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1. Yu-ya Ohnishi, Tadashi Matsunaga, Yoshihide Nakao, Hirofumi Sato, andShigeyoshi Sakaki, “Ruthenium(II)-Catalyzed Hydrogenation of Carbon
Dioxide to Formic Acid. Theoretical Study of Real Catalyst, Ligand
Effects, and Solvation Effects”, J. Am. Chem. Soc., 127, 4021-4032(2005).
2. Ken Saito, Yoshihide Nakao, Hirofumi Sato, and Shigeyoshi Sakaki,“Theoretical Study of Rhenium Dimer Complexes: Re-Re Bonding
Nature and Electronic Structure”, J. Phys. Chem. A, 110, 9710-9717(2006).
3. Mausumi Ray, Yoshihide Nakao, Hirofumi Sato, Hiroyuki Sakaba, andShigeyoshi Sakaki, “Silapropargyl/Silaallenyl and Silylene Acetylide
Complexes of [Cp(CO)2W]+. Theoretical Study of Their Interesting
Bonding Nature and Formation Reaction”, J. Am. Chem. Soc., 128,11927-11939 (2006).
4. Tatsuo Amano, Noriaki Ochi, Hirofumi Sato and Shigeyoshi Sakaki,“Oxidation Reaction by Xanthine Oxidase. Theoretical Study of Reaction
Mechanism”, J. Am. Chem. Soc., 129, 8131-8138 (2007).
5. Noriaki Ochi, Yoshihide Nakao, Hirofumi Sato, and Shigeyoshi Sakaki,“Theoretical Study of C-H and N-H σ-Bond Activation Reactions byTitinium(IV)-Imido Complex. Well Understanding based on OrbitalInteraction and Theoretical Proposal for N-H σ-Bond Activation ofAmmonia”, J. Am. Chem. Soc., in press.

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㻔㻞㻕㻌 副センター長㻌

【氏名（ふりがな）】
【職名】
【所属】
【研究室】
【直通電話】【FAX】【電子メールアドレス】【ホームページ】【研究分野】【現在の研究課題】【研究内容キーワード】【最終学歴】【学位】【略歴】【在外研究歴】【所属学会】【学会活動】【主な著書、学術論文】（過去 5 年以内）

【学術関係の受賞】

田中㻌 功㻌 （たなか㻌 いさお）
副センター長、教授
工学研究科㻌 材料工学専攻
吉田キャンパス㻌 工学部㻌 量子材料学研究室
075-753-5465
075-753-5447
tanaka@cms.MTL.kyoto-u.ac.jp
http://cms.mtl.kyoto-u.ac.jp/tanaka.html
材料科学
セラミックス基礎科学，計算材料科学
量子材料設計，第一原理計算，電子エネルギー損失分光，Ｘ線吸収分光
1987 年 3 月大阪大学大学院基礎工学研究科物理系専攻博士後期課程修了
1987 年 3 月工学博士（大阪大学）
1987 年 4 月日本学術振興会特別研究員(PD)、1987 年 6 月大阪大学産業科学研究所・助手、1993 年 4 月京都大学工学部・助手、1996 年 5 月京都
大学大学院エネルギー科学研究科・助教授、2001 年 7 月京都大学大学
院工学研究科・助教授、2003 年 12 月京都大学大学院工学研究科・教授
1992 年 4 月-1993 年 3 月ドイツ マックスプランク金属研究所・客員研究員（アレキサンダー・フォン・フンボルト財団奨学研究員）
日本金属学会、日本セラミックス協会、日本鉄鋼協会，応用物理学会、
American Ceramic Society、Materials Research Society
Journal of American Ceramics Society 編集委員、Journal of Physics :Condensed Matter 編集委員、日本金属学会評議員
1. Recent advances in new hard high-pressure nitrides, A. Zerr, R. Riedel, T.
Sekine, J. E. Lowther, W. Y. Ching, and I. Tanaka, Adv. Mater. 18,(2006) 2933-48.
2. First-principles calculations of migration energy of lithium ions in halides
and chalcogenides, I. Kishida, Y. Koyama, A. Kuwabara, T. Yamamoto,F. Oba, and I. Tanaka, J. Phys. Chem. B 110, (2006) 8258-62.
3. First-principles study of cation disordering in MgAl2O4 spinel withcluster expansion and Monte Carlo simulation, A. Seko, K. Yuge, F. Oba,
A. Kuwabara, I. Tanaka, and T. Yamamoto, Phys. Rev. B 73, (2006)
094116.
4. First-principles calculations of native defects in tin monoxide, A. Togo,
F. Oba, I. Tanaka, and K. Tatsumi, Phys. Rev. B 74, (2006) 174202.
5. Debye temperature and stiffness of carbon and boron nitride polymorphs
from first principles calculations, T. Tohei, A. Kuwabara, F. Oba, and I.
Tanaka, Phys. Rev. B 73, (2006) 064304.
6. First-principles study of bulk ordering and surface segregation in Pt-Rh
binary alloys, K. Yuge, A. Seko, A. Kuwabara, F. Oba, and I. Tanaka,
Phys. Rev. B 74, (2006) 174202.
7. General rule for displacive phase transitions in perovskite compounds
revisited by first principles calculations, T. Tohei, A. Kuwabara, T.
Yamamoto, F. Oba, and I. Tanaka, Phys. Rev. Lett. 94, (2005) 035502.
8. XANES and ELNES in ceramic science, I. Tanaka, T. Mizoguchi, and T.
Yamamoto, J. Am. Ceram. Soc. 88, (2005) 2013-29.
ルーマニア科学アカデミー ド ラ ゴ ミ ー ル ・ フ ル ム ゼ ス コ 賞 (Dragomir
Hurmuzescu Award) (2006年)
米国セラミックス学会
リチャード・フルラース賞(Richard M. FulrathAward) (2004年)
日本金属学会功績賞 (2004年)
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【氏名（ふりがな）】 太田㻌 隆夫㻌 （おおた㻌 たかお）
【職名】

副センター長、教授【所属】

理学研究科㻌 物理学・宇宙物理学専攻【研究室】

福井記念研究センター302（理学部物理第一教室が耐震改修中のため）【直通電話】

075-753-3740【FAX】

075-753-3811【電子メールアドレス】【ホームページ】【研究分野】【現在の研究課題】【研究内容キーワード】【最終学歴】

takao@scphys.kyoto-u.ac.jp
http://www.ton.scphys.kyoto-u.ac.jp/nonlinear/
相転移理論・非平衡系の統計物理学
非平衡ソフトマター物理学
高分子共重合体・ミクロ相分離・共連結構造・パターン形成
1977 年 1 月京都大学大学院理学研究科物理学第一専攻博士課程修了【学位】

1977 年 1 月理学博士（京都大学）【略歴】

1979 年 7 月九州大学理学部助手、1987 年 8 月お茶の水女子大学理学部
助教授、1991 年 1 月お茶の水女子大学理学部教授、1999 年 4 月広島大学大学院理学研究科教授、2004 年 1 月京都大学基礎物理学研究所教授、2006 年 7 月京都大学大学院理学研究科教授【在外研究歴】

1978 年 9 月-1979 年 6 月米国 Pittsburgh 大学化学（David. Jansnow 教授）（Mellon 財団研究員）【所属学会】

日本物理学会、中性子科学会、数理生物学会【学会活動】

学術会議連携会員、物理系学術誌刊行協会理事、【主な著書、学術論文】（過去 5 年以内）

1. M. Yanagisawa, M. Imai, T. Masui, S. Komura, Takao Ohta, Growth
Dynamics of Domains in Ternary Fluid Vesicles, Biophysical Journal 92,
115-125 (2007)
2. H. Shoji, K. Yamada, D. Ueyama and Takao Ohta, Turing patterns inthree dimensions, Phys. Rev. E75, 046212(13) (2007)
3. H. Tokuda, V. S. Zykov, and Takao Ohta, External forcing and feedback
control of nonlinear dissipative waves, Phys. Rev. E75, 066203(11)(2007)
4. M. Kaga and Takao Ohta, Shrinkage Dynamics of a Vesicle in Surfactant
Solutions, Eur. Phys. J. E21, 91-98 (2006)
5. H. Tokuda and Takao Ohta, Entrainment and modulation of nonlinear
dissipative waves under external forcing, J. Phys. Soc. Jpn., 75, 064005(2006)
6. N. Yoshinaga, K. Yoshikawa and Takao Ohta, Different pathways inmechanical unfolding/folding cycle of a single semiflexible polymer,
European Physical Journal E 17, 485-491(2005)
7. Y. Oono and T. Ohta, “Coarse-grained approach to polymer physics”, in“Stealing the Gold” (eds. P. M. Goldbart et al) Oxford Science
Publications, (2004).

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akagi@star.polym.kyoto-u.ac.jp
http://star.polym.kyoto-u.ac.jp/HP/indexA.html
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1. K. Akagi, “Helical Polyacetylene Synthesized in Chiral Nematic Liquid
Crystal”, Handbook of Conducting Polymers, Third Edition, Conjugated
Polymers, Eds. T. A. Skotheim and J. R. Reynolds. CRC Press, 3, p. 3 -14(2007).
2. K. Akagi, “Liquid Crystalline Conjugated Polymers - Synthesis andProperties”, Thermotropic Liquid Crystals: Recent Advances, Ed. by A.
Ramamoorthy, Springer, chap. 9, p. 249 - 275 (2007).
3. M. Goh, M. Kyotani, K. Akagi, “Highly Twisted Helical Polyacetylene
with Morphology Free From Bundle of Fibrils Synthesized in Chiral
Liquid Crystal Reaction Field”, J. Am. Chem. Soc., 129, 8519 (2007).
4. K. Akagi, "Synthesis and Properties of Liquid-Crystalline-Conjugated
Polymers", Bull. Chem. Soc. Jpn. (Accounts), 80, 649 (2007).
5. K. Akagi, S. Guo, T. Mori, M. Goh, G. Piao, M. Kyotani, “Synthesis of
Helical Polyacetylene in Chiral Nematic Liquid Crystals using Crown
Ether Type Binaphthyl Derivatives as Chiral Dopants”, J. Am. Chem.
Soc., 127, 14647 (2005).

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【氏名（ふりがな）】 今堀㻌 博㻌 （いまほり㻌 ひろし）
【職名】

教授

【所属】

物質-細胞総合システム拠点（工学研究科㻌 分子工学専攻）【研究室】

桂キャンパス㻌 A4 棟㻌 002 号室【直通電話】

075-383-2566【FAX】

075-383-2571【電子メールアドレス】【ホームページ】【研究分野】【現在の研究課題】

imahori@scl.kyoto-u.ac.jp
http://www.moleng.kyoto-u.ac.jp/~moleng_05/
有機化学・光化学
人工光合成・有機太陽電池【研究内容キーワード】

ポルフィリン・フラーレン・ナノチューブ・自己組織化・電子移動【最終学歴】

1990 年 3 月京都大学大学院理学研究科博士後期課程修了【学位】

1990 年 3 月理学博士（京都大学）【略歴】

1990 年 4 月米国ソーク生物学研究所博士研究員、1992 年 4 月大阪大学
産業科学研究所助手、1999 年 11 月大阪大学大学院工学研究科助教授、2001 年 12 月科学技術振興機構さきがけ研究代表者（兼任）、2002 年 2月京都大学大学院工学研究科教授【所属学会】

日本化学会、光化学協会、電気化学会、米国化学会、米国電気化学会【主な著書、学術論文】（過去 5 年以内）

1. H. Imahori, M. Ueda, S. Kang, H. Hayashi, H. Kaji, T. Umeyama, Y.
Matano, K. Yoshida, S. Isoda, M. Shiro, N. V. Tkachenko, H.
Lemmetyinen, “Effects of Porphyrin Substituents on Film Structure andPhotoelectrochemical Properties of Porphyrin-Fullerene Composite
Clusters Electrophoretically Deposited on Nanostructured SnO2
Electrodes,” Chem. Eur. J., in press.
2. H. Imahori, "Creation of Fullerene-Based Artificial Photosynthetic
Systems,” Bull. Chem. Soc. Jpn. (Award Accounts), 80, 621-636 (2007).
3. T. Hasobe, H. Imahori, P. V. Kamat, T. K. Ahn, S. K. Kim, D. Kim, A.
Fujimoto, T. Hirakawa, S. Fukuzumi, “Photovoltaic Cells Using
Composite Nanoclusters of Porphyrins and Fullerenes with Gold
Nanoparticles,” J. Am. Chem. Soc., 127, 1216-1228 (2005).
4. H. Imahori, Y. Sekiguchi, Y. Kashiwagi, T. Sato, Y. Araki, O. Ito, H.
Yamada, S. Fukuzumi, “Long-Lived Charge-Separated State Generated in
Ferrocene-meso,meso-Linked Porphyrin Trimer-Fullerene Pentad with aHigh Quantum Yield,” Chem. Eur. J., 10, 3184-3196 (2004).
5. H. Yamada, H. Imahori, Y. Nishimura, I. Yamazaki, T. K. Ahn, S. K. Kim,
D. Kim, S. Fukuzumi, “Photovoltaic Properties of Self-Assembled
Monolayers of Porphyrins and Porphyrin-Fullerene Dyads on ITO andGold Surfaces,” J. Am. Chem. Soc., 125, 9129-9139 (2003).

【学術関係の受賞】

2002 年 SPP (The Society of Porphyrins and Phthalocyanines )-JPP (The
Journal of Porphyrins and Phthalocyanines) Young InvestigatorAward
2004 年光化学協会賞
2006 年日本学術振興会賞
2006 年日本化学会学術賞
2007 年東京テクノ・フォーラム 21 ゴールド・メダル賞
2007 年大阪科学賞

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【氏名（ふりがな）】 佐藤㻌 直樹㻌 （さとう㻌 なおき）
【職名】

教授

【所属】

化学研究所㻌 複合基盤化学研究系㻌 分子集合解析研究領域【研究室】

宇治キャンパス化学研究所本館 C-339 号室【直通電話】

0774-38-3080【FAX】

0774-38-3084【電子メールアドレス】【ホームページ】【研究分野】【現在の研究課題】【研究内容キーワード】【最終学歴】

naokis@e.kuicr.kyoto-u.ac.jp
http://www.kuicr.kyoto-u.ac.jp/labos/is2/scope_J.html
有機物性化学
有機結晶・薄膜の構造・電子構造・電子物性の相関研究
有機半導体・有機薄膜・分子集合体・電子分光・界面物性・分子系構築
1976 年 3 月東京大学大学院理学系研究科化学専門課程修士課程修了【学位】

1983 年 3 月理学博士（東京大学）【略歴】

1976 年 4 月分子科学研究所分子集団研究系技官、1984 年 4 月熊本大学
理学部助手、1987 年 4 月東京大学教養学部助教授、1992 年 5 月京都大学化学研究所教授【在外研究歴】

1989 年 5 月-7 月スウェーデン Linköping 大学物理学科（William R.
Salaneck 教授）（Visiting Scholar）【所属学会】

日本化学会、日本物理学会、日本分光学会、分子科学会、光化学協会【学会活動】

日本化学会有機結晶部会長、日本化学会有機結晶ディビジョン副主査、分子科学会運営委員【主な著書、学術論文】（過去 5 年以内）

1. Hiroyuki Yoshida and Naoki Sato, Deposition of acrylonitrile cluster ionson solid substrates: Thin film formation by intracluster polymerization
products, J. Phys. Chem. B 110, 4232-4239 (2006).
2. Richard Murdey, Naoki Sato and Marcel Bouvet, Frontier electronic
structures in fluorinated copper phthalocyanine thin films studied using
ultraviolet and inverse photoemission spectroscopies, Mol. Cryst. Liq.
Cryst. 455, 211-218 (2006).
3. Hiroyuki Yoshida and Naoki Sato, Grazing-incidence x-ray diffraction
study of pentacene thin films with the bulk phase structure, Appl. Phys.
Lett. 89, 101919 [3 pages] (2006).
4. Hiroyuki Yoshida, Katsuhiko Inaba and Naoki Sato, X-ray diffraction
reciprocal space mapping study of the thin film phase of pentacene, Appl.
Phys. Lett. 90, 181930 [3 pages] (2007).
5. Keiichi Katoh, Takahiro Sasamori, Norihiro Tokitoh and Naoki Sato,
Synthesis of a donor molecule with metal coordination sites toward
multifunctional complexes, Chem. Lett. 36, 1122-1123 (2007).

【学術関係の受賞】

1985 年 4 月日本化学会（第 34 回）進歩賞受賞  

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1. Hiroyoshi Noguchi, Kosho Hojo, Michinori Suginome, “Boron-Masking
Strategy for the Selective Synthesis of Oligoarenes via Iterative
Suzuki-Miyaura Coupling,” J. Am. Chem. Soc. 129, 758-759 (2007).
2. Toshimichi Ohmura, Hiroki Taniguchi, Yoshiyuki Kondo, Michinori
Suginome, "Palladium-Catalyzed Asymmetric Silaborative C–C Cleavageof meso-Methylenecyclopropanes,” J. Am. Chem. Soc. 129, 3518–3519(2007).
3. Toshimichi Ohmura, Hideki Furukawa, Michinori Suginome,“Ligand-Controlled,
Complementary
Stereoselectivity
inthePlatinum-Catalyzed Intramolecular Silaboration of Alkenes,” J. Am.
Chem. Soc. 128, 13366-13367 (2006).
4. Michinori Suginome, Masamichi Shirakura, Akihiko Yamamoto,“Nickel-Catalyzed Addition of Alkynylboranes to Alkynes,” J. Am.
Chem. Soc. 128, 14438-14439 (2006).
5. Toshimichi Ohmura, Hiroki Taniguchi, Michinori Suginome,"Palladium-Catalyzed Asymmetric Silaboration of Allenes,” J. Am.
Chem. Soc. 129, 13682–13683 (2006).

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Vise Chair, International Conference of Biological Physics (Kyoto, 2001)䇮
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1. Y. Sumino, N. Magome, T. Hamada, and K. Yoshikawa, “Self Running
Droplet: Emergence of Regular Motion from Nonequiliburium Noise”,
Phys. Rev. Lett., 94, 068301 (2005).
2. M. Hase and K. Yoshikawa, “Structural transition of actin filament in acell-sized water droplet with a phospholipid membrane”, J. Chem. Phys.,
124, 104903 (2006).
3. M. Hase, S.N. Watanabe, and K. Yoshikawa, “Rhythmic motion of adroplet under a dc electric field”, Phys. Rev. E, 74, 046301 (2006).
4. A.A. Zinchenko, F. Luckel, and K. Yoshikawa “Transcription of Giant
DNA Complexed with Cationic Nanoparticles as a Simple Model of
Chromatin”, Biophys. J., 92, 1318-1325 (2007).
5. H. Mayama, T. Nakai, E. Takushi, K. Tsujii, and K. Yoshikawa “Marked
differences in volume phase transitions between gel and single moleculein DNA”, J. of Chem. Phys., 127, 1 (2007).

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【氏名（ふりがな）】 有賀 哲也㻌 （あるが てつや）
【職名】

教授

【所属】

理学研究科 化学専攻

【研究室】

理学研究科㻌 6 号館㻌 271【FAX】【電子メールアドレス】【ホームページ】【研究分野】【現在の研究課題】【研究内容キーワード】【最終学歴】

075-753-4000
aruga@kuchem.kyoto-u.ac.jp
http://kuchem.kyoto-u.ac.jp/hyoumen/
表面物性化学
表面伝導電子のスピン軌道相互作用・表面相転移
表面 Peierls 転移・Rashba 効果・スピン流1986 年 3 月東京大学大学院理学系研究科化学専門課程博士課程修了【学位】

1986 年 3 月理学博士（東京大学）【略歴】

1986 年 4 月東京大学理学部助手、1992 年 10 月東京大学理学部講師、1993 年 7 月京都大学理学部助教授、2004 年 2 月京都大学大学院理学研
究科教授【所属学会】

日本化学会、日本物理学会、日本表面科学会、真空協会【学会活動】

1996-1997 日本化学会近畿支部幹事、2000-2001 日本物理学会領域 9 世
話人【主な著書、学術論文】（過去 5 年以内）

1. "Transition between tetramer and monomer phases driven by vacancy
configuration entropy on Bi/Ag(001)", T. Nakagawa, O. Ohgami, Y.
Saito, H. Okuyama, M. Nishijima, and T. Aruga, Phys. Rev. B 75,
155409(1-7) (2007).
2. “Adsorbed states and STM induced migration of acetylene on Cu(110)”,
T. Kumagai, S. Hatta, H. Okuyama and T. Aruga, J. Chem. Phys. 126,
234708 (1-6) (2007).
3. “Surface Peierls transition on Cu(001) covered with heavier p-block
metals”, T. Aruga, Surf. Sci. Rep. 61, 283-302 (2006).
4. "Order-disorder transition in the surface charge-density-wave phase ofCu(001)-c(4x4)-In", S. Hatta, H. Okuyama, T. Aruga, and O. Sakata,Phys. Rev. B 72, 081406 (2005).
5. "Temperature dependence of the charge-density-wave energy gap on
In/Cu(001)", S. Hatta, H. Okuyama, M. Nishijima, and T. Aruga, Phys.
Rev. B 71, 041401 (2005).

