｇａｕｓｓｉａｎ９８（Ｇａｕｓｓｉａｎ９８はＧａｕｓｓｉａｎ，  Ｉｎｃ．の登録商標）やＳｃｈｒｏｄｉｎｇｅｒ，  Ｉｎｃ．製Ｊａｇｕａｒ（ＪａｇｕａｒはＳｃｈｒｏｄｉｎｇｅｒ，  Ｉｎｃ．の商品名）等が利用できる。
【００１１】
部品構造作成部２１において、分子分極率を求めたいサンプル分子を分割して、部品構造を作成する。このとき、部品構造には不飽和原子が存在するため、水素原子あるいはメチル基をその不飽和原子に結合させて飽和させる。
【００１２】
次に、部品構造データベース２５を参照し、部品構造の分極率が登録されているかどうかを調べる。登録されていない部品構造に対しては、経路３２によって分極率計算部２６へ進み、その部品構造の分極率を計算し、その計算結果を経路３３によって部品構造データベース２５に登録する。このようにして、必要なすべての部品構造の分極率を部品構造データベース２５または分極率計算部２６から抽出した後、経路３１によって分子分極率推定部２３へ進み、サンプル分子の分子分極率を推定し、出力装置２４へ推定結果を出力する。
【００１３】
（実施例１）
下記式（Ｉ）に示したサンプル分子（５ＣＢ）を例にとって、本発明による分子分極率の推定方法を詳しく説明する。ただし、本実施例で使用される部品構造が部品構造データベース２５にまったく登録されていないと仮定して説明する。
2004251732.tif 000003
【００１４】
本実施例では下記式（ＩＩ）〜（Ｖ）に示した部品構造を使用した。部品構造Ｒ５−ＨとＮＰＰ−Ｈは、部品構造作成部２１において、５ＣＢを２分割した時に生成される不飽和炭素を水素原子によって飽和させてあり、部品構造Ｒ５−ＭとＮＰＰ−Ｍはその不飽和炭素をメチル基によって飽和させてある。
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【００１５】
これらの部品構造は部品構造データベース２５に全く登録されていないため、分極率計算部２６へ進んで、Ｓｃｈｒｏｄｉｎｇｅｒ，  Ｉｎｃ．製Ｊａｇｕａｒ（ＪａｇｕａｒはＳｃｈｒｏｄｉｎｇｅｒ，  Ｉｎｃ．の商品名）の密度汎関数法を用いて部品構造の分極率を求めた。また、本発明による推定結果を検証するために、５ＣＢの分子分極率も同様な方法で求めた。本実施例では密度汎関数法を用いたが、他の方法を用いてもよい。最後に、分子分極率推定部２３へ進み、サンプル分子の分子分極率を推定した。表１と表２に推定結果（分極率αのｘｘ，ｙｙ，ｚｚ成分、単位：ＡＵ）を示す。
【００１６】
【表１】
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【００１７】
【表２】
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【００１８】
表１はメチル基で飽和した部品構造に対する計算結果、表２は水素原子で飽和した部品構造の計算結果であり、いずれの表にも５ＣＢの計算結果を併記してある。また、たとえば表１において、Ｒ５−Ｍ＋ＮＰＰ−Ｍの列の値は部品構造Ｒ５−Ｍの分極率と部品構造ＮＰＰ−Ｍの分極率の和である。以降、部品構造の分極率の和と５ＣＢの分極率とを区別するために、それぞれをα（ｔｏｔ）とα（５ＣＢ）のように表す。
【００１９】
ここで、α（ｔｏｔ）ｘｘとα（５ＣＢ）ｘｘを比較すると、水素原子で飽和した部品構造から求めたα（ｔｏｔ）ｘｘよりも、メチル基で飽和した部品構造から求めたα（ｔｏｔ）ｘｘの方がα（５ＣＢ）ｘｘにより近い値となっている。従って、α（５ＣＢ）ｘｘを部品構造から推定するためには、水素原子よりもメチル基で飽和させた部品構造を用いた方が高い精度で推定することができる。また、ｙｙ成分とｚｚ成分についてもｘｘ成分の場合と同様な比較を行うことによって、メチル基よりも水素原子で飽和させた部品構造を用いた方が高い精度で推定できることがわかる。
【００２０】
密度汎関数法を用いた場合の計算時間は次のようになる。Ｒ５−Ｍ、Ｒ５−Ｈ、ＮＰＰ−Ｍ、ＮＰＰ−Ｈの構造最適化を行って分極率を計算するために必要な時間はそれぞれ約２２６分、１２４分、４０２分、３６５分であり、部品構造に対する計算の総所要時間は約１１１７分であった。比較のために５ＣＢの最安定構造の構造最適化を行って分極率を計算したところ、所要時間は約２，２５２分であった。ただし、Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｇｒａｐｈｉｃｓ，  Ｉｎｃ．  製のワークステーションＯｒｉｇｉｎ２００（Ｏｒｉｇｉｎ２００はＳｉｌｉｃｏｎ  Ｇｒａｐｈｉｃｓ，  Ｉｎｃ．の商標）を用いた。したがって、本発明による方法の方が格段に計算所要時間が短いことがわかる。また、本実施例で使用した部品構造の分子構造と分極率データを部品構造データベース２５に保存しておけば、他のサンプル分子の分子分極率を推定する時に利用することが可能である。
【００２１】
（実施例２）
本実施例では下記式（ＶＩ）に示したサンプル分子（ＰＣＨ３）を例にとって、本発明による分子分極率の推定方法を詳しく説明する。ただし、本実施例で使用される部品構造が部品構造データベース２５にまったく登録されていないと仮定して説明する。
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【００２２】
本実施例では下記式（ＶＩＩ）〜（ＸＩＩ）に示した部品構造を使用した。
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【００２３】
部品構造Ｒ３−Ｈ、Ｃ−ＨとＮＰ−Ｈは、部品構造作成部２１において、ＰＣＨ３を３分割した時に生成される不飽和炭素を水素原子によって飽和させてあり、部品構造Ｒ３−Ｍ、Ｃ−ＭとＮＰ−Ｍはその不飽和炭素をメチル基によって飽和させてある。
【００２４】
次に、実施例１と同様に部品構造の分極率を求めた。また、本発明による推定結果を検証するために、ＰＣＨ３の分子分極率も同様な方法で求めた。最後に、分子分極率推定部２３へ進み、サンプル分子の分子分極率を推定した。表３と表４に計算結果（分極率αのｘｘ，ｙｙ，ｚｚ成分）を示す。
【００２５】
【表３】
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【００２６】
【表４】
2004251732.tif 000010
【００２７】
表３はメチル基で飽和した部品構造に対する計算結果、表４は水素原子で飽和した部品構造の計算結果であり、いずれの表にもＰＣＨ３の計算結果を併記してある。また、たとえば表３において、Ｒ３−Ｍ＋Ｃ−Ｍ＋ＮＰ−Ｍの列の値は部品構造Ｒ３−Ｍの分極率と部品構造Ｃ−Ｍの分極率と部品構造ＮＰ−Ｍの分極率の和である。
【００２８】
ここで、α（ｔｏｔ）ｘｘとα（ＰＣＨ３）ｘｘを比較すると、水素原子で飽和した部品構造から求めたα（ｔｏｔ）ｘｘよりも、メチル基で飽和した部品構造から求めたα（ｔｏｔ）ｘｘの方がα（ＰＣＨ３）ｘｘにより近い値となっている。従って、α（ＰＣＨ３）ｘｘを部品構造から推定するためには、水素原子よりもメチル基で飽和させた部品構造を用いた方が高い精度で推定することができる。また、ｙｙ成分とｚｚ成分についてもｘｘ成分の場合と同様な比較を行うことによって、メチル基よりも水素原子で飽和させた部品構造を用いた方が高い精度で推定できることがわかる。
【００２９】
密度汎関数法を用いた場合の計算時間は次のようになる。Ｒ３−Ｍ、Ｃ−Ｍ、ＮＰ−Ｍ、Ｒ３−Ｈ、Ｃ−ＨとＮＰ−Ｈの構造最適化を行って分極率を計算するために必要な時間はそれぞれ約８２分、３５１分、３０４分、４４分、９１分、８７分であり、部品構造に対する計算の総所要時間は約９５９分であった。比較のためにＰＣＨ３の最安定構造の構造最適化を行って分極率を計算したところ、所要時間は約１９８０分であった。したがって、本発明による方法の方が格段に計算所要時間が短いことがわかる。また、本実施例で使用した部品構造の分子構造と分極率データを部品構造データベース２５に保存しておけば、他のサンプル分子の分子分極率を推定する時に利用することが可能である。