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【氏名（ふりがな）】 加藤㻌 重樹㻌 （かとう㻌 しげき）
【職名】

教授

【所属】

京都大学理学研究科㻌 化学専攻

【研究室】

理学研究科

【直通電話】

075-753-4004【FAX】

075-753-4000【電子メールアドレス】【ホームページ】【研究分野】【現在の研究課題】【最終学歴】

shigeki@kuchem.kyoto-u.ac.jp
http://kuchem.kyoto-u.ac.jp/riron/index.html
理論化学、化学反応理論
化学反応ダイナミックスについての理論的研究
1976 年京都大学大学院工学研究科石油化学専攻博士課程修了【学位】

1976 年工学博士（京都大学）【略歴】

1977 年分子科学研究所理論研究系助手、1984 年名古屋大学教養部助手、1985 年名古屋大学教養部講師、1986 年東京大学教養学部助教授、1990 年京都大学理学部教授【所属学会】【主な著書、学術論文】（過去 5 年以内）

【学術関係の受賞】

日本化学会
1.

Yamamoto, Takeshi; Kato, Shigeki., Ab initio calculation of
proton-coupled electron transfer rates using the external-potential
representation: A ubiquinol complex in solution., Journal of Chemical
Physics (2007), 126(22), 224514/1-224514/15.

2.

Higashi, Masahiro; Hayashi, Shigehiko; Kato, Shigeki., Geometry
optimization based on linear response free energy with quantum
mechanical/molecular mechanical method: applications to
Menshutkin-type and Claisen rearrangement reactions in aqueous
solution., Journal of Chemical Physics (2007), 126(14),144503/1-144503/10.

3.

Higashi, Masahiro; Hayashi, Shigehiko; Kato, Shigeki., Transition
state determination of enzyme reaction on free energy surface:
Application to chorismate mutase., Chemical Physics Letters (2007),
437(4-6), 293-297.

4.

Minezawa, Noriyuki; Kato, Shigeki., Efficient implementation of
three-dimensional reference interaction site model self-consistent-field
method: application to solvatochromic shift calculations., Journal ofChemical Physics (2007), 126(5), 054511/1-054511/15.

5.

Yamazaki, Shohei; Kato, Shigeki., Solvent Effect on ConicalIntersections in Excited-State 9H-Adenine: Radiationless Decay
Mechanism in Polar Solvent., Journal of the American Chemical
Society (2007), 129(10), 2901-2909.

1992 年日本 IBM 科学賞

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【氏名（ふりがな）】 田中㻌 文彦㻌 （たなか㻌 ふみひこ）
【職名】

教授

【所属】

工学研究科㻌 高分子化学専攻【研究室】

桂キャンパス㻌 A3 棟㻌 113 号室【直通電話】

075-383-2705【FAX】

075-383-2705【電子メールアドレス】【ホームページ】【研究分野】【現在の研究課題】【研究内容キーワード】【最終学歴】

ftanaka@phys.polym.kyoto-u.ac.jp
http://www.phys.polym.kyoto-u.ac.jp
高分子物理学，統計力学
高分子溶液の相転移とレオロジー
高分子水溶液・テレケリック会合高分子・ゾル-ゲル転移
1976 年 3 月東京大学理学系大学院物理学専攻博士課程修了【学位】

1976 年 3 月理学博士（東京大学）【略歴】

1976 年 4 月東京大学理学部助手，1981 年 4 月東京農工大学一般教育部
助教授，1994 年 4 月同教授，1995 年 4 月同工学部教授，1997 年 4 月京都大学工学研究科教授【在外研究歴】

1978 年 10 月-1980 年 3 月英国 Cambridge 大学 Cavendish 研究所（S.F.Edwards 教授）博士研究員,1990 年 4 月-1991 年 3 月同（文部省在外研究員）【所属学会】

高分子学会，日本物理学会，日本レオロジー学会，日本化学会，
American Chemical Society【主な著書、学術論文】（過去 5 年以内）

1. Y. Okada, F. Tanaka, P. Kujawa and F. M. Winnik, A Unified Model of
Association-Induced LCST Phase Separation and its Application to
Solutions of Telechelic PEOs and of telechelic PNIPAMs, J. Chem. Phys.
125(24), (2006) 244902[1-11].
2. Y. Okada and F. Tanaka, Pressure-Conrolled Thermoreversible Gelation,
Macromolecules 39(23), (2006) 8153-8162.
3. F.Tanaka and T.Koga, Nonaffine Transient Network Theory of Associating
Polymer Solutions, Macromolecules 39(17), (2006) 5913-5920.
4. F.Tanaka, Thermoreversible Gelation is a Bose-Einstein Condensation,
Phys. Rev. E 73, (2006) 061405[1-6].
5. F.Tanaka, Theory of Molecular Association and Thermoreversible
Gelation, Chap.1 in “Molecular Gels; Materials with Self-Assembled
Fibrillar Networks” ed. P.Terech and R.G.Weiss, Springer Verlag (2006)
1-68.

【学術関係の受賞】

高分子学会賞（科学）（2001 年度）

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ehara@sbchem.kyoto-u.ac.jp
http://www.sbchem.kyoto-u.ac.jp/qpc-lab/qpc.htmlℂ⺰ൻቇ䊶⸘▚ൻቇ
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1. M. Ishida, K. Toyota, M. Ehara, H. Nakatsuji, M. J. Frisch, Analytical
Energy Gradient of the Symmetry Adapted Cluster-Configuration
Interaction General-R Method for Singlet to Septet Ground and Excited
States, J. Chem. Phys. 120, 2593-2605 (2004).
2. M. Ehara, Y. Ohtsuka, H. Nakatsuji, M. Takahashi, Y. Udagawa,
Theoretical Fine Spectroscopy with SAC-CI Method: Outer- andInner-Valence Ionization Spectra of Furan, Pyrrole, and Thiophene, J.
Chem. Phys. 122, 234319-1-10 (2005).
3. M. Ehara, H. Nakatsuji, M. Matsumoto, T. Hatamoto, X.-J. Liu, T.
Lischke, G. Pruemper, T. Tanaka, C. Makochekanwa, M. Hoshino, H.
Tanaka, J. R. Harries, Y. Tamenori, K. Ueda, Symmetry-Dependent
Vibrational Excitation in N 1s Photoionization of N2: Experiment andTheory, J. Chem. Phys. 124, 124311-1-8 (2006).
4. B. Saha, M. Ehara, H. Nakatsuji, Investigation of the Electronic Spectra
and Excited State Geometries of Poly-para-Phenylene Vinylene andPoly-para-Phenylene by Symmetry-Adapted Cluster-Configuration
Interaction (SAC-CI) Method, J. Phys. Chem. A 111, 5473-5481 (2007).
5. M. Ehara, S. Fukawa, H. Nakatsuji, D. David, E. Z. Pinkhassik, M.
Apostol, J. Michl, Coupling between Substituents as a Function of Cage
Structure. Synthesis and Valence Ionized States of Bridgehead
Disubstituted Parent and Hexafluorinated Bicyclo[1.1.1]pentane
Derivatives, C5X6Y2, Chemistry-An Asian Journal, 2, 1007-1019 (2007).

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1. What We can Learn about Protein Folding from Recent Progress in
Structure Prediction, Frontiers of Computational Science(Springer),
149-155, 2007
2. Tomoshi Kameda and Shoji Takada, Secondary structure templates thefolding of nearby polypeptides, Proceedings of the National Academy of
Sciences USA, 103:17765-17770, 2006
3. Kei-ichi Okazaki, Nobuyasu Koga, Shoji Takada, Jose N Onuchic, andPeter G Wolynes, Multiple-basin energy landscapes for large amplitudeconformational motions of proteins: Structure-based molecular dynamics
simulations, Proceedings of the National Academy of Sciences USA,
103(No.32):11844-11849, 2006
4. Nobuyasu Koga and Shoji Takada, Folding-based molecular simulations
reveal mechanisms of the rotary motor F1-ATPase, Proceedings of the
National Academy of Sciences USA, 103(No.14):5367-5372, 2006
5. Chigusa Kobayashi and Shoji Takada, Protein grabs a ligand by extending
anchor residues: Molecular simulation for Ca2+ binding to calmodulin
loop, Biophysical Journal, 90:3043-3051, 2006  

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【氏名（ふりがな）】 石田㻌 俊正㻌 （いしだ㻌 としまさ）
【職名】

准教授

【所属】

福井謙一記念研究センター㻌 総合研究部門【研究室】

福井記念研究センター205【直通電話】

075-711-7838【FAX】

075-711-7838【電子メールアドレス】【ホームページ】【研究分野】

ishida@fukui.kyoto-u.ac.jp
http://www.fukui.kyoto-u.ac.jp/~ishida
計算化学・理論化学【現在の研究課題】

光機能分子の反応・ポテンシャル面生成法【研究内容キーワード】

光機能分子・ポテンシャル面・非断熱遷移【最終学歴】

1989 年 3 月東京大学理学系大学院相関理化学専攻博士課程修了【学位】

1989 年 3 月理学博士（東京大学）【略歴】

1989 年 4 月静岡大学教養部助手、1995 年 4 月同助教授、1995 年 10 月
同工学部助教授、2002 年 4 月岡崎国立共同研究機構分子科学研究所助教授（流動部門）、2004 年 4 月静岡大学工学部助教授、2004 年 10 月京都大学福井謙一記念研究センター助教授、2007 年 4 月同准教授【在外研究歴】

1996 年 4 月-1997 年 3 月米国 Northwestern 大学化学（George C. Schatz
教授）（文部省在外研究員（若手））【所属学会】

日 本 化 学 会 、 日 本 分 子 化 学 会 、 日 本 コ ン ピ ュー タ 化 学 会 、 American
Physical Society【主な著書、学術論文】（5 年以内）

1. Shinkoh NANBU, Toshimasa ISHIDA, and Hiroki NAKAMURA,“Atomic hydrogen transmission through five-membered carbon ring by
the mechanism of nonadiabatic tunneling” Chem. Phys. 324(2-3),
721-732(2006).
2. Gennady V. Mil'nikov, Toshimasa Ishida, Hiroki Nakamura, "Tunneling
Splitting of Energy Levels and Rotational Constants in the Vinyl Radical
C2H3”, J. Phys. Chem. A. 110, 5430-5435(2006).
3. Hiroyuki Tamura, Shinko Nanbu, Toshimasa Ishida and Hiroki
Nakamura, Ab initio nonadiabatic quantum dynamics of
cyclohexadiene/hexatriene ultrafast photoisomerization, J. Chem. Phys.
124, 084313 (2006).
4. Hiroyuki Tamura, Shinko Nanbu, Toshimasa Ishida and Hiroki
Nakamura, Laser control of reactions of photoswitching functional
molecules, J. Chem. Phys. 125, 034307 (2006).
5. T. Ishida, H. Kanno and J. Aihara, Magnetic Resonance Energies of
Polycyclic Aromatic Hydrocarbon Molecular Ions, Polish J. Chem., 81,
699-710(2007).

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075-383-2803

䇼FAX䇽

075-383-2555

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tsato@scl.kyoto-u.ac.jp
http://www.moleng.kyoto-u.ac.jp/~moleng_10/index_J.htmlℂ⺰ൻቇ䊶‛ℂൻቇᝄ㔚⋧੕૞↪䇮න৻ಽሶવዉ䇮⺃㔚૕
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1. Tohru Sato and Arnout Ceulemans, "Vibronic and spin-orbit coupling of ad 9 transition-metal ion encapsulated in an icosahedral cage: The(㰰8+㰰9)×(g+2h) Jahn-Teller problem", J. Chem. Phys. 126, 184501(2007)
2. Tohru Sato, Ken Tokunaga, and Kazuyoshi Tanaka, "Vibronic Couplingin Cyclopentadienyl Radical: A Method for Calculation of Vibronic
Coupling Constant and Vibronic Coupling Density Analysis", J. Chem.
Phys. 124, 024314 1-12(2006).
3. Tohru Sato, Liviu F. Chibotaru, and Arnout Ceulemans, "The E  edynamic Jahn-Teller problem: A new insight from the strong coupling
limit", J. Chem. Phys. 122, 054104 1-12(2005).
4. Ken Tokunaga, Tohru Sato, and Kazuyoshi Tanaka, "Vibronic coupling inbenzene cation and anion: Vibronic coupling and frontier electron density
in Jahn-Teller molecules", J. Chem. Phys. 124, 154303 1-10(2006).
5. Tohru Sato, Yasutaka Kuzumoto, Ken Tokunaga, Hiroshi Imahori, andKazuyoshi Tanaka, "Symmetry of the electronic and geometric structuresof metallofullerene M@C74 (M=Be, Mg, Ca, Sr, and Ba) in terms ofvibronic coupling", Chem. Phys. Lett. 442 (2007) 47-52.

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【氏名（ふりがな）】 諸熊㻌 奎治㻌 （もろくま㻌 けいじ）
【職名】

リサーチリーダー【所属】

福井謙一記念研究センター㻌 福井謙一記念研究部第一【研究室】

福井謙一記念研究センター209【直通電話】

075-711-7843【FAX】

075-781-4757【電子メールアドレス】【ホームページ】【研究分野】【現在の研究課題】【研究内容キーワード】【最終学歴】

morokuma@fukui.kyoto-u.ac.jp
http://www.fukui.kyoto-u.ac.jp/~morokuma
理論化学・計算化学
複雑分子系の複合分子理論によるシミュレーション
複合分子理論。複雑分子系、シミュレーション、ナノ構造、酵素反応
1963 年 3 月京都大学大学院工学研究科博士課程修了【学位】

1963 年 3 月工学博士（京都大学）【略歴】

1962 年 4 月京都大学工学部助手、1964 年 9 月 Columbia 大学客員助教
授、1966 年 9 月 Harvard 大学博士研究員、1967 年 9 月 Rochester 大学助教授、1971 年 9 月同教授、1976 年 12 月分子科学研究所教授、1993 年 1
月 Emory 大学 William H. Emerson 教授、2006 年 9 月京都大学福井謙一
記念研究センター福井謙一記念研究部第一リサーチリーダー【所属学会】【主な著書、学術論文】（過去 5 年以内）

日本化学会、American Chemical Society、American Physical Society
過去5年間に約120報
1. M. Lundberg and K. Morokuma, Protein Environment Facilitates O2
Binding in Non-Heme Iron Enzyme. An Insight from ONIOM
Calculations on Isopenicillin N Synthase (IPNS). J. Phys. Chem. B, 111,
9380-9389 (2007).
2. P. Bobadova-Parvanova, Q. Wang, D. Quinonero-Santiago, K. Morokuma
and D. G. Musaev, Does Dinitrogen Hydrogenation Follow via Different
andMechanismon[(η5-C5Me4H)2Zr]2(μ2,η2,η2-N2)
2 2
Complexes?
A{[PhP(CH2SiMe2NSiMe2CH2)2]Zr}2(μ2,η ,η -N2)
Computational Study. J. Am. Chem. Soc. 128, 11391-11403 (2006).
3. S. Irle, G. Zheng, Z. Wang and K. Morokuma, The C60 Formation Puzzle“Solved”: QM/MD Simulations Reveal the Shrinking Hot Giant Road of
the Dynamic Fullerene Self-Assembly Mechanism. J. Phys. Chem. B,
110, 14531-14545 (2006).

【学術関係の受賞】

Alfred P. Sloan Research Fellowship, 1970-72; International Academy of
Quantum Molecular Science (IAQMS) Annual Award, 1978: Bourke
Lectureship, Faraday Division, Royal Society of Chemistry, U.K., 1990; 日
本化学会賞, 1992; The Schrödinger Medal, The World Association ofTheoretical Organic Chemists (WATOC), 1993; Listed in top 100 most citedscientistsinchemistryfor2005.
http://www.in-cites.com/nobel/2005-che-top100.html; The Fukui Medal,
Asian Pacific Association of Theoretical & Computational Chemists, 2005;
Mizushima-Raman Lectureship Award, Indian DST and Japanese JSPS,
February 2008  

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本研究室では「化学事象の本質を理解・予測するための理論化学の展開」を目的に、「新しい理論の開発から現実の化学現象や化学反応（複雑な触媒反応や有機合成反応、金属酵素反応など）に密着した理論計算」まで、様々な取組みを行っている。それらの取り組みは「複合電子系の構造、電子状
態、反応過程の理論的研究」、「大規模系の理論計算方法の開発」、「溶液、溶媒和理論の開発と応用」に大別される。
（１）複合電子系の構造、電子状態、反応過程の理論的研究：
複合電子系とは、遷移金属元素や有機官能基、ヘテロ元素、典型金属などを同一系内に持つものであり、VS 電子に加えてｄ電子、超原子価、ルイス酸性などが複雑に関与して構造や反応性を決めており、基礎化学的にも応用的にも興味深い研究対象である。このような化合物や反応は有機化学反応に比べて複雑な電子構造、反応機構を持ち、理論的解明も遅れている。我々は触媒的有機合成反応や有機金属化学反応、錯体触媒反応の反応機構、反応の電子的過程の理論的解明、分子論的理解を深め、反応予測と制御を達成することを目指している。最近では二酸化炭素の水素化反応、3G によるクロス
カップリング反応など、実験分野で興味深い反応の機構を解明し、制御に必要な知見を得た。
（２）大規模系の理論計算方法の開発㻌
ナノサイエンスの発展と共に、 原子を越すような大規模分子系の高精度計算も必要とされてきている。本研究室ではそのような大きな分子系に適用可能な高精度大規模計算法を開発し、実在する分子や反応系の高精度理論計算に挑戦している。大きな系には密度汎関数理論が広く使用されているが、金属と ȧ 電子系との相互作用が過小評価されるなどの欠点も見出されており、大規模系へ適用可
能な SRVW+DUWUHH)RFN 法の開発が求められている。
遷移金属錯体では配位子の置換基が大きくなり、
高精度計算が困難になる例が多い。本研究室では一電子演算子により置換基の電子効果を効果的に取り込み、高精度計算を行う方法を開発し、大規模系の &&6' 7 などの高精度計算へ応用している。
（３）溶液、溶媒和理論の開発と応用
多くの化学反応で溶媒和効果が大きな役割を果たしているが、従来その理論的な取り扱いは不十分であった。本研究室では、佐藤（啓）准教授が中心となって、分子性液体の新規積分方程式理論を開発するとともに、それらを電子状態理論と組み合わせた理論方法を構築し、溶媒和構造の解明や溶液
内反応などへの応用を行っている。このような溶媒を考慮することで、分子の性質や反応のより正しい理解が可能になっている。最近では溶媒和構造の三次元分布を直接求められる新手法を開発し、これまで以上に精密な溶媒和構造を示すことが出来た。また、共鳴理論のように、分子軌道法の計算結果を原子価結合法の観点から解析する手法を開発した。これを溶媒和理論と組み合わせ、溶媒がイオ
ン結合、共有結合にどう影響するか、を明らかにした。

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総合研究部門
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教授
田中
 功
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(１) 第一原理統計熱力学法の開発と材料科学への応用
密度汎関数法に基づいたバンド計算を材料研究に応用する試みは 1980 年代に開始し，その後の計算機と計算技術の進歩により着実な成果を上げてきた．21 世紀に入ったころから，格子振動を擬調和近似の範囲で精度よく計算できるようになり，物質の比熱や自由エネルギーのような熱力学関数が第一原理的に求められるようになってきた．また，網羅的な第一原理計算をク
ラスター展開法やモンテカルロ法などの統計力学手法と組
み合わることにより，固溶体や化合物の原子配列を議論することが可能となってきた．われわれは，これらの手法を第一原理統計熱力学法と呼び，計算手法の開発と，それを材料開発に応用する研究を進めている．エネルギー変換材
料や半導体材料，光学材料や生体材料のように材料工学として興味ある物質を対象とし，その状態図や相転移，拡散のような基本現象にアプローチしている．
(２)

㻌 MgO-ZnO 擬２元系の岩塩型構造固溶体
領域の温度および圧力依存性の第一原理計算結果．実験結果をよく再現している．

XANES と ELNES のナノ材料科学への応用

 X線吸収スペクトルの吸収端近傍微細構造（XANES）は，内殻軌道から非占有軌道への電子励起に起因することから，注目する材料のナノ構造を反映する．実験方法を工夫すれば，ppmオーダーの不純物
や，材料の表面，界面を修飾している機能元素の局所環境を評価することができる．これと同様の情報を与える分光法に，電子顕微鏡を利用した電子エネルギー損失分光励起端近傍微細構造（ELNES）法がある．この手法は，Ｘ線を利用した実験と異なり，微細組織と対応させた状態分析ができるというユニークな特長を持つ．最先端の電子顕微鏡を用いれば，電子ビーム径0.1nmでの原子カラム毎の測定も可能である．われわれは，このXANESやELNESの計算手法を開発すると同時に，放射光や電子顕微鏡を用いた実験を行い，これらの分析法を材料
科学の様々な問題に適用すべく研究を進めて㻌
MnO 及び Mn 添加 ZnO からの Mn L2,3 端 XANESおよび，その相対論 DFT-CI 法による理論計算結果．
この比較により，ZnO 中の Mn は形式電荷 2+で，高スピン状態，４配位環境にあることがわかる．

いる．

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（１）非平衡系の統計物理学
熱平衡近傍での線形非平衡系についてはアインシュタインのブラウン運動に始まり、前世紀中頃には揺動散逸定理、線形応答理論の形に理論がまとめられた。一方、熱平衡から大きく離れた非平衡系の構造形成、ダイナミクスの系統的研究は１９７０年代に始まった。これまでに、現象を表現する方法については縮約理論などの優れた成果が得られているが、熱平衡統計力学のエントロピー
最大の原理のような普遍法則は未知であり、非平衡系の観測量を第一原理的に計算する理論体系も未発達である。熱平衡近傍の揺動散逸定理を特別な場合として含み、より一般的な状況で成立する、
いわゆる、揺らぎの定理が最近注目されている。これらをさらに発展させ、非平衡開放系の統計物
理学の構築を目指した研究を行っている。このような問題は長い間、純学問的な見地からのみ語られてきたが、近年の材料科学や生命科学における実験的進歩は非線形非平衡系研究に質的変革が起ころうとしていることを指摘したい。生体細胞内の１分子計測や光ピ ンセット法で得られたデー
タがミクロ非平衡系のどのような情報を含んでいるのか、あるいは、ナノスケールでの非平衡構造を効率よく制御するにはどうしたらよいかなどは一見、応用的であるが、実際は非平衡系の基本問題と直結している。これらを解決するために、数理モデルの導入とその解析、実験データから背後の法則性を見抜く現象論の展開などによる研究を遂行している。
（２） 非平衡ソフトマター物理学
ソフトマターの特徴の一つは構成する（高）分子が自己集合し 㻝～㻝㻜㻜㼚㼙 のナノまたはメソスコピックな内部構造を形成することである。さらに、ソフトマターは力学的に「ソフト」な応答を示し、同時に非常にゆっくりとしたダイナミクスを発現する。すなわち、ソフトマターは小さな外場で大きな構造変化を示す非線形性と、熱平衡への緩和での著しく遅いダイナミクスを兼ね備えている。我々はこのようなソフトマターの特徴をふまえ、外場によるソフトマターの非平衡ダイナミクスの研究を行っている。メソスコピック構造からの非線形応答の計算機シミュレーションと理論解析を行い、階層性をもつ系の普遍な動的性質を明らかにするが目的である。メソ構造形成と外場との相互作用を調べることで、新しい非平衡構造を探求すると同時にその制御に対する知見を得ることができる。基礎物理学的な原理に基づいて非平衡ソフトマターの階層構造形成のメカニズムを理解することは、長期的には、分子の持つ自己組織化能力を用いて、様々なスケールの巨大な構造を自在に設計することにつながり、さらには、究極のボトムアップ手法のナノテクノロジーとなり得る。その成果は、光デバイス、有機・高分子材料、薬品、化粧品、食品などの高機能材料の設計・試作・プロセスといった産業応用に波及するであろうし、同時に、生体構造、生命現象への理解へと研究が発展拡大していくと期待できる。

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総合研究部門スーパーバイザー 
教授
和夫
  赤木  共役ポリマーの超階層性らせん構造の制御と機能創出 これまで、液晶のもつ自発配向性や外場応答性を利用して、共役ポリマーの不斉反応場の構築や、液晶性の直接付与を展開してきた。これにより、階層性らせん構造を有するヘリカルポリアセチレンを合成することに成功した。また、電気的異方性や発光二色性をもつ液晶性共役ポリマーや、高速電場応答性を有する強誘電型液晶性共役ポリマーを開発した。͒
 本研究では、液晶を用いた特殊反応場を構築し、階層性が制御された巨視的配向や渦巻き状などの特異な構造や形態を有する導電性・発光性・液晶性高分子を合成することを目標とする。具体的には、不斉液晶場での重合を展開・確立し、一次構造から高次構造に至るまで、らせん構造を自在に制御した超階層性らせん状共役ポリマーを合成する。外部摂動を不斉液晶場に印加することで、ポリマーのらせん形態を配向させ、誘起ソレノイド磁性などの革新的な電磁気的性質を導出する。次に、液晶性とらせん構造を併せ持つ次世代共役ポリマーを創成し、発光時での直線偏光性や円偏光性を創出する。
 ȧ電子が鎖上に非局在化した共役高分子に新たな機能を発現させることで、次代の電子・光ポリマ
ー材料を開発するとともに、「高分子と液晶が融合した新しい学域の創成」を目指している。

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総合研究部門 !"

# $ %& 今堀
スーパーバイザー博' 有機太陽電池の開発
 近年，エネルギー・環境問題の観点から，太陽エネルギーの有効利用に注目が集まっています。有機太陽電池は，柔軟性，着色性，軽量性，低コストなどの長所を有していますが，現在のところ，エネルギー変換効率は十分とは言えず，さらなる向上が必要です。本研究では，合理的な分子設計・有機合成により，電極上に色素分子を望み通りに
自己組織化させることで，高効率有機太陽電池の開発を目指しています。具体的には，
色素増感太陽電池，バルクヘテロ接合太陽電池，両特性を有する新規有機太陽電池に関する研究を行っており，エネルギー変換効率で最高 程度を達成しています。
 カーボンナノチューブの基本物性の解明と光機能化 カーボンナノチューブはナノレベルで制御された構造を持つために，バルク状態とは異なった物性を示しますが，その応用はまだ始まったばかりです。特に光機能化に関しては，カーボンナノチューブを光触媒や太陽電池などの人工光合成に利用することが考えられます。本研究では，カーボンナノチューブの有機合成を利用した可溶化や，光物性・電子移動特性の解明を行なうことで，光機能性材料としての応用の可能性を検討しています。
 光機能性分子で修飾されたナノ微粒子の合成と光機能化
 光機能性分子デバイスを構築するためには，分子のナノレベルでの３次元的な組織化が重要です。本研究では，ポルフィリンなどの光機能性分子を金属・半導体・絶縁体ナノ微粒子上に自己組織化することで，光捕集材料，光センサー，光触媒，光電池などへ応用することが目標です。光機能性分子で修飾された新規ナノ微粒子を分子設計・有機合成し，その構造と光物性を解明することで，光機能発現を目指しています。  

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教授 佐藤 直樹（１）有機固体・薄膜とその表面・界面の電子構造解析

有機化合物、金属錯体、または高分子の、主に（蒸着）薄膜やその表面・界面の電子構造を、価電子状態は紫外光電子分光法（UPS）、空状態は逆光電子分光法（IPES）を使って観測する。これらの測定により、特に注目している有機半導体の電子物性の発現を支配するエネルギーギャップの上下の電子構造を直接的にとらえることができる。下図は、有機エレクトロニクスへの応用にも密接にかかわるフタロシアニン誘導体の薄膜について、それらのフロンティア電子構造を実測した
例 [2] である。
基本的には分子の電子構造から導かれる凝集相の電子構

I

CuPc

CuPc

造の形成を、分子の集合構造との相関から明らかにするとCu(F8Pc)

ともに、基礎・応用の両面か
ら重要な表面・界面が係わる

Cu(F8Pc)

問題にも注力しつつある。一Cu(F16Pc)

般には弱い分子間相互作用で結合している有機固体でも、Cu(F16Pc)

分子や集合形態によっては顕著な付加的相互作用の解明にも重きを置いている。

銅フタロシアニンとそのフッ素置換体の薄膜の価電子状態（左：紫外光電子分光法）および空状態（右：逆光電子分光法）の電子構造（２） 新奇な電子物性を示す分子集合系の創出

注目すべき電子物性の発現が期待できる分子集合体を創り出すため、（１）の電子構造研究で得られる知見を活用し、集合形態を初めから考慮して新分子の設計を行ったり、既知の分子の集合化を制御して新しい物質を創出したりする研究も進めている。とくに、電子構造の観点から特異な結合や構造をもつ分子の設計・合成、既存分子の中からそのような特徴をもつ分子の選択を行い、それらの特異な集合構造の実現による新しい分子システムの構築を企図している。一例として、電子供与性の基と電子受容性の基を適度な非局在性をもつ結合でつなぎ、高い両性と極性をもつ分子を創り、分子内と分子間の電荷移動相互作用のバランスによる顕著な電子的特性が期待できる系の実現を目指している。
（３）動的物性の発現を導きうる有機固相反応の探索

分子内／分子間の結合や電子構造の顕著な変化が新奇な電子物性の発現・制御に直結する分子集合系（固相反応系）を探索する。固相中のプロトンやイオンの移動に注目し、光や熱が導く互
変異性や転位・付加・重合などに特徴のある有機固相反応の機構解明から着手している。
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ཤ⩻ᩝ⊡ Ohmura, Taniguchi, Kondo, Suginome, J. Am. Chem. Soc. 129, 3518 (2007).࣬ࢨ࢓ࢿ࣌ࢗ⣪໩㸯㐼⛛㔘ᒌよ፳ࢅ⏕࠷ࡒ࢓ࣜ࢞ࣤ࡫ࡡࢨ࢓ࢿ࣍ࣚࣤࡡ௛ຊཬᚺ
ཤ⩻ᩝ⊡ Suginome, Yamamoto, Murakami, Angew. Chem., Int. Ed. 44, 2380 (2005).࣬࢓ࣜ࢞ࢼࣜ࣌ࢗ⣪໩㸯ࢼࢴࢢࣜよ፳ࢅ⏕࠷ࡒ࢓ࣜ࢞ࣤ࡫ࡡ࢓ࣜ࢞ࢼࣜ࣍ࣚࣤࡡ௛ຊཬᚺ
ཤ⩻ᩝ⊡ Suginome, Shirakura, Yamamoto, J. Am. Chem. Soc. 128, 14438 (2006).࣬㐼⛛㔘ᒌよ፳࡞ࡻࡾ࣌ࢗ⣪Ѹሲ⣪⤎ྙὩᛮ໩ࢅ㘵࡛ࡌࡾ࢓ࣜ࢞ࣤࡡ࢜ࣜ࣍࣌ࢗ⣪໩ཬᚺཤ⩻ᩝ⊡ Yamamoto, Suginome, J. Am. Chem. Soc. 127, 15706 (2005).࣬࢓࣐ࢿ࣍ࣚࣤࢅ࢕࣐ࢼ࣑ࢗ࢕࢛ࣤⓆ⏍๠࡛ࡊ࡙⏕࠷ࡾ᩺ࡊ࠷࢓࣐ࢿ໩ཬᚺࡡ㛜Ⓠཤ⩻ᩝ⊡ Suginome, Pure Appl. Chem. 78, 1377 (2006).࣬࣌ࢗ⣪ࡡ࣏ࢪ࢞ࣤࢡࢅ㘵࡛ࡌࡾ࢛ࣛࢥ࢓࣭ࣝࣤ㢦ࡡ⧖ࡽ㏁ࡊ࢜ࢴࣈࣛࣤࢡྙᠺἪࡡ㛜Ⓠཤ⩻ᩝ⊡ 㹃oguchi, Hojo, Suginome, J. Am. Chem. Soc. 129, 758-759 (2007).
(㸧) ❟మ໩Ꮥࢅโᚒࡊࡒ᩺ࡊ࠷㧏ฦᏄࡡྙᠺἪ㛜Ⓠ
᭯ᶭྙᠺ໩Ꮥࡡୠ⣎ࡡࢰ࣭ࢣࢴࢹࡡࡥ࡛ࡗࡢࠉ㧏ฦᏄ࠵ࡾ࠷ࡢ࢛ࣛࢥ࣏࣭ࡡ⢥ᐠྙᠺ࡚࠵ࡾࠊ≁࡞ࠉ㧏ฦᏄࡡ❟మᵋ㏸ࡡโᚒࡢࠉ᭯ᶭ໩Ꮥ⩽࡞࡛ࡖ࡙᭩ࡵ⮾࿝῕࠷◂✪ㄚ㢗࡚࠵ࡽࠉ㧏ᗐ࡝❟మโᚒ࡞ᇱࡘ
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R5

R5
PdL2X

N

R6
R6

R3

N
R5

N

l

1

R
R2

N
R1

立体構造

R3

n

m

Ar*

poly(quinoxaline-2,3-diyl)s
 

NC

R
R6

R2
R2

CN

R4
R4

m

R1

n

R3

NC
R5

R4
R4

N

N

R2

l

6

NC

CN
R3

NC
*Ar PdL2X
R1living polymerization of
1,2-diisocyanobenzenes

合成 

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（）'1$ の高次構造相転移と遺伝子活性の RQRII スイッチング これまでに、長鎖 DNA の折り畳み転移が不連続転移であることを解明し、さらに、単一高分子レベルの構造制御の研究を進めてきた。高分子物理、統計力学に立脚した理論的研究により、持続長が大きな高分子（硬い高分子）や荷電高分子では、多様なナノ秩序構造体を自ら形成することが可能であることを実証している。さらに、DNA の折り畳み転移により、鋳型 DNA 上での RNA 合成反応（転写反応）に厳密な
on/off スイッチングが起きることを、1 分子 DNA レベルで明らかにしてきている。このような研究で明らかになってきた、長鎖 DNA 特有の物性と活性は、生命現象の本質の理解にも貢献するものと期待される。
さらに、DNA 分子に限らず、半剛直性(semi-flexible)の高分子鎖、一般について、折りたたみ転移は、無秩
序―秩序の構造相転移を起こすことを、実験・理論両面から明らかにしてきている。
（ 生物における時空間の自己組織化
生命の基本単位である細胞は、リン脂質 2 分子膜による閉鎖空間を固有の反応場としており、それがゆえに多様でかつ特異な機能を創り出していると考えられる。このナノメータスケールの構造は、脂質と溶液との相互作用により自発的に形成される（熱力学的安定構造）。一方、マイクロメーターのスケールでは、速度論的な効果が重要となり、時間的な経路が最終的な構造を規定している。このことを、理論的に考察することにより、吉川らは、リン脂質を用いて細胞サイズのベシクルを作製することに成功している。この細胞サイズリポソームを用いて、細胞の人工的なモデルを作り出すといった、構成論的な研究を進めている。具体的には、DNA を含む転写反応溶液をリン脂質の多層膜と接触させると、反応液を取り込んだ細胞サイズのリポソームが自発的に形成されることを見出した。さらに、RNA にとどまらずタンパク質を合成するリポソーム系を作り出すことにも成功している。
（）非平衡開放条件下で働く分子機械
生命現象の中で“生命らしい”特徴をもつものとして、その実空間上の運動があげられる。しかし、そのメカニズムは不明な点が多く残さ
A’
Full length
れている。すなわち、生物では、ATPなどの化学エネルギーから運動を生H 57μm
み出していることは知られているが、NIPAM-Poly
実際にどのようにして、等温条件のも単一DNAと、高いエネルギー変換効率で運動を生み出しているかは、いまだ解明されていない。生命現象は本来的に、散逸
Cationic系、すなわち、非平衡開放系とみなすことができ、その条件下で分子機械はＧ働いていると考えられる。散逸構造に関する研究の重要性は、Prigogine 教授
らにより 30 年以上前から指摘されてきたが、現実の実験的研究による進展は遅々としたものであった。吉川らは、レーザーによる分子複合系の時空間構造の自己形成や、化学ポテンシャルによって駆動される液滴の秩序ある運動
上図
の実現など、非平衡条件下の散逸構造に
単一 DNA 分子が創りだす多様なナノ秩序構造体の電子顕微関する研究を世界に先駆けて展開して鏡像 (T4DNA, 166kbp,57mm) Bar: 100 nm
きている。

 

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教授 有賀 哲也（１）結晶表面におけるPeierls転移 金属カルコゲナイド、有機伝導体などの低次元金属においては電荷密度波(CDW)相転移（Peierls 転移）の存在が良く知られている。単純な平均場描像によると、低次元フェルミ面のネスティングによる電子系エネルギーの減少により低温の CDW 相が実現する一方、高温では電子エントロピーの寄与により金属相へと相転移する。固体表面においても、例えば W(001)表面における相転移について、CDW 描像の当否を巡って 1970-90 年頃に精力的に研究が展開され、平均場描像とは異なる強結合 CDW 相転移として理解された。すなわち、強い電子格子結合のために、金属相への転移が起こるよりはるかに低温でCDW の位相揺らぎ（秩序無秩序転移）が起こり、これが回折法での超構造の消失や、フォノン異常として観測される、と結論されたのである。これらの研究を通して、強結合/弱結合という CDW 相転移の分類法が確立されて来た。
 我々は、In/Cu(001)系で観測される CDW 相転移の機構を調べた。
角度分解光電子分光(ARPES)により、
CDW ギャップの温度依存性を調べたところ、いわゆる BCS の式とほぼ一致する挙動が見られ、一見すると弱結合的 CDW 転移であるように見える。ところが、SPring-8 BL-13XU の高輝度アンジュレータを用いて X 線臨界散乱の測定を行ったところ、T=345 K において 2 次元 Ising ユニバーサリティ・クラス
に属する秩序-無秩序転移が起きていることがわかった。これは、この系で弱結合描像が成り立たないことを明確に示している。他方、電子系のギャップｰ非ギャップ転移の低い転移温度は、強結合描像と明らかに矛盾する。つまり、弱結合/強結合という二分法が成立していない。
 この系における CDW 相関長は ARPES のギャップ付近のバンド構造から ξ CDW = 6 nm と見積もられる。
一方、X 線臨界散乱で決定された格子相関長 ξ l の温度依存性を見ると、400-420 K 付近で格子相関長がCDW 相関長とほぼ同程度にまで短くなっていることがわかる。つまり、秩序無秩序転移に伴って格子相関長が短くなるとともに CDW の波束が壊れはじめ、400-420 K 以上では完全に CDW が破壊されてしまう（金属相に転移する）と考えることができる。この転移温度は ARPES で観測されたギャップｰ非ギ
ャップ転移のそれとほぼ一致する。
 これまで、強結合 CDW は非常に短い CDW 相関長を伴うものと仮定されてきた。実際、W(001)や
2H-TaSe2 では CDW 相関長が 0.5 nm 程度であってこの仮定を満たしている。しかし、In/Cu(001)のように強結合であっても ξ CDW が大きい系が存在すること、さらに、このような系では弱結合/強結合描像は成り立たず、格子エントロピーに起因してギャップｰ非ギャップ転移が進むという、新しいタイプの
CDW 相転移が起こることが分かった。
（２） 巨大 Rashba 効果
 表面や界面においては、反転対称性の破れのためスピン縮退が解ける（E(k,Ќ) ӆ E(k,Ў)、ただし、E(k,Ќ) = E(-k,Ў)）。スピン軌道分裂の大きさはkに比例し、その比例定数をRashba定数と呼ぶ。自由電子的描像では、スピン軌道分裂の大きさは界面垂直方向のポテンシャル勾配により決まるはずだが、実際には、原子ポテンシャルの寄与が大きく、例えばAu(111)表面の2次元自由電子的表面状態バンドでは、
ポテンシャル勾配から予測されるものの数倍にスピン軌道分裂が観測される。これまで最大のスピン軌
道分裂はBi単結晶表面で観測されている。
 我々は、Ag(100)表面上にBi単原子層が吸着した系において、Bi(111)、Bi(110)などと比較して1桁近く
大きなRashbaスピン軌道分裂を観測した。我々と独立に、Bi/Ag(111)においてもほぼ同様の巨大分裂が報告された。伝導バンドを構成するp的な原子波動関数がBi/Ag界面によって強く影響を受け、Rashba定数の異常をもたらしていると思われる。その詳細な機構は現在のところ不明であるが、このような大きなスピン軌道分裂は、スピン偏極電流などの実現にも繋がるものであり、研究を進めている。
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理論研究部門
教授  田中 文彦（１）高分子系のゾル-ゲル転移
高分子溶液（融液）のゾルゲル転移現象を分子間相互作用の理論解析に基づいて解明し制御する研究を行っている。疎水化された水溶性高分子，水素結合性高分子，可逆反応性の高分子のゲル化現象
を典型３タイプの研究対象とし，１）ゲル化温度7Jやゲル化濃度FJが官能基の数，鎖上配置，結合強度にどのように依存するかについて統計熱力学を基礎にした理論解析を行い，その予測を実験的に検証する方法を考案する。２）ゲル化点で弾性率がどのような鋭さで立ち上がるかを，複素弾性率（弾性的に有効な鎖の数）の理論計算で予測する。３）任意の初期条件からゲル化点に到達するまでの時間，ゲルの融解に要する時間を分子ダイナミックスの視点から研究を行い，架橋反応経路や反応速度を温度や蒸気圧でコントロールする分子機構の研究を行っている。

 ２ 疎水化水溶性高分子（会合高分子）の相転移とレオロジー
水溶性の感熱高分子であるポリイソプロピルアクリルアミド（31,3$0）は，コイル・グロビュール転移点が生理温度に近いため医学や薬学に広く応用されている。31,3$0 の感熱性の物理的原因は永く謎であったが，我々は最近 31,3$0 のシャープな転移が水和の協同性（水分子の高分子への水素結合が連鎖状に形成される現象）に由来することを指摘し，高分子の協同水和の理論モデル化を行って特異な/&67 現象を説明するのに成功した。また，31,3$0 の両末端をアルキル鎖（&+）で疎水化したテレケリック 31,3$0 の会合構造（花型ミセルの形成，曇点曲線，高温で現れるメソグロビュール（QP 程度の巨大会合体））の光および中性子散乱実験，凝縮温度の '6& 測定，蛍光測定の解析と理論モデルの構築を行っている。準濃厚領域では末端鎖の疎水凝集によるミセルで架橋されたネットワーク構造が形成され，ゾルゲル転移現象と高温相分離（/&67）型のマクロ相分離現象が観測される。末端鎖の組替え可能な高分子ネットワークのレオロジー的性質に関しては，「組換え網目理論」を用いて流動・緩和現象の解析や非線形粘弾性のシックニング現象の研究を行い，水溶性高分子の新展開を試みている。
（３）高分子系における水素結合の生成機構
高分子溶液系において水素結合の連鎖性を制御することにより，新規な架橋構造をもつ熱可逆性ゲルの設計原理を理論的に探索している。連鎖性水素結合とは，高分子鎖上で相隣る水素結合ボンドが強い相関をもって形成される結果生じるジッパー状の水素結合集団のことであり，高分子系特有の非線型増幅作用（ドミノ効果）の主たる原因となるものである。重要な例は， 重鎖へリックスによる架橋（バイオポリマーのゲル），はしご型水素結合（高分子コンプレックス 3(23$$），連鎖性水和（31,3$0 水溶液の /&67），低分子ゲル化剤，微結晶性架橋ゲル（39$，セルロース誘導体のゲル）などである。連鎖性の強度は協同性パラメータで表現することができ，非線型増幅によるマジョリティ効
果や相転移の鋭さを推定するために重要であることが判明した。

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理論研究部門    准教授 江原 正博（１）高精度励起状態理論の開発と理論精密分光への展開

 分子の励起状態には複雑な電子構造の状態が多数存在する。励起状態の化学ではこれらの状態を精密に記述することが重要であるが、多電子励起型の状態を高精度で記述する有用な理論は確立していなっかった。電子状態を高精度で記述し、複雑な多電子励起型の状態に対しても精密で効率的な方法である*HQHUDO5法を開発し、理論スペクトロスコピーに応用した。本理論は実験を高精度に再現し、分解能を超えた詳細を明らかにすることに成功した。さらに*HQHUDO5法に基づいて分子構造を求める解析的エネルギー勾配法を開発し、複雑な励起状態の構造緩和や発光過程の精密な研究を可能にした。この方法によって無機分子や有機ȧ共役分子の多電子励起状態における分子構造や分光定数の研究を行った。
（２）光機能分子の電子過程：有機ＥＬ・バイオセンサー
 高分子系有機(/材料は分子が巨大であり、理論研究では7'')7法や半経験的な方法が主流であるが、これらの方法では光物性の精密な理論予測は困難である。励起状態の精密な理論である6$&&,法によって有機(/分子の光物性の精密な理論研究を行った。図にポリフェニレンビニレン 339Q の発光エネル
ギーのȧ共役系の鎖長依存性を示す。6$&&,法は実験スペクトルを精密に再現し、7'')7等では再現できない励起エネルギーの鎖長依存性を極めて精密に評価した。さらに青色発光素子の研究では統計性を考慮することによって初めて電子スペクトルの形状を精密に再現できることを示した 図 。また、バイオセンサーの研究では、光誘起電子移動のエネルギー論を励起分子の構造変化と溶媒効果に基づいて定量的に明らかにした 図 。これらの研究によって、高精度理論による光機能分子の光物性の解析と分子設計が可能であることを示した。
Emission energy (eV)










4.0

実験
T=298K

S

3.8

6
5

n

3.4

4

Exptl.