【００３０】
（実施例３）
本実施例では下記式（ＸＩＩＩ）に示したサンプル分子  （ＰＣＨ５）を例にとって、本発明による分子分極率の推定方法を詳しく説明する。ただし、本実施例で使用される部品構造が部品構造データベース２５にすべて登録されていると仮定して説明する。
2004251732.tif 000011
【００３１】
本実施例で用いた部品構造は実施例１と実施例２で用いられたＲ５−Ｈ、Ｒ５−Ｍ、Ｃ−Ｈ、Ｃ−Ｍ、ＮＰ−ＨとＮＰ−Ｍである。これらの部品構造の分極率は既に実施例１と実施例２で計算されて部品構造データベース２５に保存されているため、これらの部品構造の分極率を再び計算する必要はない。したがって、部品構造データベース２５から必要なデータを取り出し、分子分極率推定部２３へ進んでサンプル分子の分子分極率を推定した。
【００３２】
表５と表６に推定結果を示す。
【００３３】
【表５】
2004251732.tif 000012
【００３４】
【表６】
2004251732.tif 000013
【００３５】
表５はメチル基で飽和した部品構造を用いた推定結果、表６は水素原子で飽和した部品構造を用いた推定結果であり、いずれの表にもＰＣＨ５の計算結果を併記してある。また、たとえば表５において、Ｒ５−Ｍ＋Ｃ−Ｍ＋ＮＰ−Ｍの列の値は部品構造Ｒ５−Ｍの分極率と部品構造Ｃ−Ｍの分極率と部品構造ＮＰ−Ｍの分極率の和である。
【００３６】
ここで、α（ｔｏｔ）ｘｘとα（ＰＣＨ５）ｘｘを比較すると、水素原子で飽和した部品構造から求めたα（ｔｏｔ）ｘｘよりも、メチル基で飽和した部品構造から求めたα（ｔｏｔ）ｘｘの方がα（ＰＣＨ５）ｘｘにより近い値となっている。従って、α（ＰＣＨ５）ｘｘを部品構造から推定するためには、水素原子よりもメチル基で飽和させた部品構造を用いた方が高い精度で推定することができる。また、ｙｙ成分とｚｚ成分についてもｘｘ成分の場合と同様な比較を行うことによって、メチル基よりも水素原子で飽和させた部品構造を用いた方が高い精度で推定できることがわかる。
【００３７】
本実施例では、使用するすべての部品構造の分極率を部品構造データベース２５から取り出して用いたため、部品構造の分極率の計算時間は実質的に０分である。比較のためにＰＣＨ５の最安定構造の構造最適化を行って分極率を計算したところ、所要時間は約２４６５分であった。したがって、本発明による方法の方が格段に計算所要時間が短いことがわかる。
【００３８】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明の分子分極率推定方法を用いれば、いかなる分子に対しても、分極率が既知の部品構造を利用できるならば実質的に０分の計算時間で分子分極率を推定することができ、分極率が既知でない部品構造が必要な場合であっても、非常に短時間で推定することができるという効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による分子分極率推定方法の概念を示す図。
【図２】本発明による分子分極率シミュレーション装置のブロック図。
【符号の説明】
１１．ステップ１１
１２．ステップ１２
１３．ステップ１３
１４．ステップ１４
１５．ステップ１５
１６．ステップ１６
２１．部品構造作成部
２２．部品構造分極率作成部
２３．分子分極率推定部
２４．出力装置
２５．部品構造データベース
２６．分極率計算部
３１．経路３１
３２．経路３２
３３．経路３３
【図１】
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【図２】
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