3.2

SAC-CI

3.0

統計性を
考慮した
SAC-CI

AM1 CASCI

2.8

3
2

0

11

22

33

Number of repeat unit (n)4‫ ׋‬ᵏᵌᴾ ஊೞ ᵣᵪ Ў‫ ܇‬ᵮᵮᵴ ỉႆήỺ἟ἽἀὊᾉᴾ ྸᛯể᬴ܱᴾ

4

NH2

構造緩和

CT (f=0.016)

0.32

3.5
4.0
4.5
Excitation Energy (eV)

1.20
ππ*
CT

ππ*

ΔE=2.74 eV(Exptl.=2.67 eV)

0.32
水溶液中

Zn2+ +水溶液中

5.0‫ ׋‬ᵐᵌᴾ ᩷ᑥႆήእ‫܇‬ỉወᚘࣱửᎋॾẲẺྸᛯἋἬἁἚἽể᬴ܱᴾ

NH2

Zn

(f=0.000) (f=0.103)

溶媒効果
基底状態

N
H2N

0.51

(f=0.142)

気相
3.0

Cl

1.37

ππ*

1

TDDFT

2.6

CT

N
H2 N

n

3.6

2.4

Cl

Emission

Energy (eV)(Energy in eV)‫ ׋‬ᵑᵌᴾ ἢỶỼἍὅἇὊẆᖩήἩἿὊἨЎ‫܇‬ỉήᛔឪᩓ‫܇‬ᆆѣᢅᆉỉỺ἟ἽἀὊ‫׋‬ᴾ（３）軟Ｘ線の化学：内殻電子過程

実験: XPS 0-6

N2 N1shv = 450 eVΔ, Σ-

理論: SAC-CIΣu+, Σg+0º90º

 軟X線を用いた分光法は、分子の電子構造や固体表面の解析に有用であるが、理論的には軌道緩和と電子相関を記述する必要があり、精密な理論研開発を行い、63ULQJで最先端の研究を展開している実験グループと共同研究することによって、この分野で注目される現象－多電子過程の構造変化、特異的YDOHQFH5\GEHUJ混合、JX分裂等について研究した。特に、11V内殻
イオン化状態の研究では多電子過程の振動構造を理論的に予測し、その後超高分解能の実験によってこの予測が実証された 図 。
 Relative Intensity

究は必ずしも容易ではない。内殻電子過程を精密に記述する電子状態理論の

0-6

7.5

8.5
9.5
10.5
Relative energy (eV)11.5

‫ ׋‬ᵒᵌᴾᵬᵐᵊᴾᵬᵏᶑ ϋ൉ỶỼὅ҄‫ٶ‬ᩓ‫܇‬ᢅᆉỉਰѣἋἬἁἚἽᴾ

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 理論研究部門
  

准教授 高田 彰二（１）蛋白質のフォールディング理論と立体構造予測
広い意味での蛋白質フォールディング問題にさまざまな角度から取り組んでいます。とくに、「ランダムコイルとして合成される蛋白質がいかにして自発的に、それぞれ独自の 3 次元構造にフォールデ
ィングできるのか」というフォールディング機構の研究、および、「アミノ酸配列が与えられたときに、その蛋白質がとる 3 次元天然構造が、計算機によって予測できるのか」という立体構造予測問題が主要な課題です。
フォールディング機構の研究では、エネルギー地形の統計理論に基づく、粗視化モデルによる分子シミュレーションから、フォールディング反応の遷移状態アンサンブルの特徴や、フォールディング
速度のスケーリング則などを明らかにしました。
立体構造予測研究では、物理化学に基づく経験的エネルギー関数を自作し、それに基づく経験的モ
ンテカルロシミュレーションによって、構造予測を行う方法を開発しています。2 年に一度世界規模で行われる構造予測のコンテストにおいて、2004 年、06 年に世界トップレベルの成績を収めています。
（２）分子シミュレーションによる生体分子機械作動原理の研究
 フォールディング研究で威力を発揮した粗視化分子モデルを拡張し、それを利用して、分子モーターなどの巨大な生体分子機械の作動原理のシミュレーション研究を行っています。生体分子モーター
は、ATP の加水分解によって開放されるわずか 12kcal/mol 程度の自由エネルギーを利用して、力学的な仕事を取り出すことが出来ます。熱揺らぎとほとんど同程度のエネルギー源からいかにして、効率よく、力学的な運動を取り出せるのか、という問は原理探求として興味深いだけでなく、新しい人工機械の設計原理のためにも重要です。
 回転分子モーターF1-ATPase では、粗視化分子モデルによって、実験とつじつまの合う回転運動を再現し、さらに、それから化学力学共役機構について新しい提案を行いました。また、歩く分子モーターであるミオシン V では、シミュレーション研究から、ブラウン運動の利用の仕方、歩幅を決める機構などを見出しました。
そのほか、AAA+ATPase、シャペロニンなどさまざまな分子モーターの作動原理を横断的に研究し、生体分子機械の作動原理を追求しています。

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理論研究部門

准教授 佐藤 徹(1) Jahn-Teller効果の基礎に関する研究 電子状態に縮退がない場合、Born-Oppenheimer近似はよい近似であるが、縮退が有る場合、
Born-Oppenheimer近似は破綻する。電子状態が2重に縮退している場合、電子状態は2重縮退している
振動モードと相互作用し、分子構造の対称性を低下させ縮退を解消させる。これをE x e Jahn-Teller効果という。このような系において核振動の運動エネルギーを無視することなく取り扱う基礎方程式がEx e 動的Jahn-Teller方程式であるが、1957年にLonguet-Higginsらにより数値解が与えられて以来、現在まで一般の相互作用定数に対する厳密解は得られていない( 特定の有理数の相互作用定数に対する解はJuddにより得られている)。近似解析解については、これまで強結合極限においても得られていなかったが、最近、われわれは原点での漸近挙動を正しく取り扱うことにより、強結合極限における解析解を得ることに成功した。
(2) 単一分子伝導における非弾性電流に関する研究
 一般に電子が単一分子中を流れるとき、電子は分子振動と相互作用し、非弾性散乱を受けると考えられる。分子ワイヤーにおいては、この非弾性散乱によって電気伝導度が低下し、ジュール熱が発生する。したがって、分子デバイスを設計する際、非弾性散乱の影響を考慮する必要がある。一方で、振動励起による非弾性電流の発生は、単分子をスイッチングデバイスとして利用できる可能性を示している。
 近年、Ho らによって Inelastic electron tunneling spectroscopy (IETS) を用いた測定技術が確立され、電極表面に吸着した単分子を流れる非弾性電流を直接観測できるようになった。 以来、様々な分子について非弾性電流の測定が行われ、特にȧ共役系では C=C 伸縮振動が鋭いピークを示すことが知られている。非弾性電流は分子の固有振動を反映しており、IETS は電極表面に吸着した分子の同定に役立つと考えられている。 また、 IETS は電子輸送におけるエネルギーの散逸過程を直接観測していることから、ナノサイエンスの立場からも注目されている。
 本研究では電極を金電極、分子ワイヤーをチオフェンジチオールとして、振電相互作用定数を第一原理から計算した。さらに、その結果を電子輸送理論を記述できる非平衡グリーン函数理論と組み合わせることで非弾性電流を計算し、振電相互作用の電気伝導に対する影響を考察した。
他に以下のようなテーマで研究を行っている。
(3) 振電相互作用定数の評価に関する研究(4) 新炭素材料の電子物性ならびに光物性に関する研究(5) 低誘電率材料の分子設計に関する研究  

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The central theme of research of our group is “simulation of complex systems with hybrid molecular theories”
with a special emphasis on theories of chemical reactions. Chemical reactions occur for small molecules as well ascomplex systems and in excited states as well as in the ground state. They occur in gas phase, in solution as wellas in protein environments. We have been studying a wide variety of chemical reactions.
(1) Elementary reactions of small gas phase molecules. We study chemical reactions of small molecules ingas phase initiated by electronic excitation or reactions of ions with molecules. These reactions typically cascade
through many potential energy surfaces through conical intersections and seam of crossings.
(2) Formation and Growth of Carbon Nanostructures and Properties and Reactivities ofNanostructures. Despite all the activities concerning fullerenes and carbon nanotubes the mechanism of
formation from small carbon clusters is not known. Many hypothetical models have been proposed, but none ofthem has any solid foundation. Moreover, these mechanisms rely on a principle by which the highly symmetricfullerene cage is built from smaller units in a systematic, step-wise way. The violent conditions of fullerene andcarbon nanotube formation make such an organized approach very implausible. Hot carbon vapor is a system
far from thermodynamic equilibrium, and such systems may give rise to auto-catalysis and self-assembly
processes associated with irreversible processes. Therefore molecular dynamics (MD) approach has to be used
in which many pathways are explored by trajectories, and trajectories have to be run a long time (>100 ps). The
reactivity of sp2-carbon is controlled by π-conjugation, and this necessitates quantum mechanics (QM). It turned
out that DFT, a typical QM method, is about 106 more expensive and cannot be used for simulation of >100 ps.
We have been extensively using an approximate method called the density functional tight-binding (DFTB)
method for long-time dynamics for the formation of fullerenes and metallofullerenes and the growth of carbon
nanotubes.
(3) Structure and Reactions of Metalloenzymes and Effects of Protein Environment. Understandingof the mechanism of enzymatic reaction, chemical reaction inside protein, is the largest challenge oftheoretical/computational studies of mechanisms of chemical reactions. Enzyme is a large complex collection ofamino acid residues with some metals, ligands and water and other molecules, and theoretical approaches
require a substantial approximation. We are working on such studies in three different levels of approach. i).
Active site only model. ii). Protein model with geometry optimization. iii). Statistical average of protein
motion/conformations and free energy calculation.
(4) Development of Theoretical/Computational Methods. Computational challenges typically requires
developments of new methods and computer codes, and we continuously are involved in such developments.
The emphasis of our developments is mainly concerned with complex systems, in particular, a variety of newfeatures in the ONIOM method.

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（平成㻝㻥年㻟月㻟㻝日現在）㻌

職㻌

福井謙一記念㻌
研究部第一㻌

氏㻌 㻌 㻌 名㻌

福井センターフェロー㻌Marcus Lundberg

福井センターフェロー㻌

Lung Wa Chung

福井センターフェロー㻌Biswajit Saha

（JST）フェロー河㻌 津㻌 㻌 㻌 励㻌（JST）フェロー㻌太㻌 田㻌 靖㻌 人㻌

福井センターフェロー㻌

印出井㻌 㻌 㻌 努㻌福井センターフェロー㻌柳㻌 尾㻌 朋㻌 洋㻌

福井センターフェロー㻌田㻌 代㻌 基㻌 慶㻌

福井センターフェロー㻌Mikhail Brik  

２．㻌
 博士研究員プロフィール㻌
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【氏名（ふりがな）】 Marcus Lundberg（まーかす るんどべるぐ）【職名】

FIFC Fellow【所属】

Fukui Kenichi Memorial Research Group 1, Fukui Institute for Fundamental
Chemistry【研究室】

Room 212【直通電話】

075-711-7647【FAX】

075-781-4757【電子メールアドレス】【ホームページ】【研究分野】【現在の研究課題】

lundberg@fukui.kyoto-u.ac.jp
http://www.fukui.kyoto-u.ac.jp/~lundberg/
Computational Chemistry
Multi-scale methods for biological reactions【研究内容キーワード】

Oxygen activation, reaction mechanisms, QM/MM, ONIOM method【学歴】

Feb 1998, Master of Science, Royal Institute of Technology, Sweden
May 2005, Doctor of Philosophy, Stockholm University, Sweden【学位】

Doctor of Philosophy, Stockholm University【略歴】

April 1998 – April 2000. Development Engineer, Ericsson Mobile
Communications AB, Sweden.

【所属学会】【主な著書、学術論文】（過去 5 年以内）

American Chemical Society
1. M. Lundberg and P.E.M. Siegbahn, Theoretical Investigations ofStructure and Mechanism of the Oxygen-evolving Complex in PSII,
Phys. Chem. Chem. Phys. 20, 2004, 4772-4780.
2. M. Lundberg and P.E.M. Siegbahn, Quantifying the Effects of the
Self-interaction Error in DFT - When do the Delocalized States Appear?,J. Chem. Phys. 122, 2005, 224103-(1-9).
3. Guishan Zheng, Henryk Witek, Petia Bobadova-Parvanova, Stephan Irle,
Djamaladdin G. Musaev, Rajeev Prabhakar, Keiji Morokuma, Marcus
Lundberg, Marcus Elstner, Christof Köhler and Thomas Frauenheim,
Parameter Calibration of Transition-Metal Elements for the
Spin-Polarized Self-Consistent-Charge Density-Functional Tight-Binding(DFTB) Method: Sc, Ti, Fe, Co, and Ni, J. Chem. Theor. Comp. 3, 2007,
1349-1367.
4. Marcus Lundberg and Keiji Morokuma, Protein Environment Facilitates
O2 Binding in Non-Heme Iron Enzyme. An Insight from ONIOM
Calculations on Isopenicillin N Synthase (IPNS), J. Phys. Chem. B 111,
2007, 9380-9389.
5. Marcus Lundberg and Keiji Morokuma, The ONIOM Method and its
Applications to Enzymatic Reactions, In Multi-scale Quantum Models for
Biocatalysis: Modern Techniques and Applications, Eds. T.-S. Lee and D.
M. York, Springer Verlag, Submitted.

【学術関係の受賞など】

2005 Stockholm University Arrhenius Award  

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FIFC Fellow䇼ᚲዻ䇽

Fukui Kenichi Memorial Research Group 1, Fukui Institute for Fundamental
Chemistry䇼⎇ⓥቶ䇽䇼⋥ㅢ㔚⹤䇽

Room 212075-711-7631

䇼㔚ሶ䊜䊷䊦䉝䊄䊧䉴䇽chung@fukui.kyoto-u.ac.jp䇼⎇ⓥಽ㊁䇽

Computational Chemistry䇼⃻࿷䈱⎇ⓥ⺖㗴䇽

Reaction Mechanism of Enzymatic Reactions

䇼⎇ⓥౝኈ䉨䊷䊪䊷䊄䇽

Metalloenzymes, Oxygenase, Bioluminescence䇼ᦨ⚳ቇᱧ䇽

August 2000, B. Sc. in Chemistry (1st Hon.), The Hong Kong University of
Science & Technology.
August 2003, M. Phil. in Chemistry, The Hong Kong University of Science& Technology.
August 2006, Ph.D. in Chemistry, The Hong Kong University of Science &Technology.

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Ph.D. in Chemistry from The Hong Kong University of Science &Technology䇼ਥ䈭⪺ᦠ䇮ቇⴚ⺰ᢥ䇽䋨ㆊ෰ 5 ᐕએౝ䋩

1. Zhang, X.-H.; Chung, L. W.; Lin, Z.; Wu, Y.-D. “A DFT Study on the
Mechanism of Hydrosilylation of Unsaturated Compounds with Neutral
Hydrido(hydrosilylene)tungsten Complex”, J. Org. Chem. 2007, ASAP.
2. Wu, Y.-D.; Chung, L. W.; Zhang, X.-H. “Hydrosilylation Reactions
Discovered in the Last Decade: Combined Experimental andComputational Studies on the New Mechanisms,” In: “Computational
Modeling for Homogeneous and Enzymatic Catalysis” (invitedcontribution,).2007, pp285-316
3. Chung, L. W.; Lee, H. G.; Lin, Z.; Wu, Y.-D. “A Computational Study on
the Reaction Mechanism of Hydrosilylation of Carbonyls Catalyzed by
High-Valent Rhenium(V)-Dioxo Complexes” J. Org. Chem. 2006, 71,
6000.
4. Chung, L. W.; Chan, T. H.; Wu, Y.-D. “Theoretical study of the intrinsic
reactivities of various allylmetals toward carbonyls and water”
Organometallics, 2005, 24, 1598.
5. Chung, L. W.; Wu, Y.-D.; Trost, B. M.; Ball, Z. T. “A theoretical study on
the mechanism, regiochemistry, and stereochemistry of hydrosilylation
catalyzed by cationic ruthenium complexes” J. Am. Chem. Soc. 2003,
125, 11578.

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【氏名（ふりがな）】 Biswajit Saha㻌 （びすわじと㻌 さは）【職名】

FIFC Fellow【所属】

Fukui Kenichi Memorial Research Group 1, Fukui Institute for
Fundamental Chemistry【研究室】

Room 203【直通電話】

075-711-7834【FAX】

075-781-4757【電子メールアドレス】【ホームページ】【研究分野】

saha@fukui.kyoto-u.ac.jp
http://www.fukui.kyoto-u.ac.jp/~sahaComputational Chemistry【現在の研究課題】

Molecular dynamics simulations and electronic structure calculations of
nano-materials【研究内容キーワード】

Fullerene, nano-tube, metallofullerene, polycyclic aromatic hydrocarbon,
DFTB

【学歴】

November 1998, Master of Science, Calcutta University, India
December 2003, Doctor of Science, Indian Association for the Cultivationof Science, Jadavpur University, India【学位】

Doctor of Science from Indian Association for the Cultivation of Science(IACS), Jadavpur University, India【略歴】

December 2003, Postdoctoral research fellow, University of Kassel,
Germany
September 2004, JSPS postdoctoral research fellow, Kyoto University,Japan【所属学会】

Life member, Indian Association for the Cultivation of Science, India【学会活動】

Reviewer, the Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative
Transfer【主な著書、学術論文】（過去 5 年以内）

1. B. Saha, M. Ehara, H. Nakatsuji, “Investigation of electronic spectra
and Excited-state geometries of poly-para-phenylene vinylene (PPV)andpoly-para-phenylene
bysymmetry
adaptedconfiguration-interaction (SAC-CI) method” J. Phys. Chem. A 111,
5473, (2007).
2. B. Saha, R. Fukuda, H. Nakatsuji, P. K. Mukherjee, “Spectroscopy of
sodium atom in liquid helium cluster: symmetry adapted
configuration-interaction (SAC-CI) study” Theor. Chem. Acc. 118, 437(2007).
3. B. Saha, S. Fritzsche, “Influence of dense plasma on the low lying
transitions in Be-like ions: relativistic multiconfiguration Dirac-Fockcalculation” J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys. 40, 259 (2007).
4. B. Saha, M. Ehara, H. Nakatsuji, “Singly and doubly excited states ofbutadiene, acrolein and glyoxal: geometries and electronic spectra” J.
Chem. Phys. 124, 014316 (2006).
5. B. Saha, S. Fritzsche, “Be I isoelectronic ions embedded in hot plasma”
Phys. Rev. E 73, 036405 (2006).

【学術関係の受賞など】

JSPS postdoctoral Research Fellowship 2004-2006
Research fellowship, IACS, India 1999-2003
National scholarship, Indian Government, 1990-1995  

【氏名（ふりがな）】 河津㻌 励㻌 （かわつ㻌 つとむ）
【職名】

JST フェロー

【所属】

福井謙一記念研究センター㻌 福井謙一記念研究部第一【研究室】【直通電話】【電子メールアドレス】【研究分野】【現在の研究課題】【研究内容キーワード】

212 号室075-711-7631
tkawatsu@fukui.mbox.media.kyoto-u.ac.jp
生物物理理論、蛋白質科学、有機電子移動
蛋白質自由エネルギー計算
酵素反応、自由エネルギー、反応経路、分子動力学シミュレーション【学歴】

1999 年 3 月 名古屋大学大学院理学研究科物質理学専攻博士前期課程修了
2002 年 2 月 名古屋大学大学院理学研究科物質理学専攻博士後期課程
修了

【学位】

2002 年 2 月 名古屋大学博士（理学）【略歴】

2002 年 3 月 Postdoctoral fellow, Department of Chemistry, Duke
University
2005 年 9 月 Postdoctoral fellow, Department of Chemistry &Biochemistry, Georgia Institute of Technology
2006 年 11 月 JST フェロー、京都大学福井謙一記念研究センター【所属学会】

日本生物物理学会、American Physical Society、日本蛋白質科学会、
American Biophysical Society【主な著書、学術論文】（過去 5 年以内）

1. T. Kawatsu, D. N. Beratan, T. Kakitani, Conformationally averaged scorefunctions for electronic propagation in proteins, J. Phys. Chem. B, 110,5747(2006).
2. T. Kawatsu, D. N. Beratan, Electron transfer between cofactors in protein
domains linked by flexible tether, Chem. Phys. 326, 259(2006).
3. S. S. Skourtis, I. A. Beratan, T. Kawatsu, D. N. Beratan, Protein dynamics
and electron transfer: electronic decoherence and non-Condon effects.
Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 102, 3552(2005).
4. T. Kawatsu, T. Kakitani, T. Yamato, Destructive interference in theelectron tunneling through protein media, J. Phys. Chem. B,
106,11356(2002).
5. T. Kawatsu, T. Kakitani, T. Yamato, Anomary of tunneling matrix element
in long-range electron transfer, J. Phys. Chem. B, 106, 5068(2002).

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【氏名（ふりがな）】 太田㻌 靖人㻌 （おおた㻌 やすひと）【職名】

JST フェロー

【所属】

福井謙一記念研究センター㻌 福井謙一記念研究部第一【研究室】

203 号室【直通電話】

075-711-7831【FAX】

075-711-7838【電子メールアドレス】【研究分野】【現在の研究課題】【研究内容キーワード】【最終学歴】

ota@fukui.kyoto-u.ac.jp
計算化学・理論化学
単層カーボンナノチューブ成長シミュレーション
カーボンナノチューブ、タイトバインディング MD、遷移金属
2001 年 3 月金沢大学大学院自然科学研究科数理情報科学専攻博士後
期課程修了

【学位】

2001 年 3 月金沢大学博士（理学）【略歴】

2002 年 2 月産業技術総合研究所関西センター 研究員、2004 年 12 月ペ
ンシルバニア州立大学 日本学術振興会海外特別研究員、2006 年 12 京都大学福井謙一記念研究センター 研究員【在外研究歴】

2004 年 12 月 -2006 年 11 月 米 国 ペ ン シ ル バ ニ ア 州 立 大 学（Sharon-HamessSchiffer 教授）（海外特別研究員）【所属学会】【主な著書、学術論文】（過去 5 年以内）

日本化学会
1. Extended Spin-Boson Model for Nonadiabatic Hydrogen Tunneling in
the Condensed Phase
Y. Ohta, A. Soudackov, and S. Hammes-Schiffer
J. Chem. Phys 144522-144537(2006)
2. Interconversion Behavior of the C-H Bond in the CH4+ Radical Cation:
Ab initio Molecular Dynamics Study
Y. Ohta and K. Ohta
J. Comput Chem 25. 1910-1919 (2004)
3. Quantum effect on the internal proton transfer and structural fluctuation+in the H 5 cluster
Y. Ohta, K. Ohta, and K. Kinugawa
J. Chem. Phys. vol. 121, 10991-10999 (2004)
4. Ab initio centroid path integral molecular dynamics: Application tovibrational dynamics of diatomic molecular systems
Y. Ohta, K. Ohta, and K. Kinugawa
J. Chem. Phys. vol. 120, 312-320 (2004)
5. Ionization process of the hydrogen atom in intense laser fields:
Non-Born-Oppenheimer 1D model calculations
Y. Ohta, J. Maki, H. Nagao, and K. Nishikawa
Int. J. Quantum. Chem. vol. 97, 891-895 (2002)
6. A unified quantum molecular dynamics method based on the centroid
molecular dynamics and the semiempirical molecular orbital theory
Y. Ohta, K. Ohta, and K. Kinugawa
Int. J. Quantum. Chem. vol. 95 , 372-379 (2003)  

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075-711-7863

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075-781-4757

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indei@fukui.kyoto-u.ac.jp
http://www.fukui.kyoto-u.ac.jp/~indei/index.html
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American Chemical Society
1. Tsutomu Indei, Fumihiko Tanaka, “Rheological Study of Transient
Polymer Networks cross-linked by Two-component Associative Groups-Inversion of the Gel Skeletal Structure-”, J. Rheol., 48, 641-661 (2004)
2. Tsutomu Indei, Fumihiko Tanaka, “Theory of Transient Polymer
Networks cross-linked by Two-component Associative Groups”, J. Soc.
Rheol. Japan (Nihon Reoroji Gakkaishi), 32, 285-293 (2004)
3. Tsutomu Indei, Tsuyoshi Koga, Fumihiko Tanaka, “Theory of
Shear-Thickening in Transient Networks of Associating Polymers”,
Macromol. Rapid. Commun., 26, 701-706 (2005)
4. Tsutomu Indei, “Necessary Conditions of Shear-Thickening in
Associating Polymer Networks”, J. Non-Newtonian. Fluid. Mech., 141,
18-42 (2007)
5. Tsutomu Indei䋬“Effect of Nonlinearity Strength in Chain Tension on
Shear-Thickening of Associating Polymer Networks”, J. Soc. Rheol.,Japan (Nihon Reoroji Gakkaishi), 35, 147-153 (2007)䇼ቇⴚ㑐ଥ䈱ฃ⾨䈭䈬䇽ᣣᧄ䊧䉥䊨䉳䊷ቇળ⺰ᢥ⾨(2005 ᐕᐲ)  

【氏名（ふりがな）】 柳尾㻌 朋洋㻌 （やなお㻌 ともひろ）【職名】

福井センターフェロー【所属】

福井謙一記念研究センター【研究室】

204 号室【直通電話】

075-711-7863【FAX】

075-781-4757【電子メールアドレス】【ホームページ】

yanao@fukui.kyoto-u.ac.jp
http://www.fukui.kyoto-u.ac.jp/~yanao【研究分野】

化学物理・生物物理・非線形科学・多体系動力学【現在の研究課題】

原子分子集合体の動力学と集団運動機構の解明【研究内容キーワード】

クラスター・DNA・蛋白質・形・幾何学的力学系理論・カオス・集団運動【学歴】

2003 年 1 月東京大学大学院 総合文化研究科 広域科学専攻博士後期
課程修了

【学位】

2003 年 1 月東京大学博士（学術）【略歴】

2003 年 4 月名古屋大学 情報科学研究科 博士研究員
2004 年 9 月カリフォルニア工科大学 Postdoctoral Scholar
2006 年 7 月京都大学 福井謙一記念研究センター フェロー

【所属学会】【主な著書、学術論文】（過去 5 年以内）

日本物理学会
1. T. Yanao, W. S. Koon, J. E. Marsden, and I. G. Kevrekidis,"Gyration-Radius Dynamics in Structural Transitions of Atomic
Clusters", The Journal of Chemical Physics 126, 124102 (pp. 1-17)(2007).
2. T. Yanao, W. S. Koon, and J. E. Marsden, “Mass Effects and InternalSpace Geometry in Triatomic Reaction Dynamics”, Physical Review A
73, 052704 (pp. 1-11) (2006).
3. 柳尾朋洋, “ネコの宙返りと形空間のリーマン幾何学－分子の構造転移
運動への応用－”, 生物物理 45, pp. 66-71 (2005).
4. T. Yanao and K. Takatsuka, “Effects of an Intrinsic Metric of MolecularInternal Space on Chemical Reaction Dynamics”, Advances in Chemical
Physics 130 B, pp. 87-128 (2005).
5. T. Yanao and K. Takatsuka, “Kinematic Effects Associated with
Molecular Frames in Structural Isomerization Dynamics of Clusters”,
Journal of Chemical Physics 120, pp. 8924-8936 (2004).

【学術関係の受賞など】

日本学術振興会 特別研究員 (DC2) 2001-2002.
日本学術振興会 特別研究員 (PD) 2003-2005.
国際会議ベストポスター賞受賞 (International symposium on geometricalstructures of phase space in multi-dimensional chaos, November 2003).

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【氏名（ふりがな）】 田代㻌 基慶㻌 （たしろ㻌 もとみち）【職名】

福井センターフェロー【所属】

福井謙一記念研究センター【研究室】

213 号室【直通電話】

075-711-7902【FAX】

075-781-4757【電子メールアドレス】【ホームページ】【研究分野】【現在の研究課題】【研究内容キーワード】

tashiro@fukui.kyoto-u.ac.jp
http://www.fukui.kyoto-u.ac.jp/~tashiro
計算化学・理論化学
電子・分子衝突、分子の光電離
R 行列法、散乱理論、共鳴、光電離【学歴】

2002 年 3 月京都大学大学院理学研究科物理学・宇宙物理学専攻博士後期課程修了【学位】

2002 年 3 月京都大学博士（理学）【略歴】

2002 年 4 月京都大学理学部研修員
2002 年 5 月独マックス・プランク研究所ポスドク研究員
2003 年 11 月米カリフォルニア大学デービス校ポスドク研究員
2004 年 11 月米エモリー大学ポスドク研究員
2005 年 4 月日本学術振興会海外特別研究員
2006 年 10 月京都大学福井謙一記念研究センター センターフェロー【所属学会】【主な著書、学術論文】（過去 5 年以内）

日本天文学会、日本物理学会
1. Motomichi Tashiro and Keiji Morokuma, "R-matrix calculation of
integral and differential cross sections for low-energy electron-impact
excitations of the N2 molecule", Physical Review A 75, 012720 (2007).
2. Motomichi Tashiro, Keiji Morokuma and Jonathan Tennyson,"R-matrix calculation of differential cross sections for low-energy
electron collisions with ground and electronically excited state O2
molecules", Physical Review A 74, 022706 (2006).
3. Motomichi Tashiro, Keiji Morokuma and Jonathan Tennyson,"R-matrix calculation of electron collisions with electronically excited
O2 molecules", Physical Review A 73, 052707 (2006).
4. Motomichi Tashiro and Alexei A. Stuchebrukhov, "Thermodynamic
Properties of Internal Water Molecules in Hydrophobic Cavity around
Catalytic Center of Cytochrome c Oxidase" Journal of Physical
Chemistry B 109, 1015 (2005).
5. Zhen-Wang Qu, Hui Zhu, Motomichi Tashiro, Reinhard Schinke andStavros C. Farantos, "The Huggins band of ozone: Unambiguous
electronic and vibrational assignment", Journal of Chemical Physics
120, 6811 (2004).
6. Hui Zhu, Zhen-Wang Qu, Motomichi Tashiro and Reinhard Schinke,"On spin-forbidden processes in the ultra-violet photodissociation ofozone", Chemical Physics Letters 384, 45 (2004).
7. Motomichi Tashiro and Reinhard Schinke, "The effect of spin-orbit
coupling in complex forming O(3P)+O2 collision", Journal ofChemical Physics 119, 10186 (2003).

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㻌【氏名（ふりがな）】 Mikhail Brik㻌 （みはいる㻌 ぶりっく）【職名】

FIFC Fellow【所属】

Fukui Institute for Fundamental Chemistry【研究室】

202 号室【直通電話】+372 7 374751【FAX】+372 7 383 033【電子メールアドレス】

brik@fi.tartu.ee【ホームページ】【研究分野】

Crystal field theory【現在の研究課題】

Crystals and glasses with impurities for optical applications【研究内容キーワード】

Crystal and ligand fields, transition metal and rare-earth ions

【学歴】

June 1992, Master of Sci., Kuban State University, Krasnodar, Russia
November 199, PhD, Kuban State University, Krasnodar, Russia【学位】

Doctor of Sci., Kuban State University, Krasnodar, Russia【略歴】

1996–2002 Research Fellow, Senior Lecturer, Associate Professor (Kuban
State University, Krasnodar, Russia), 2000–2001 Associate Professor,
Physics Department, University of Asmara, Asmara, Eritrea, 2002 Visiting
Senior Scientist, Chemical Physics Department, Weizmann Institute of
Science, Rehovot, Israel, 2003–30.06.2007 Visiting Researcher, Fukui
Institute for Fundamental Chemistry, Kyoto University, Kyoto, Japan,
01.07.2007 – present Guest Professor, Institute of Physics, University of
Tartu, Estonia【所属学会】【主な著書、学術論文】（過去 5 年以内）

European Physical Society
1. First-principles Calculations of Spectral Properties of Rare-Earth andTransition Metal Ions in Crystals, Editors Mikhail G. Brik and Kazuyoshi
Ogasawara, Transworld Research Network, 2006, ISBN: 81-7895-240-8.
2. M.G. Brik, K. Ogasawara, H. Ikeno, I. Tanaka, ”Fully relativistic
calculations of the L2,3-edge XANES spectra for vanadium oxides”,
European Physical Journal B 51 (2006) 345–355.
3. C. Rudowicz, M.G. Brik, N.M. Avram, Y.Y. Yeung, P. Gnutek, “Crystal
field analysis of the energy level structure of Cs2NaAlF6:Cr3+”, Journalof Physics: Condensed Matter 18 (2006) 5221–5234.
4. P.A. Tanner, L. Fu, L. Ning. B.-M. Cheng, M.G. Brik, ”Soft synthesis andvacuum ultraviolet spectra of YAG:Ce3+ nanocrystals: reassignment of
Ce3+ energy levels”, Journal of Physics: Condensed Matter 19 (2007)
216213.
5.H. Ryu, B.K. Singh, K.S. Bartwal, M.G. Brik, I.V. Kityk, “Novel efficientphosphors on the base of Mg and Zn co-doped SrTiO3:Pr3+”, Acta
Materialia 56 (2008) 358-363.

【学術関係の受賞など】

JSPS Fellowship, 2003–2005; Dragomir Hurmuzescu Award of RomanianAcademy of Sciences (2006)  

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研究広報活動㻌㻌㻝㻚㻌 福井謙一記念研究センターシンポジウム㻌
福井謙一京都大学名誉教授ノーベル化学賞受賞 25 周年記念シンポジウム（第 4 回福井謙一記念研究センターシンポジウム）日㻌 時

平成１８年１１月２９日(水)㻌 13:30～20:30

場㻌 所

京都大学百周年時計台記念館ホール

主㻌 催

京都大学福井謙一記念研究センター

共㻌 催

京都大学工学研究科、理学研究科、化学研究所

開会の辞

13:30～

榊㻌 茂好㻌 （福井謙一記念研究センター長）
あいさつ㻌
丸山正樹㻌 （京都大学副学長）
西本清一㻌 （京都大学工学研究科長）
北村雅夫㻌 （京都大学理学研究科長）
来賓ご祝辞
長倉三郎㻌 （日本学士院長）記念特別講演14:30～

藤嶋㻌 昭㻌 （日本化学会長）「研究には物華天宝と人傑地霊」
学術講演

15:15～

諸熊㻌 奎治㻌 （福井謙一記念研究センターリサーチリーダー）「複雑分子系の複合分子理論によるシミュレーションを目指して」
中辻㻌 博㻌 㻌 （京都大学工学研究科教授）「－量子化学のパラダイム・シフト－㻌 シュレーディンガー方程式の一般的解法」
ポスター発表17:00～

百周年時計台記念館国際交流ホール䊠

写真展－在りし日の福井先生

百周年時計台記念館国際交流ホール䊡

記念パーテイー

百周年時計台記念館国際交流ホール䊡

18:30～   ⑔੗⻞৻⸥ᔨ⎇ⓥ࠮ࡦ࠲࡯࠮ࡒ࠽࡯
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は、開環 +7 型と、元の閉環 &+' 型の生成比は  である。
 【結語】以上のように、ここでは２つの反応制御の可能性を示した。与えられたポテンシャルのトポロジーに対して、動力学に基づいた適切な制御スキームを提案することにより、望みの反応生成物を得る割合を増やすことができることを光機能性分子のモデルを使って示すことができた。
【文献】>@0,ULH&KHP5HY  >@+7DPXUD
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非断熱現象を利用した分子設計

図６ 運動量付加の有（A）と無（B）

非断熱遷移は分子機能を呼び起こしさらに，制御するための鍵となる現象と考えられる。我々はこれまで，一次元非断熱トンネル

での各状態での population
変化型交差二準位ポテンシャルを仮定し，このユニットを複数個並べた系を取り上げ，この系に特徴的な現象である完全反射及び完全透過現象を利用した分子スイッチの可能性を架空のモデルではあるが，追求してきた。>@一方，より現実の系において，これら特異な現象を積極的に利用した
応用例の理論提案を始めている。それが，カーボンナノチューブ &17 やフラーレンによる原子のカプセル化のモデルになりうる環状分子の環透過性に関する新たな提案である。>@その背景となるのは=KX1DNDPXUD理論であるが，この理論によれば，完全反射及び完全透過現象は以下の条件が揃うと起こる可能性が高まる。
 二つの電子状態が擬交差を起こす時，非断熱トンネル型であること。ここで，非断熱トンネ
ル型とは，二つの交差する透熱ポテンシャル曲線の傾きの符号が反対である擬交差である。
 周期系であること。

第一の条件は，意外に簡単に見いだせる。つまり，電子移動反応を作れば，遷移状態は擬交差で特徴づけられる。なぜなら，電子が移動する前の電子状態は中性であるが，電子移動後はイオン性を示すからである。また，イオン性の状態はクーロン引力のため，ポテンシャルの傾きは正であるのに対し，中性状態はそれにくらべるとほぼ平坦で，接近につれてコア間の反発がイオン性の状態に比べて早く始まり，ポテンシャルの傾きは若干負になっていることが多い。そのため，擬交差におけるポテンシャル曲線の傾きの符号が反対になる。こうして，我々は最初の条件を満たす三つの系を見いだした。
L シクロペンタジエニルラジカル水素原子（+）
LL ホウ素置換コランニュレニルラジカル水素原子（+）（五員環モデル）
LLL ホウ素置換コロネニルラジカル水素原子 + （六員環モデル）
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[2] W. Ho, J. Chem. Phys., 117, 11033 (2002).
[3] J. G. Kushmerick, J. Lazorcik, C. H. Patterson, R. Shashidhar, D. S. Seferos, and G. C.
Bazan, Nano Lett. 4, 639 (2004).
[4] L. V. Keldysh, Sov. Phys. JETP, 20, 1018 (1965).

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Research Leader, Fukui Kenichi Memorial Research Group 1 (from 09/16/06)
1. Summary of the research of the year

Simulation of Complex Molecular Systems Using Hybrid Molecular Theories
The goals of the research of this new group is 1. to develop further the hybrid theoreticalmethods (such as ONIOM) already proposed by us, 2. to demonstrate that such hybrid methods canbe used for simulations of structures, reactions and dynamics and 3. to solve some of the important
problems in each field. In the present first year, concerning the simulation of nanomaterials, we
initiated quantum chemical molecular dynamics (QM/MD) simulations of carbon nano structuresusing the density functional tight binding (DFTB) method. Concerning the application ofmulti-level simulations to enzymatic reactions, we initiated studies of reaction mechanisms using
the ONIOM QM/MM optimization. Our research is supported in part by the Institute and in large
fraction by a 5-year grant in the area of High Performance Computing for Multi-Scale andMulti-Physics Phenomena from CREST (Core Research for Evolutional Science and Technology)
program of JST (Japan Science and Technology Agency)
In the area of simulation of nanomaterials we initiated our research efforts on quantum
chemical molecular dynamics (QM/MD) computations of carbon nanostructure formation based on
density functional tight binding (DFTB). SpecificallyA) carbon nanotube formation during vacuum heating on the C-face of SiC crystals.
B) single-walled carbon nanotube (SWCNT) synthesis on Fe/Co/Ni catalysts using C2 as carbon
feedstock material to simulate laser evaporation and carbon arc processes,
C) fullerene self-assembly during combustion of benzene,D) Sc- and Ti-metallofullerene formation in analogy to previous simulations which explained theformation mechanism of C60 and higher fullerenes from hot C2 vapor,
E) Nanodiamond to fullerene and carbon onion transformations at high temperatures.
Further, we have begun to explore the following areas of nanocarbon materials simulations:F) investigation of excited states potential energy surfaces of Er2@C82 and Er2C2@C82 using
TDDFT to understand differences in photoemission profiles,G) the molecular and electronic structure of the remarkably stable Gd@C82 dimer using regular
DFT methods,
H) the thermodynamic stability of Fe@C82 in comparison to Sc@C82 using regular DFT methods,
and DFTB-based QM/MD simulations of Fe/C2 mixtures to investigate the early stages of Fe
particle aggregationI) the origin of handedness preference in double-walled carbon nanotubes using
dispersion-augmented DFTB-DJ) the geometries, thermodynamic stabilities, and high-temperature behavior of linear polyynes  


C10H2, C12H2, and C14H2 in SWCNTs of various diameters, as well as the Raman spectra, using
dispersion-augmented DFTB-DK) the computation of Raman spectra of finite-size SWCNTs and graphene sheets with increasing
molecular sizes, using our DFTB analytical second derivatives.
Under A) we have submitted a paper explaining the growth of carbon nanotubes. We
explained the following experimental observations: 1.CNT caps only nucleate on the C-face due tothe two antagonistic forces attempting to form abalance: formation of strong C-C bonds between
top-layer graphene and dangling C surface valences on
one hand, and the resistance of the planar sp2 graphene

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3

sheet to take non-planar sp hybridization, 2. Si atom
removal leads to unstable carbon species withdangling bonds which makes stable connections withexisting carbon material on the surface, thereby
continuing to grow existing caps into tubes, 3.

QM/MD snapshots of formation of a carbon nanotube
on the SiC C-face under random Si removal

Dangling C atoms on the Si-face are protected by the
Si atoms as opposed to the C-face, and rather tend to form graphene layers among themselves.
Figure shows a sequence during “Si atom random removal”.
As to the application of multi-level simulation to enzymatic reactions, we initiated he
ONIOM QM/MM optimization studies of reaction mechanisms of the following three systems. All
these involve formally spin-forbidden reactions between oxygen and a closed-shell molecule.
Aerobic organisms have developed a machinery of enzymes that efficiently catalyze and control
these reactions, and their theoretical understanding is urgently needed.
(1) Firefly luciferase catalyses the highly efficient reaction between luciferin and O2. Althoughinitially a ground-state reaction, the final result is an excited species that emits the characteristic
firefly light. ONIOM models are used to understand both how luciferase activates O2 without theuse of a metal center, and how it manages to efficiently convert chemical energy into light energy.
(2) Indoleamine 2,3-dioxygenase (IDO) and tryptophan 2,3-dioxygenase (TDO) catalyze thecleavage of the pyrrole ring of L-tryptophan and incorporate two oxygen atoms from the oxygen
molecule. Density functional theory calculations with the B3LYP functional do not support theconcerted ene-type addition and Criegee rearrangement previously proposed. An alternative
mechanistic pathway is suggested from the calculations.
(3) Isopenicillin N synthase (IPNS) is a
non-heme iron enzyme that uses dioxygen to
catalyze a critical step in the biosynthesis of
antibiotics. A mechanism for this enzymatic
reaction is proposed based on active-site DFT
models and ONIOM (B3LYP/Amber) calculations.
The most important effect of the surrounding  


protein is that it stabilizes dioxygen binding (see figure) by 8-10 kcal/mol, an effect that is critical
for the reactivity of these enzymes.
The improvement and further development of the ONIOM method and code as well as
preparation for ONIOM molecular dynamics simulations is also making progress.
2. Original papers(1). G, Zheng, Z, Wang, S, Irle, and K, Morokuma, Quantum chemical molecular dynamics
study of “shrinking” of hot giant fullerenes, J. Nanosci. Nanotechn. 7, 1662-1669 (2007).
(2).S. Irle, G. Zheng, Z. Wang, and K. Morokuma, Theory-Experiment Relationship of the“Shrinking Hot Giant” Road of Dynamic Self-assembly in Hot Carbon Vapor, Nano, 2, 21-30(2007).
(3) M. Uchiyama, Y. Matsumoto, S. Usui, Y. Hashimoto,\and K. Morokuma, Origin ofChemoselectivity of TMP-Zincate Base. Differences between TMP-Zincate andAlkyllithium Reagents: Insights from a DFT Study on Model Systems. Angew.
Chem. Int. Ed. 46, 926-929 (2007)

3. Presentation at academic conferences(1) Keiji Morokuma, “Quantum Mechanics and Molecular Mechanics (QM/MM) Studies ofEnzymatic Reaction Mechanisms”, Japan-China Crossover Science Symposium (JCCSS)
2006, Mito, Ibaraki, October 14-18, 2006
(2) Keiji Morokuma. “Simulation of Complex Molecular Systems via Hybrid Molecular
Theory”. Open Symposium of CREST/JST Project on “High Performance Computing forMulti-Scale and Multi-Physics Phenomena“, Toyo University, Tokyo, November 20-21,
2006(3) Keiji Morokuma. “Toward Simulation of Complex Molecular Systems via Hybrid Molecular
Theory”. Commemorative Symposium of 25th Anniversary of Prof. Kenichi Fukui’s Nobel
Prize, Kyoto University. November 29, 2006
(4) Keiji Morokuma. “Toward Simulation of Complex Molecular Systems via Hybrid Molecular
Theory”. Supercomputer Workshop 200: Commemorative Symposium on “Computational
Molecular Science: Thirty Years and the Future”, Research Center for Computational
Science, Institute for Molecular Science, Okazaki. February 28, 2007
(5) Keiji Morokuma, “Simulation of nano and biomolecular systems”, Invited talk at National
Meeting of American Chemical Society, Chicago, March 25-29, 2007  


4. Presentation at Institutional/Departmental Seminars(1) Keiji Morokuma, “Theoretical Studies of Chemical Reactions – Nano Structures, Catalysts,
and Enzymatic Reactions”, Invited Talk at Colloquium, NASA Ames Research Center,
January 17, 2007
(2) Keiji Morokuma, “Theoretical Studies of Chemical Reactions – Nano Structures, Catalysts,
and Enzymatic Reactions”, Invited Talk at Colloquium, Department of Chemistry, Stanford
University, January 18, 2007
(2) Keiji Morokuma, "Theoretical/computational studies of chemical reactions -- a fascinatingworld of chemistry". Invited Talk at Colloquium, Department of Chemistry, Beijing Normal
University, January 24, 2007
(4) Keiji Morokuma, "Theoretical/computational studies of chemical reactions -- a fascinatingworld of chemistry". Invited Talk at Colloquium, Department of Chemistry, Peking
University, January 25, 2007  
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Center Fellow (from 05/01/06 till 10/31/06)

1. Summary of the research of the year
a. QM/MD Simulations of CNT Growth from SiC-Derived Carbon
Quantumchemicalmolecular dynamics simulations
at Tt = 2000 K and 3000 K havebeen performed on model
systems of thin SiC (0001) and(000-1) surfaces with twographene patches placed on topof either C or Si face. In
agreement with experiment, wefind that a) the C face-attachedgraphene layer warps readily toform small diameter, stable
nanocaps, suitable for further
perpendicular
growthofnanotubes,
b)
the
Si
face-attached graphene sheet
does not readily warp and forms
more
volatile
Si-graphenebonds, possibly giving rise tolarger diameter caps, and c) C
face nanocaps appear to anneal
to dome-shape structures withzigzag chirality, due to theorientation of the unfilledsurface C sp3 valence orbital.
Further addition of SiC layers
from below and removal of Si
atoms by either “magic carpet”(see Figure 1) or “random
atom” removal approaches
show that carbon nanotubes canbe grown from the nanocaps at

Figure 1. Removal of top Si surface layers suddenly (“magic carpet”
Si removal) at Tt = 2000 K. Blue color represents Si atoms, purple
color represents C atoms. (a) initial structure; (b) suddenly remove
top layer Si atoms at 6 ps; (c) the structure after 12 ps annealing at
the end of first removal cycle (18 ps); (d), (e), (f), (g), and (h) are theend structures after the second (36 ps), third (54 ps), fourth (72 ps),
fifth (90 ps), and sixth (108 ps ) removal cycles.

  
the same temperatures. Our simulations provide direct evidence for the different time-dependentgraphene-surface interactions on C and Si faces of SiC at the atomic level and of the tube growthmechanism, and explain their experimentally observed different growth modes. A paper has been
submitted to J. Phys. Chem. C presenting these results.
b. QM/MD Simulations of Metallofullerene Formation
It has been a mystery of how exactly metal atoms enter the cages of metallofullerenes during
their formation. We have performed the first high-temperature quantum chemical molecular
dynamics simulations illustrating the entrapment process of a Sc atom inside a giant fullerene,
starting from half-opened basket structures encountered during the “Shrinking Hot Giant” road offullerene formation. A detailed analysis of the influence of the Sc atom on the cage closing
dynamics has been conducted. In particular we note the importance of Sc-C -bonds dynamicallyformed at the tips of polyyne chains attached to the half-opened basket structures, which result instronger attraction than Sc-sidewall interactions. In contrast, the entrapment mechanism of Ti isdifferent due to the much stronger, more covalent interaction of Ti with C. We are currently
writing a paper presenting these results.
c. Calculation BLYP/cc-pVTZ IR spectra of fullerenes C28, C60, and C70
In
theseground-breaking
benchmark calculations,
we have computed IR
spectra, DOS, and VDOS
of fullerenes C28, C60, andC70 at the BLYP/cc-pVTZ
level of theory, using
NWChem with 128 CPUs
simultaneously for 2 daysin case of the large
fullerenesinclosecollaboration with Dr.
Bert de Jong. The C60
point group symmetry
was set to D2h, and the C70
point group symmetry toC2v. These are the best ab

Figure 2. Calculated and experimental vibrational density of states for selected
fullerene molecules.

initio calculations of fullerene vibrational frequencies available to date, and are used to compare theperformance of our SCC-DFTB analytical second derivatives. Assignment of vibrational modes has
been performed for each system and compared with the B3LYP/6-31G(d) IR spectra calculation of  


Kertesz et al. Interestingly, the VDOS is very sensitive to basis set effects, especially polarization
functions, as a comparison between BLYP/cc-pVTZ and BLYP/3-21G shows. DFTB IR and
Raman spectra resemble the smaller basis set calculations, but are nevertheless quite close to
BLYP/cc-pVTZ. We find excellent qualitative agreement for IR spectra, VDOS, and DOS in all
three fullerene cases. In case of Raman spectra, which were computed using the modest
BLYP/3-21G level of theory due to the larger computational effort, we find interestingly
discrepancies in Raman intensities with respect to experimental spectra especially for the C-C
stretch frequencies. A benchmark paper has been published in J. Phys. Chem. reporting these
theoretical IR spectra, VDOS, and DOS.
d. Origin of linear relationship between CH2/NH/O-(n,n) SWCNT Reaction Energies andSidewall Curvature
The origin of the linear
relationship between the reactionenergy of the CH2/NH/O exo andendo additions to armchair (n, n)
single-walled carbon nanotubes(SWNTs) and the inverse tube
diameter (1/d) measuring sidewall
curvature was elucidated using
density functional theory and density
functional tight binding methods forfinite-size SWNT models with n ) 3,
4, ..., 13. A nearly perfect linear
relationship between E and 1/d all
through
exohedral(positive
curvature) and endohedral (negative
curvature) additions is due tocancellation between the quadratic
contributions
deformation

of
the
SWNT
energyandtheinteraction energy (INT) between the
deformed SWNT and CH2/NH/O
adducts (see Figure 3). Energy
decomposition analysis shows thatthe quadratic contributions inelectrostatic, exchange, and orbital

Figure 3. (A) Quadratic relationship between the stabilizationenergy DE, DEF(SWNT), and INT and 1/d for endo and exo(s)CH2 adducts on the 15 Å SWNT at the DFTB level. (B)Quadratic relationship between INT and its EDA components
ES, EX, and ORB and 1/d for endo and exo(s) CH2 adducts on
the 5 Å SWNT at the HF/STO-3G level.

terms mostly cancel each other, making INT weakly quadratic, and that the linear 1/d dependenceof INT, and therefore of E, is a reflection of the 1/d dependence of the back-donative orbital  


interaction of b1 symmetry from the occupied CH2/NH/O p orbital to the vacant C-C * LUMO
of the SWNT. We also investigated the origin of the two isomers (open and three-membered ring)of the exohedral addition product and explain the behavior of their associated minima on the C-C
potential energy surfaces with changing d. A paper has been published in J. Am. Chem. Soc. on
this topic.
e. Comparison of Geometric, Electronic, and Vibrational Properties for Isomers of Small
Fullerenes C20-C36
We have employed the self-consistent-charge density-functional tight-binding(SCC-DFTB) method for computing geometric, electronic, and vibrational properties for various
topological isomers of small fullerenes. We consider all 35 five- and six-member rings containingisomers of small fullerenes, C20, C24, C26, C28, C30, C32, C34, and C36, as first part of a larger
effort to catalog CC distance distributions, valence CCC angle distributions, electronic densities ofstates (DOSs), vibrational densities of states (VDOSs), and infrared (IR) and Raman spectra forfullerenes C20-C180. Common features among the fullerenes are identified and properties
characteristic for each specific fullerene isomer have been analyzed. The results of the analysis
were published in J. Phys. Chem. A.

2. Original papers
1.

C. She, J. Guo, S. Irle, K. Morokuma, D. L. Mohler, F. Odobel, J. T. Hupp, and T. Lian,
Comparison of Interfacial Electron Transfer Through Carboxylate and Phosphonate Anchoring
Groups, J. Phys. Chem. A, in press.
2. E. Malolepsza, H. A. Witek, and S. Irle, Comparison of geometric, electronic, and vibrational
properties for isomers of small fullerenes C20-C36, J. Phys. Chem. A, ASAP paper. DOI:
10.1021/jp068529r
3.

S. Irle, G. Zheng, Z. Wang, and K. Morokuma, Theory-experiment relationship of the"shrinking hot giant" road of dynamic fullerene self-assembly in hot carbon vapor, Nano 2,
21-30 (2007). DOI: 10.1142/S1793292007000362

G. Zheng, Z. Wang, S. Irle, and K. Morokuma, Quantum chemical molecular dynamics study of“shrinking” of hot giant fullerenes, J. Nanosci. Nanotechnol. 7, 1662-1669 (2007). DOI:
10.1166/jnn.2007.451
5. G. Zheng, Z. Wang, S. Irle, and K. Morokuma, The Origin of Linear Relationship Between
CH2/NH/O-SWNT Reaction Energies and Sidewall Curvature: Armchair Nanotubes, J. Am.
4.

Chem. Soc. 127, 10533-10538 (2006).
6.

DOI: 10.1021/ja061306u

H. Witek, S. Irle, G. Zheng, Wibe A. de Jong, and K. Morokuma, Modeling carbon
nanostructures with the self-consistent density-functional tight-binding method: Vibrational  


spectra and electronic structure of C28, C60 and C70, J. Chem. Phys. 125, 214706/1-15 (2006).
DOI: 10.1063/1.2370877
3. Review articles•

S. Irle, G. Zheng, Z. Wang, and K. Morokuma, Dynamics Simulations of Fullerene and SWNT
Formation, in: S. Nalwa, Ed., “Encyclopedia of Nanoscience and Nanotechnology”,
American Scientific Publishers, Stevenson Ranch, CA, publication in 2007.

4. Presentation at academic conferences• February 2007: Invited Talk, “Quantum Chemical Molecular Dynamics Simulations ofFullerene and Carbon Nanotube Self-Assembly”,The 32nd F-NT Symposium @ Meijo
University, Nagoya, Japan• September 2006: Invited Talk, “DFTB-based QM/MD simulations of nanostructure formation
processes far from thermodynamic equilibrium”, 232nd ACS National Meeting, San Francisco,California, U.S.A.
• September 2006: “The Use of ONIOM in Computational Nanomaterials Research”, 232nd ACS
National Meeting, San Francisco, California, U.S.A.
5. Others
ORAL PRESENTATIONS (Invited Lectures, Seminar Talks, etc.)• January 2007: “Recent progress in quantum chemical simulations of nanomaterials”, invitation
to JST/CREST meeting organized by Prof. Takeo Fujiwara, Department of Applied Physics,
Tokyo University, Tokyo, Japan.
• January 2007: “Quantum Chemical Molecular Dynamics Simulations of Fullerene and Carbon
Nanotube Self-Assembly”,Department of Physics, Kyoto University, Kyoto, Japan• August 2006: “Quantum Chemical Molecular Dynamics Simulations of Metallofullerene
Formation and Carbon Nanotube Nucleation Processes”, Nagoya University and Japan Fine
Ceramics Center, Nagoya, Japan.
• August 2006: “The Nucleation Process of Carbon Nanotubes Studied by QM/MD Simulations”,
Computational Chemistry Unit Cell, Chulalongkorn University, Bangkok, Thailand.
• May 2005: “QM/MD simulations of high-temperature CNT growth on SiC surfaces”, 3rd Fukui
Center Seminar, Fukui Institute for Fundamental Chemistry, Kyoto, JapanPOSTER PRESENTATIONS & ORAL PRESENTATION CONTRIBUTIONS (presenter inbold)• April 2007: NASA/Rice University 3rd Workshop on Nucleation and Growth of Single Wall
Carbon Nanotubes, Guadalupe River Ranch, Boerne, Texas, U.S.A.: S. Irle, Y. Ohta, Y.

  
Okamoto, Z. Wang, G. Zheng, and K. Morokuma, “Quantum Chemical Molecular Dynamics
Simulations of Carbon Nanotube Self-Assembly”• February 2007: The 32nd F-NT Symposium @ Meijo University, Nagoya, Japan: G. Zheng, Z.
Wang, S. Irle, and K. Morokuma, “Origin of Linear Relationship Between
CH2/NH/O-(n,n)SWCNT Reaction Energies and Sidewall Curvature”• November 2006: The 25 year memorial symposium for Nobel Prize of Kyoto University
Professor Emeritus Kenichi Fukui, Kyoto, Japan: G. Zheng, Z. Wang, S. Irle, and K. Morokuma,“Origin of Linear Relationship Between CH2/NH/O-(n,n)SWCNT Reaction Energies andSidewall Curvature”• October 2006: 3rd Japan-Korea Symposium on Carbon Nanotubes, Gyeongju, Korea: S. Irle, Z.
Wang, G. Zheng, and K. Morokuma, “Quantum chemical molecular dynamics simulations ofcatalyst-free high-temperature CNT growth on SiC surfaces”• September 2006: Talk at 232nd ACS National Fall Meeting, San Francisco, California, U.S.A.: S.
Irle, G. Zheng, Z. Wang, and K. Morokuma, “QM/MD simulations of carbon nanotube andfullerene growth and dynamics”• September 2006: Talk at 232nd ACS National Fall Meeting, San Francisco, California, U.S.A.:
Z. Wang, S. Irle, G. Zheng, and K. Morokuma, “Quantum chemical molecular dynamics studyof catalyst-free SWNT growth from SiC-derived carbon”• June 2006: Nanotube’06, Nagano, Japan: S. Irle, G. Zheng, Z. Wang, H. Witek, and K.
Morokuma, “The Density Functional Tight Binding (DFTB) Method for Large Scale Finite SizeModel System Calculations of Nanotube Growth, Reactions, and Properties”• May 2006: International Congress of Quantum Chemistry, Kyoto, Japan: S. Tsukamoto, H.
Mori, S. Irle, K. Morokuma, H. Tatewaki, and E. Miyoshi, “Chemical interaction analysis oftripods containing lanthanide elements”• May 2006: International Congress of Quantum Chemistry, Kyoto, Japan: S. Irle, G. Zheng, Z.
Wang, and K. Morokuma, “The C60 Formation Puzzle “Solved”: QM/MD Simulations Reveal
the Shrinking Hot Giant Road of the Dynamic Fullerene Self-Assembly Mechanism”

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Marcus Lundberg  
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1. Summary of the research of the year
Multi-scale methods for enzyme catalysis
Advanced forms of life rely on enzymes that efficiently catalyze and control reactions between oxygen andclosed-shell molecules. Studies of these enzymatic reactions provide insight into fundamental biologicalprocesses, and can influence the development of efficient catalysts. In the present research, multi-scalemodels using the ONIOM scheme are used to understand the factors that control enzyme activity. In addition,
the benefits of the multi-scale methods have been evaluated to improve the modeling of biological processes.
Isopenicillin N synthase (IPNS) is an oxygen-activated non-heme iron enzyme. It catalyzes a key stepin the biosynthesis of the important antibiotics penicillin and cephalosporin and is therefore an attractive
target in the development of novel antibiotic compounds. The enzyme’s activity has been analyzed using anactive-site (DFT) model together with an ONIOM QM:MM (B3LYP:Amber) model that includes the full
protein. In the QM:MM model the reactive core is treated by an accurate quantum mechanical (QM) method
and the environment is treated by a fast molecular mechanics (MM) method. By comparing the two
approaches, the catalytic effect of the metal center can be separated from the catalytic effect of thesurrounding protein.
In the present system, the reaction mechanism is mainly determined by the electronic structure of themetal center. The long-range effects of the surrounding protein are relatively small. However, the use of a
QM:MM model significantly improves geometries and relative energies by removing effects fromtruncations of the model. A significant result is that the QM-only model fails to describe O2 binding. There
are two important reasons for this failure. First, the active-site model has problems to describe coordinatively
unsaturated iron centers, e.g. five-coordinate sites (see Fig. 1). Second, non-bonded interactions, e.g. van der
Waals interactions, are important in binding processes but are neglected when using active-site models. In
total, the binding energy of O2 increases by 8 kcal/mol when the surrounding protein is included.

Figure 1. Dioxygen binding in isopenicillin N synthase studied by QM-only (white) and ONIOM (blue). The
QM-only model gives incorrect coordination geometries of substrate and His270 in the five-coordinate state.
  


The finally proposed mechanism for IPNS includes: binding of O2 to iron to form a ferric-superoxo(Fe(III)-OO-) species, two-electron oxidation of the substrate, generation of a ferryl-oxo (Fe(IV)=O) species
by heterolytic O-O bond cleavage and finally two-electron oxidation of the substrate by the ferryl-oxointermediate. Iron remains in a high-spin configuration and the reaction mainly proceeds on the quintet
surface. The modeling study highlights the similarities between IPNS and other enzymes that belong to thesame enzymatic family, e.g. pterin-dependent amino acid hydroxylases and α-keto-acid-dependent
dioxygenases.
The QM/MM scheme is the most commonly used multi-scale method. A major problem of thisapproach is the accuracy of the electrostatic interactions between the QM and the MM layer. The ONIOM
scheme is a unique multi-scale method since it allows the combination of any computational methods, and inprinciple, any number of computational layers. The ability to use QM as the low or medium-level method is
in some cases essential; QM methods take into account electronic effects of the environment and are fullypolarizable; both of these important effects are neglected when standard MM is used as the low-level
method.
The development of transition-metal parameters for the DFTB method makes it possible to extend
the range of DFTB applications to new metal enzymes. To evaluate the accuracy of the DFTB method as asecond layer in ONIOM scheme, the potential energy diagram of isopenicillin N synthase was calculatedusing ONIOM (DFT:DFTB) (see Fig. 2). Although the DFTB method itself shows significant deviations
from the target DFT calculation, the DFT:DFTB calculations are in much better agreement with the target
calculation. This illustrates the applicability of multi-layer ONIOM calculations with the DFTB method for
enzymatic systems.

Figure 2. ONIOM (DFT:DFTB) energy profile for selected parts of the isopenicillin N synthase reaction compared
to results from DFT and DFTB-only calculations.

  


2. Original papers(1) Guishan Zheng, Henryk Witek, Petia Bobadova-Parvanova, Stephan Irle, Djamaladdin G.
Musaev, Rajeev Prabhakar, Keiji Morokuma, Marcus Lundberg, Marcus Elstner, Christof
Köhler and Thomas Frauenheim, J. Chem. Theor. Comp, 2007, In Press.
(2) Marcus Lundberg and Keiji Morokuma, “Protein Environment Facilitates O2 Binding in
Non-Heme Iron Enzyme. An Insight from ONIOM Calculations on Isopenicillin N
Synthase (IPNS).” J. Phys. Chem. B. Submitted.
3. Presentation at academic conferences(1) Marcus Lundberg, Per E. M. Siegbahn, “Photosynthesis and photosystem II by hybrid
density functional theory” XIIth International Congress of Quantum Chemistry (PosterC001), Kyoto, May 24, 2006.
(2) Marcus Lundberg, Thom Vreven and Keiji Morokuma, “Protein effects on the mechanismof a non-heme iron enzyme: An ONIOM study of isopenicillin N synthase”, 233rd National
meeting of the American Chemical Society (Oral presentation), Chicago, March 27, 2007.
4. Others(1) Marcus Lundberg and Keiji Morokuma, “Mechanism for Biosynthesis of Antibiotics in
Isopenicillin N Synthase Studied by Theoretical Methods” The 25th anniversary symposiumof Professor Emeritus Kenichi Fukui’s Nobel Prize Award), Kyoto, Nov. 29, 2006.

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Chung, Lung Wa
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FIFC Fellow, Fukui Kenichi Memorial Research Group 1 (from 10/16/06)
1. Summary of the research of the year (3-5 pages, includes appropriate figures and tables)
A Theoretical Study of Reaction Mechanism of Tryptophan Catabolism
Indoleamine 2, 3-dioxygenase (IDO) and tryptophan 2, 3-dioxygenase (TDO) are uniqueheme-containing dioxygenases, which involve oxidative cleavage of the pyrrole ring of indoleamines andincorporate two oxygen atoms of oxygen molecule to give N-formylkynurenine derivatives (Eq. 1).
recently, three crystal structures of IDO and TDO have been obtained.

Very

In this connection, twomechanistic pathways (ene-type addition coupled with proton transfer, followed by either formation ofdioxetane or by Criegee-type rearrangement) were proposed (Eq. 2).

However, structural constrain ofindole apparently does not have good alignment of the N-H bond for the ene-type addition transition state.
On the other hand, contrast with many Fe-containing metalloenzymes, site-directed mutation showed thatpolar residues in the active do not act as bases in the oxygen activation in IDO and TDO.

Therefore,

B3LYP calculations have been performed to elucidate the alternative reaction mechanism of this uniqueheme-containing dioxygenases.
CO2

CO2
NH3

O

NH 3

IDO or TDO

O

+ O2

N
H

N
H

(1)
R

N-formylkynurenine

R
N
H

O

ene-type
addition TS

R

O

N
II

Fe

FeII

H

R
O
N
H

Criegee
Pathway

O

FeII

R

HN

O

O

Fe

(2)

O
H

O
H

R

N

O
II

O

FeII
R
N
O

OH
II

Fe

The calculations showed that the proposed concert ene-type addition transition state is high inenergy (E = 42 (without heme) and 29 – 32 kcal/mol (with heme)) (Figures 1 and 2).

In addition, theproposed Criegee-type rearrangement from the neutral indole substrate requires a very barrier (51kcal/mol), due to the absence of a very strong electron-donating group on the indole.

Instead, directelectrophilic addition (closed-shell singlet) or radical addition (open-shell singlet or triplet) of the distal
oxygen to both C2 and C3 positions of the indole are computed to be energetically favorable (Figure 3).
  


HNC2C3:
180.0

HNC2C3:
1.319
-89.7
1.351
1.998

O

1.437

1.216

O

Me
1.536

N
H
+ O2

OH

N 1.282

41.9

1.721

2.9

E: 0.0

N

1.768
1.346

OH

2.034 1.257

53.5

Figure 1. The calculated relative electronic energies (kcal/mol) for reaction of an indole with O2 and thecalculated structures of the ene-type addition and Criegee-type rearrangement transition states.

Figure 2. The calculated ene-type addition transition states and the relative electronic energies (inkcal/mol) for closed-shell singlet and triplet states.

Figure 3. The calculated direct addition transition states and the relative electronic energies (in kcal/mol)for closed-shell singlet, open-shell singlet (OSS) and triplet states.

  
Moreover, the proposed Criegee-type rearrangement pathway could not be located from the heme-indole
complex, presumably due to high-barrier.

Instead, ring opening of epoxide transition states are obtained.

In the closed-shell singlet surface, the proposed most favorable pathway involves electrophilic addition toC3 of the indole and gives a zwitterionic intermediate, followed by a low-barrier C-O bond formation(charge-recombination) to give a dioxetane intermediate.
intermediate leads to the N-formylkynurenine product.

Finally, ring-opening of the dioxetane

Whereas, in the open-shell singlet and triplet

surface, radical addition to C2 of the indole are computed to be the most favorable route and give a
diradical intermediate. However, this route, which could be complicated by formation of a ferryl-oxointermediate (Compound II) through homolytic cleavage of the O-O bond, are being investigated before
completing all potential energy surface for the triplet (or open-shell singlet) state.

2. Original papers(1) Lung Wa Chung, Hiroshi Sugimoto, Yoshitsugu Shiro, Keiji Morokuma*“An Alternative Mechanism of Tryptophan Catabolism? DFT Study on A Missing Piece in Our
Understanding of Heme Chemistry”
Manuscript in preparation.
3. Presentation at academic conferences(1) Lung Wa Chung, Hiroshi Sugimoto, Yoshitsugu Shiro, Keiji Morokuma*“An Alternative Mechanism of Tryptophan Catabolism? DFT Study on A Missing Piece in Our
Understanding of Heme Chemistry”
The 10th Theoretical Chemistry Symposium (1P38), Nagoya, May 14, 2007.
4. Others
None

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Biswajit Saha
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Center Fellow (11/01/06-)
1. Summary of the research of the year FY2006(A) QM/MD study of the fullerene formation mechanism by means of benzene combustions
Combustion synthesis of fullerene using hydrocarbons such as benzene is well establishedand industrial level production of highly pure (> 90%) fullerene is also available. But the fullerene
formation mechanism is not well established theoretically albeit intensive studies have been
performed so far. To elucidate their atomistic self-assembly mechanism during benzene
combustions, here, we have performed high-temperature quantum chemical molecular dynamics(QM/MD) simulations using model systems initially consisting of benzene molecules. We wish topresent a coherent mechanism on how highly ordered fullerene cages are naturally self-assembled
under nonequilibrium conditions from benzene molecules to giant fullerenes.
Density functional tight-binding (DFTB) method is used for these simulations with non-selfconsistent charge approximation. Trajectories have been simulated considering models systems
consisting of 27 and 36 benzene molecules and constant temperature of 2000, 2500, 3000 and 3500
K. To mimic the function of oxygen in the experimental condition, we removed hydrogen randomly
from the model systems.
A few representative snapshots of the cluster formation are shown in Fig. 1 and Fig. 2 for two
trajectories. From Fig. 1 it is apparent that the formation of polyyne chain/cluster is delayed due tothe presence of hydrogen even it may prevent the fullerene formation. Thus when we remove thehydrogen slowly it leads, mainly, to a formation of graphene sheet consisting of mostly
six-membered rings.
Fig. 1 Model system - 27 benzene molecules, Temperature = 3000 K, slower hydrogen removal rate→
2.20 ps→35.04 ps→
75.08 ps110.11 ps

Where as, when we remove hydrogen at much faster rate from the system, we observed that somefullerene or fullerenic structure may from as shown in Fig. 2. In this case we obtained a giant fullerene (C200).
Even varying the simulation condition single wall carbon nano tube (SWNT) may be simulated. From thesesimulations we may confer the following points. (i) The presence of hydrogen may delays or even preventsthe fullerene formation. (ii) Varying the simulation condition SWNT may be simulated. Detailed analysis on  
the fullerene formation mechanism is going on.

Fig. 2 Model system - 36 benzene molecules, Temperature = 3000 K, faster hydrogen removal rate→→
5.01 ps

2.21 ps→
56.73 ps→10.01 ps

18.11 ps→
80.08 ps110.11 ps(B) Poly aromatic hydrocarbon (PAH) formation during benzene combustions: QM/MD studyof formation mechanism
Poly aromatic hydrocarbons (PAH) are formed mainly as a result of the incomplete
combustion of hydrocarbons. It is also found that in flame, PAH are the fullerene precursors.
Moreover to minimize the soot formation in combustions requires the control of chemical processes
responsible for the growth of PAH. Hence it is worth to shed light on the PAH formation andgrowth mechanism during combustions. In this research we would like to study the formation
mechanism of PAH during benzene combustions using density functional tight binding (DFTB)
method.
For the present study we considered a model system consisting of 15 benzene molecules.
Simulations have been performed at temperatures of 2000 K and 3000 K considering several C:H
ratio in the model system. The growth of the C cluster is shown for two C:H ratio in Fig. 3. It isapparent from the figures the C:H ratio is an important factor for the growth of the cluster size. The
growth is slower when C:H=1:1 than C:H=1:0.78. The system reaches in equilibrium faster (~ 50
ps ) for higher hydrogen content than lower hydrogen content (~ 80 ps). It was also observed thatthe formation reaction is much faster at higher temperature; say 3000 K than lower temperature say
2000 K. Further investigation on this formation reaction is going on.

  


Fig. 3 Model system -15 benzene molecules, Temp=3000 K, C:H=1:1 (left), C:H=1:0.78 (right)
20

40

60

0

80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300

20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300

90

90

90

80

80

80

80

70

70

70

70

60

60

60

60

50

50

50

50

40

40

40

40

30

30

30

30

20

20

20

20

10

10

10

10

0

0
0

20

40

60

Carbon species

Carbon species

0
90

0

80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300

00Time (ps)20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300

Time (ps)2. Others(1) B. Saha, M. Ehara, H. Nakatsuji“On the mechanism of fluorescence enhancement in aggregated OLED molecules (poster)”
The 25th anniversary symposium of Professor Emeritus Kenichi Fukui’s Nobel Prize Award,
Kyoto, Nov. 29, 2006.

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Tsutomu Kawatsu  
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JST Fellow, Fukui Kenichi Memorial Research Group 1 (from 11/01/06)
1. Summary of the research of the year
Mechanical free energy driven molecular dynamics for multiple time-step simulation in
ONIOM
Atomic-level molecular dynamics (MD) simulation requires time step in femto-second order for
representing atomic fluctuations. Recent progress of computer systems allows simulating
nano-second or longer dynamics in classical dynamics. On the other hand, it is still difficult to
calculate million steps of quantum mechanics (QM) simulation. We present a method for longtime-step QM simulation using combination technique to short time-step MD simulation.
During the short-time step dynamics, the system geometry changes by forces from the potential
energy divergence. On the other hand, stochastic behavior for long-time scale of a molecularsystem binds to the free energy profile. We therefore propose a multiple time step simulationthat the long-time step part walks on the free energy surface instead of potential energy
surface as in MD simulation. We split the system with two parts concerning to QM and MM
simulation as typical QM/MM or ONIOM. Then, we split the time-progress step of thesimulation with stochastic and atomic time scales. In the stochastic time scale, the geometry
changes following free energy divergence and ONIOM calculation runs. In the atomic timescale, the geometry changes, following the classical force field and umbrella sampling potential.
The QM part force field and umbrella sampling potential are presented from ONIOM
calculation in former stochastic time step. The results in atomic time scale are only used for
determine the free energy potential in QM part. We have prepared the formula and simulation
program.

Free energy calculation for ONIOM optimized transition state using the free energy
perturbation theory
ONIOM is strong method for finding transition states of chemical reactions in protein
environment. The transition state is optimized in minimum potential energy except thereaction coordinates. Each energy difference between reactant, transition and product statespresents the reaction rate and possible pathway. However, that is a comparison in a frozen
state at an absolute zero temperature condition. For realistic chemical condition, we prefer tocompare free energy differences instead of potential energy differences. ONIOM calculation
includes surrounding protein environment. We have prepared to simulate the thermal
fluctuation of the protein environment using MD simulation and calculate free energy
difference using free energy perturbation method.

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2. Others(1) Tsutomu Kawatsu, Veaceslav Coropceanu, Aijun Ye and Jean-Luc Brédas“Transfer Integrals between Weak-Coupled Excited Organic Molecules” The 25th anniversary
symposium of Professor Emeritus Kenichi Fukui’s Nobel Prize Award, Kyoto, Nov. 29,
2006.

 

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Yasuhito Ohta

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JST Fellow,
Fukui
KenichiMemorial
ResearchGroup1(
12/01/06)
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1. Summary of the research of the year
Tight-binding molecular dynamics simulation of single-walled carbon nanotube
Since carbon nanotubes (CNT) have been discovered in 1991(Nature 354 (1991) 56),
extensive studies have been conducted with respect to the physico-chemical propertiesof the CNT systems. CNTs have been expected to be utilized for various kind of
applications such as hydrogen storage, electronic devices, and chemical sensors, andtherefore development of mass production technique of high quality CNT has also beena hot topic. However, in spite of recent remarkable progress on the efficient production
technique of CNTs (Science 306(2004) 1362), the mechanism of nanotube growth is still
not well understood. As one of convincing mechanism of nanotube growth is based on
VLS (liquid vapor solid model). In this model, carbon source and metals are evaporated
at high temperature and metal carbide is generated in liquid phase with decreasing
temperature. For further lowering temperature, carbon precipitate from metal carbide
to construct sp2 hybridized structure.
So far, many groups have been addressing elucidation of growth mechanism of carbon
nanotube through molecular dynamics approaches. For example, Sibuta andMaruyama (Chem. Phys. Lett 382 (2003) 381) and Feng et al (Compt. Mat. Science 35(2006) 243) have independently shown the early stage of nucleation of carbon nanotube
using classical molecular dynamics approach. In their simulations, carbon atoms wereincorporated into metal particle and afterward the absorbed carbon atoms started toprecipitate on the surface of metal particle to create some sp2 hybridized cap structures.
Such absorption and precipitating behavior of carbon atoms support the VLS model for  
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the root growth mechanism of CNT. However, their simulations are based on theclassical molecular dynamics and therefore it is essentially difficult to describe correctbond creation and destruction process of molecules.
In the present study, we investigate the interaction of metal-carbon cluster withcarbon source by means of molecular dynamics simulation based on DFTB (density
functional tight-binding) approach [8]. We have been exploring the interplay amongcarbon source, metal particle, and a nanotube seed fragment.
Figure1(a) shows a model system of the Fe-C cluster. The Fe particle in the cluster iscomposed of 38 Fe atoms. 24 C2 moldecules are attached on the surface of the metal
particle where the molecular axis of each C2 molecule is vertical to the metal surface.
The open-end tube fragment is a (5,5)
(a)

(b)

arm chair type of single-walled carbon
nanotube with the length of 6 . One
end of the truncated nanotube is cappedby hydrogen atoms.
For MD simulations, time step is set to

Figure 1 Model system of Fe-C cluser. White:hydrogen, Green: carbon, Red:Fe

1.0 fs and the periodic boundary
condition is used with the box size of 40(a) geometry at t=0 (b) geometry at t=67ps

Å3. The mass of hydrogen atom is set tothat of carbon atom for the use of reasonable time step. The temperature of the system
was controlled to 1200 K by the velocity scaling method or Nose-Hoover chain
thermostat. Figure 1(b) shows the snapshot of Fe-C clusters at 67 ps. As you can see,
the Fe-C cluster did not deform drastically at this time. During the MD run, most of theC2 molecules were fluctuating on Fe atoms without noticeable migration anddissociation. The C2 molecules were not also incorporated into the open-end nanotube
fragment.

  
We have also investigated the interaction of carbon source with metal-C cluster with
Co and Ni. Figure 2(a) shows the snapshot of Co-C cluster at 96.7ps. Differing from thecase of Fe-C cluster, deformation of the Co cluster is remarkable and some of carbon
atoms are incorporated into the Co cluster, while the nanotube fragment robustly
maintains its tubular structure without making any new dangling bonds.
Fig 2(b) shows the snapshot of Ni-C cluster at 88.2ps. As well as the case of the Fe-C cluster, the(a)deformation of the Ni-C cluster is(b)moderate at this time region.
Next we have investigated the
dynamical

behaviorofmetal-carbon cluster in more
supplement of carbon source. We
Figure 2 (a) Co-C cluser at t= 96.7ps. White: hydrogen, Green:

have

performed

DFTB-MD

carbon, Blue:Co. (b) Ni-C cluster at 88.2ps. White: hydrogen,simulations of the Fe-C cluster

Green: carbon. Gray: Ni.

with 50 additional C2 moleculesin the box (40 Å3) ( See Fig.3 (a) ). Figure 3 (b) shows the snapshots of a MD trajectory
between 0.89 ps and 1.88 ps. At 0.89 ps, a carbon atom approaches a C2 molecule
wobbling on a Fe atom to create C3 fragment. At 1.24 ps, a C2 molecule dissociated fromthe C3 fragment which was created at 0.89 fs on the Fe cluster. The left carbon atom
actively moved around Fe atoms for 0.3 ps. At 1.51 ps, the interatomic distance
between the active carbon and adjacent Fe atoms enlarged and at this moment, a
Fe-C-Fe angle became close to 180 degree. At 1.88 ps, the carbon atom created new
bonds with inside Fe atoms to be embedded into the Fe cluster. carbon nanotube on
metal particle.

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t=0

t=56psFigure 4 shows snapshot of
Fe-C cluster at 100 ps. At thelower edge of nanotube, a fivememberring

iscreatedbyincorporating a carbon molecule.
Figure3(a) deformation process of Fecluster.

As shown in the right hand sideof Fig.4, incursion of several
carbon atoms in Fe cluster isobserved. Such carbon atoms
might also contribute to the
0.89 ps

1.24 psgrowthbehaviorofcarbonnanotube. On the surface of theFeparticle,carbon1.51 psrelatively

fragments

are

small
also

sticking. These fragments can
1.88 psbe a seed to create some sp2
Figure3(b) incorporation process of carbon

carbon network structure.

atom into Fe-cluster

From present MD simulation,
two reaction process can be considered for root growth mechanism of carbon nanotube.
One is the precipitation of carbon atoms inside the Fe particle. In this process, carbon
atoms are firstly incorporated into Fe particle and then those atoms precipitate thejoint area between metal particle and nanotube. The other process is the surface
diffusion of carbon fragment on the metal particle. To investigate which process isdominant for root growth of nanotube, further MD simulation is necessary.

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Figure 4 shap shot of Fe-C cluster at 100 ps. Left: side view of the Fe-C cluster.
Right: top view of the Fe-C cluster.

Linear scaling method for nano-size tight-binding molecular dynamics simulation
So far we are trying to understand the mechanism of nanotube growth usingtight-binding molecular dynamics approach. In this method, the computational costis proportional to the cube of N. Because of this feature, practical system size islimited to several hundred atoms and practical computational time(~100ps) is alsomuch shorter than the time scale of actural nanotube growth (mill-second). To
overcome this limitation, we are addressing the development of linear scaling method
which can handle large scale nano systems. Recently, Takayama et al have developed
so-called shifted-COCG(conjugate orthogonal conjugate gradient) approach as a large
scale electronic structure theory(Phys. Rev. B 73 (2006) 165108). They have applied
the newly developed method to 1000 Si and 1500 Cu systems to obtain electronic
structure.

We have focused on their approach and have been independently

developing shifted-COCG algorithm for non-orthogonal tight-binding molecular
dynamics simulation. In the shifted-COCG algorithm, the following linear equation issolved to obtain Green’s function.

zS  H G  1(1.1)

where H and S are Hamiltonian and overlap matrix, respectively, and z is an  


imaginary energy. In shifted-COCG method, this equation is solved at different
energy points to evaluate density matrix. One arbitrary energy point is chosen as areference system. For a reference system, COCG algorithm is applied to solve thesimultaneous first-order equation (1.1). The information of residual vector obtainedby COCG implementation is then used for evaluation of the residual vector at shifted
systems using the theorem of collinear residual. We have developed shifted-COCG
code and testing its efficiency for relatively small molecules. Figure 5 shows theresult of LDOS (local density of states) of half cap fragment of fulleren. The peak
position corresponds to orbital energy of the molecular system. Currently, we aretying to incorporate this COCG code to DFTB program to implement DFTB
molecular dynamics simulation.

300

LDOS
200
100
0
-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

Energy [a.u.]
Figure 5 (a) Local density of states vs energy (b) structure of half cap model offulleren. Green: carbon, Blue: hydrogen

2. Others
None

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Fig. 1: Two typical time evolutions of the model system forming a nucleosome. DNA is modeled by a semiflexible
homopolymer and the histone core is modeled by a spherical particle. In (a), the system achieves the proper
left-handed wrapping, while in (b), the system undergoes improper right-handed wrapping.

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Fig. 2: (a) Dependence of relative probabilities of the left-handed wrapped state of the nucleosome (open squares)
and the right-handed wrapped state (open circles) on the core-radius parameter  c . (b) Free-energy profile ofthe formed nucleosome along the parameter C , which characterizes the chirality of the wrapping, for threedifferent core sizes. The free-energy minima in the range C  0 correspond to the left-handed wrapped states,
while the free-energy minima in the range C  0 correspond to the right-handed wrapped states. The
free-energy minima around C  0 correspond to the unwrapped states.

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Physical Review E (in press) (2007).
[2] T. Yanao, W. S. Koon, J. E. Marsden, and I. G. Kevrekidis,“Gyration-radius dynamics in structural transitions of atomic clusters”
The Journal of Chemical Physics 126, 124102 (pp 1-17) (2007).
[3] T. Yanao, W. S. Koon, and J. E. Marsden,“Mass effects and internal space geometry in triatomic reaction dynamics”
Physical Review A 73, 052704 (pp 1-11) (2006).

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[1] ᩉየ᦮ᵗ㧔ࡐࠬ࠲࡯⊒⴫㧕 ‫ޟ‬ಽሶߩᒻߩᝄേ቟ቯᕈߣᐞ૗ቇ⊛෻ᔕㅦᐲ⺰ߩߺ‫ޠ‬  ╙㧝࿁ℂ⺰ൻቇ⸛⺰ળฬฎደ 2007 ᐕ 5 ᦬[2]ᩉየ᦮ᵗ㧔ࡐࠬ࠲࡯⊒⴫㧕‫ࡦ࠴ࡑࡠࠢޟ‬᭴ㅧᒻᚑࡔࠞ࠾࠭ࡓ⸃᣿ߦะߌߡߩ⺰㧦
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[1]

Tomohiro Yanao

“Gyration-radius dynamics and kinematic distortion effects in large-amplitude collective motionsof polyatomic molecules”
Princeton University, Department of Chemical Engineering, Kevrekidis Group Seminar
Princeton (USA), May 2006.

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[2]

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“Gyration-radius dynamics and kinematic distortion effects in structural transitionsof polyatomic molecules”
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FIFC Fellow (from 11/06/06)
1. Summary of the research of the year

Theoretical Study of Optical Properties of Rare Earth and Transition Metal Ions in Crystals
Rare earth and transition metal ions as impurities in crystals are extensively studied due tovarious applications of these materials. First-principles and semiempirical modeling of theirproperties (including energy level scheme, absorption spectra, interaction with crystal lattice
vibrations etc) form the main direction of my research activities. The main research results obtainedso far can be classified into several categories according to research subjects:
1. Detailed and systematic analysis of high-lying energy levels (belonging to 4fn and 4fn-15d
electron configurations) of trivalent lanthanides has been performed using two independent
approached: semi-empirical crystal field theory and density functional theory with configurationinteraction (DFT-CI) method. Obtained in this way energy levels diagram (which include energy
level assignment) are extended (up to 400,000 cm–1) analogues of the Dieke diagram.
2. In addition, DFT-CI method has been also successfully applied to the following problems:i) systematic modeling of the 4fn  4fn-15d absorption spectra of trivalent lanthanides inseveral fluorides crystals (LiYF4, CaF2, BaF2, SrF2 etc);ii) calculations of the L2,3 edge X-ray absorption near edge structure (XANES) spectra of
vanadium oxides, including analysis of the relation between vanadium oxidation state, covalenteffects and charge transfer transition energies;iii) analysis of the energy level schemes, modeling of the absorption spectra and analysis ofcovalent effects for a number of 3d-ions (Cr2+, Cr3+, Mn4+, Fe5+, Ni2+ etc) in various laser crystals;iv) microscopic study of dependence of the crystal field splitting, charge transfer energies
and electron-vibronic interaction parameters for 4d and 5d transition elements and trivalentlanthanides in cubic crystals.
3. Exchange charge model of crystal field has been used for calculations of the absorption spectra of
3d ions in laser crystals, study of electron-phonon interaction and thorough consideration of the low
symmetry effects in their spectra.
4. New model of energy levels crossing in theory of non-radiative transitions has been developed(in harmonic and anharmonic approximations).

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5. Calculations of the reduced matrix elements of the irreducible tensor operators between all states(in the intermediate coupling approximation without any truncation) of and 4fn electron
configuration have been performed. These results are used now for analysis of the energy transfer
between rare earth ions in glasses and Judd-Ofelt analysis of their absorption spectra.

2. Original papers(1) M.G. Brik, N.M. Avram, C.N. Avram, C. Rudowicz, Y.Y. Yeung, P. Gnutek, “Groundand excited state absorption of Ni2+ ions in MgAl2O4: Crystal field analysis”, Journal of
Alloys and Compounds 432 (2007) 61–68(2) M.G. Brik, “First-principles analysis of the MgAl2O4:Ni2+ absorption spectrum”, Journalof Luminescence 124 (2007) 23–27.
(3) M.G. Brik, “Comparative first-principles study of the Ni2+ absorption spectra andcovalence effects in isostructural crystals NiCl2, NiBr2 and NiI2”, Physica B 387 (2007)
69–76.
(4) M.G. Brik, K. Ogasawara, “Microscopic analysis of 5d states splitting and charge transfer
energies dependence on interionic distance in alkaline earth fluorides doped with lighttrivalent lanthanides”, Spectroscopy Letters 40 (2007) 221–235.
(5) M.G. Brik, K. Ogasawara, “Comparative study of the absorption spectrum of
Li2CaSiO4:Cr4+: first-principles fully relativistic and crystal field calculations”, Optical
Materials (2007) doi:10.1016/j.optmat.2006.11.071 (article in press).
(6) M.G. Brik, “Complex study of the crystal field splitting, "ligand - impurity ion" chargetransfer transitions and high lying 4f - 6s intraconfigurational transitions for all trivalentlanthanides in Cs2NaYCl6 crystal”, Journal of Alloys and Compounds,
doi: 10.1016/j.jallcom.2006.12.072 (article in press).
(7) M.G. Brik, “Influence of chemical bond length changes on the crystal field strength and“ligand – metal” charge transfer transitions in Cs2GeF6 doped with Mn4+ and Os4+ ions”,
Journal of Physics and Chemistry of Solids, 2007 doi:10.1016/j.jpcs.2007.02.036 (article
in press).
(8) P.A. Tanner, L. Fu, L. Ning. B.-M. Cheng, M.G. Brik, ”Soft synthesis and vacuum
ultraviolet spectra of YAG:Ce3+ nanocrystals: reassignment of Ce3+ energy levels”, Journalof Physics: Condensed Matter 19 (2007) 216213.
(9) N.M. Avram, C.N. Avram, M.G. Brik, “Spin Hamiltonian Parameters of Cr3+ in LiNbO3”,
AIP Conference Proceedings 899 (2007) 676.
(10)M.G. Brik, V. A. Lebedev, E. V. Stroganova, “Spectroscopic and crystal field studies of(Ce,Gd)Sc3(BO3)4:Cr3+ crystals”, Journal of Physics and Chemistry of Solids doi:
10.1016/j.jpcs.2007.05.002 (article in press).
(11)M.G. Brik, A. El-Korashy, M. Almokhtar, “Exchange charge model calculations of crystal  
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field parameters and crystal field energy levels for [N(CH3)4]2CoCl4 and [N(CH3)4]2MnCl4
single crystals”, Journal of Alloys and Compounds doi:10.1016/j.jallcom.2007.05.040.
3. Books㩷First-principles Calculations of Spectral Properties of Rare-Earth and Transition Metal Ions in
Crystals,
Editors
MikhailG.
Brikand
Kazuyoshi
Ogasawara,
Transworld Research Network, 2006, ISBN: 81-7895-240-8
4. Presentation at academic conferences(1) M.G. Brik, “Microscopic first-principles analysis of crystal field effects for transition metal
ions in solids”, Third Int. Conference on Advanced Materials and Nanotechnology AMN-3,
11-16 February 2007, Wellington, New Zealand.

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J. Comput. Chem. 24, 1077 (2003). [3] K. H. Kim, Y. S. Lee, G.-H. Jeung, and T. Ishida, J. Chem. Phys. 119,  
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A. Collins, J. Chem. Phys. 111, 816 (1999). [6] A. I. Boothroyd, P. G. Martin, and W. J. Keogh, M. J.
Peterson, J. Chem. Phys. 95, 4331(1991); ibid.,116, 666(2002).

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2. ⺰ᢥ(2004-2005)
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3. ቇળ⊒⴫(2004-2005)(1) ⍹↰ ବᱜ, George C. Schatz,‫ޟ‬ዪᚲౝUᴺߦࠃࠆᄙේሶ♽ߩ෻ᔕࡐ࠹ࡦࠪࡖ࡞㕙‫ޠ‬ಽሶ᭴ㅧ✚ว⸛⺰ળ 2004(2P093) 2004 ᐕ᦬ 28 ᣣ(2) ධㇱ િቁ, ⍹↰ ବᱜ, ਛ᧛ ብ᮸‫ޟ‬㕖ᢿᾲ⃻⽎ࠍ೑↪ߒߚಽሶ⸳⸘‫ޠ‬ಽሶ᭴ㅧ✚ว⸛⺰ળ 2004(1C07) 2004 ᐕ᦬ 27 ᣣ(3) ጊፒ࡮⍹↰ବᱜ࡮ጟ೑᣿࡮ᧄశ  ‫ࡦࠥࡠ)ޟ‬ൻ࠾࠶ࠤ࡞ NiX ߩ㔚ሶ⁁ᘒߦ㑐ߔࠆℂ⺰⊛⎇ⓥ‫ޠ‬ಽሶ᭴ㅧ✚ว⸛⺰ળ 2004(2P074) 2004 ᐕ᦬ 28 ᣣ(4) ᐔ㑆 ‫⋧ޔ‬ේ৻‫ޔ‬⍹↰ବᱜ‫ࠆߔ੺ࠍࡦࠝࠗࡦ࡟࠲ࡈ࠽ޟ‬᳓⚛ಽሶ↢ᚑ෻ᔕߩℂ⺰⊛ត⚝‫ޠ‬ಽሶ᭴ㅧ✚ว⸛⺰ળ 2004㧔2P092㧕2004 ᐕ 9 ᦬ 28 ᣣ(5) ↰᧛ ብਯ‫ޔ‬ධㇱ િቁ‫ޔ‬ਛ᧛ ብ᮸‫ޔ‬⍹↰ ବᱜ‫ߩࡦࠛࠫࠨࠠࡋࡠࠢࠪޟ‬శ㐿Ⅳ෻ᔕߩ෻ᔕേജቇ‫ޠ‬ಽሶ᭴ㅧ✚ว⸛⺰ળ 2004㧔4P101㧕2004 ᐕ᦬ 30 ᣣ(6) Toshimasa Ishida
A local interpolation scheme without using ab initio der i vat i ves: I MLS/ Shepar dscheme
The 9th East Asian Workshop on Chemical Reactions(2005/3/27) Invited(7) ⍹↰ ବᱜ‫ޔ‬ධㇱ િቁ‫ޔ‬George C. Schatz,‫ޟ‬ዪᚲౝUᴺߦࠃࠆⶄᢙࡐ࠹ࡦࠪࡖ࡞ߣᄙේሶ♽ߩࡐ࠹ࡦࠪࡖ࡞‫ޠ‬╙࿁ℂ⺰ൻቇ⸛⺰ળ(2005/5/17)(8) ↰᧛ብਯ‫ޔ‬ධㇱિቁ‫ޔ‬ਛ᧛ብ᮸‫ޔ‬⍹↰ବᱜ‫ߩࡦࠛࠫࠨࠠࡋࡠࠢࠪޟ‬శ⇣ᕈൻߩ෻ᔕേജቇ‫ޠ‬╙࿁ℂ⺰ൻቇ⸛⺰ળ(2005/5/17)(9) ↰᧛ብਯ‫ޔ‬ධㇱિቁ‫ޔ‬ਛ᧛ብ᮸‫ޔ‬⍹↰ବᱜ‫ߩࡦࠛࠫࠨࠠࡋࡠࠢࠪޟ‬శ⇣ᕈൻ෻ᔕߩℂ⺰⊛⎇ⓥ‫ޠ‬ൻቇ෻ᔕ⸛⺰ળ(10)ධㇱિቁ‫ޔ‬⍹↰ବᱜ‫ޔ‬ਛ᧛ብ᮸‫ޟ‬㕖ᢿᾲ⃻⽎ࠍ೑↪ߒߚಽሶ⸳⸘‫ޠ‬ൻቇ෻ᔕ⸛⺰ળ(11)᧲ ᢥ‫ޔ‬ጟ೑᣿‫ޔ‬ጟ‫ޔ‬⍹↰ବᱜ‫ᧄޔ‬శ‫ࡦࠕࠪޟ‬ൻ㊄ AuCN ߩࡑࠗࠢࡠᵄಽశ‫ޠ‬╙੖࿁ಽሶಽశ⎇ⓥળ㧔2005/5/15㧕
(12)↰ਛ ¡‫ޔ‬⍹↰ ବᱜ‫ޟ‬ℂ⺰౞ੑ¢ᕈࠬ£ࠢ࠻࡞ߦࠃࠆశቇᵴᕈಽሶߩ¤ኻ㈩⟎᳿ቯ‫ޠ‬ࡕ࡟ࠠࡘ࡜࡯ࠠ࡜࡝࠹ࠖ࡯2005(2005/6/7)(13)Toshimasa Ishida"A local interpolation scheme without using ab initio derivatives:
IMLS/Shepard scheme"
Czech-Japan symposium(2005/9/14) (Invited)(14)¥ේ ᱜౖ‫ޔ‬㆙¦ ℂ‫ޔ‬የፒ §ⴕ‫ޔ‬⍹↰ ବᱜ‫ ©¨ޔ‬ª᮸‫«ޔ‬Ꮉ ¬‫ ↰᧲­ޔ‬㆏®
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ಽሶ᭴ㅧ✚ว⸛⺰ળ2005 㧞D14 ᧲੩(2005/9/28)

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(16)↰᧛ብਯ㧘ධㇱિቁ㧘⍹↰ବᱜ㧘ਛ᧛ብ᮸ࠪࠢࡠࡋࠠࠨࠫࠛࡦߩశ⇣ᕈൻߩᵄ᧤േജቇߦࠃࠆ⎇ⓥ
ಽሶ᭴ㅧ✚ว⸛⺰ળ2005 3A09 ᧲੩(2005/9/29)(17)Hiroyuki Tamura, Shinko Nanbu, Hiroki Nakamura and Toshimasa Ishida,"A theoretical study of Cyclohexadiene/Hexatriene photochemical interconversion"
Pacifichem 2005(12/20)(18)Shinkoh NANBU, Toshimasa ISHIDA, and Hiroki NAKAMURA"A new mechanism of hydrogen encapsulation by fullerenes and carbon nanotubes
Pacifichem 2005(12/21)
4. ߘߩઁ㧔2004-2005㧕
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[1] H. Longuet-Higgins, U. Oepik, M. Pryce, and R. Sack, Proc. R. Soc. London
Ser. A 244, 1 (1958).
[2] B. Judd, J. Phys. C: Solid State Phys. 12, 1685(1979).
[3] M. Szopa and A. Ceulemans, J. Phys. A: Math. Gen. 20, 6327(1987).
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[4] J. Dunn and M. Eccels, Phys. Rev. B 64, 195104(2001).
[5] B.E. Applegate, A.J. Bezant, and T.A. Miller, J. Chem. Phys. 114, 4869(2001).
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(1)







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I

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(2)

K

J

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SAC-CI

OR-SAC

Molecule

IP (eV)CPU time

IP (eV)

Exptl.

CPU time

IP (eV)

CH4 (C1s)

290.9737 min 20s

291.048 min 50s (24%)

290.91NH3 (N1s)

405.2666 min 20s

405.56

10 min 48s (16%)

405.56

H2O (O1s)539.2522 min3s

539.55

4 min 49s (22%)

539.78

HF (F1s)

693.447 min 24s

693.84

1 min 54s (26%)

694.01

ౝ|ࠗࠝࡦൻ⁁ᘒ߇ OR-SAC ᴺߦࠃߞߡ⴫⃻ߐࠇࠇ߫‫ޔ‬ౝ|ബ⿠߿ࠪࠚࠗࠢࠕ࠶ࡊ⁁ᘒߪ(3)ᑼ
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JOR  SAC

(3)

J

J

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SAC-CI
SDT-R

SAC-CI
SDT-R

536.1

2p3p(n)Table 2 CI ᰴరߩᲧセ

2p 3s(*)2p 3s

721.2

SAC-CI
SDTQ-R

Intensity

Oscillator Strength

SAC-CI
SD-R

535.3

OR-SAC-CI
SD-R

718.7
OR-SAC-CI
SDT-R

716.5

534.3

Exptl.

Exptl.
534.0

533

534

716.4

535

536

537

538

539

540

541

740

735

730

725

720

715

Excitation Energy (in eV)

Binding energy (in eV)

Fig.1 H2OߩౝᲖബ⿠ࠬࡍࠢ࠻࡞

Fig.2 HF ߩౝᲖࠗࠝࡦൻࠬࡍࠢ࠻࡞

B

B

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CI ᰴర

H2O
SAC-CI SD-R

15208

SAC-CI SDT-R

164260

OR-SAC-CI SD-R

15208

HF
SAC-CI SDT-R

24666

SAC-CI SDTQ-R

213354

OR-SAC-CI SDT-R

24977

 

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ONIOM ᴺߪ‫ޔ‬ਅ࿑ߩࠃ߁ߦᏂᄢಽሶࠍ޿ߊߟ߆ߩ㗔ၞߦಽߌ‫ߩࠇߙࠇߘޔ‬㗔ၞߦ♖ᐲߩ⇣ߥࠆ
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ONIOM&'()
HIGH
HIGH
Level
LOW
LOW
ONIOM
REAL
System REALMODEL MODEL
—

+

ѩ

=

E ONIOM  E Low,Re al  E Low, Model  E High , ModelGreen Fluorescent Protein (GFP)
GFP ߪਛᔃߦ¿శߦÈࠊࠆ¢⚛ࠍᜬߜ‫ޔ‬శๆ෼ߣ¿శߦߪ㧟ߟߩ⇣ߥࠆ⁁ᘒ (A, I, B form) ߇㑐ਈߔࠆߣ⠨߃ࠄࠇߡ޿ࠆ‫ޕ‬ਅ࿑ߩࠃ߁ߦ ONIOM ᴺߩࡕ࠺࡞㗔ၞߣߒߡਛᔃ¢⚛ߩߺࠍណ↪ߒ‫ޔ‬ૐ♖ᐲߩℂ⺰ߦߪ MM ᴺߩ㧝ߟߢ޽ࠆ Amber ᴺࠍj↪ߒߡ‫ޔ‬A, I, B form ߩၮᐩ⁁ᘒߣബ⿠⁁ᘒߦ߅޿ߡ᭴ㅧᦨㆡൻࠍⴕߞߚ‫ᦨޕ‬ㆡൻ᭴ㅧߦ߅ߌࠆബ⿠ࠛࡀ࡞ࠡ࡯ߣ¿శࠛࡀ࡞ࠡ࡯ߪ‫ޔ‬Table 3 ߦ␜ߔࠃ߁ߦታ㛎୯ࠍߊu⃻ߒ‫¿ޔ‬శߩࡔࠞ࠾࠭ࡓ⸃᣿ߦነਈߢ߈ࠆ⚿ᨐ߇ᓧࠄࠇߚ‫ޕ‬
ONIOM *+Real System
GFPో૕3802ේሶ

Model Systemਛᔃ⦡⚛㧗᳓(W22)

Table 3 ONIOM+SAC-CI ᴺߦࠃࠆ GFP ߩബ⿠ߣ¿శࠛࡀ࡞ࠡ࡯ONIOM+SAC-CI-./

A Form3.21

3.13

B Form

2.56

2.61

2.24

2.44

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 ONIOM+SAC-CI
Testosterone 01 QM 23
 ONIOM+SAC-CI*+45
 *+45Acrolein
4-Methyl Cyclohexenone

  㧚⺰ᢥ[1] Theoretical fine spectroscopy with SAC-CI method: outer- and inner-valence ionization spectra of furan,pyrrole, and thiophene
M. Ehara, Y. Ohtsuka, H. Nakatsuji, M. Takahashi, and Y. Udagawa
J. Chem. Phys. 122, 234319-1-10 (2005)[2] Inner-shell ionizations and satellites studied by the open-shell reference symmetry-adaptedcluster / symmetry-adapted cluster configuration interaction method
Y. Ohtsuka and H. Nakatsuji
J. Chem. Phys. 124, 054110-1-5 (2006) 

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発行人 榊  茂好編 者 石田俊正発行所 京都大学福井謙一記念研究センター
（京都市左京区高野西開町 ）
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印刷所 有限会社 津田印刷（無断転載を禁ず）

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