フラグメント分子軌道法
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Date: 08/01/2022

フラグメント分子軌道法, by Wikipedia https://ja.wikipedia.org/wiki?curid=2006633 / CC BY SA 3.0

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フラグメント分子軌道法（フラグメントぶんしきどうほう、英: Fragment Molecular Orbital method）、略してFMO法は、分子系をフラグメントに分割し、周囲のフラグメントからの静電ポテンシャルを考慮してフラグメントとフラグメントペアの電子状態を計算し、得られたフラグメントとフラグメントペアのエネルギーや電子密度を用いて、系全体のエネルギーや電子密度を計算する方法である。
1999年に北浦和夫により提唱された。
FMO法適用のためフラグメント化したαヘリックス FMO法は北浦らのグループにより、1999年に提唱・開発された。
FMO法は北浦と諸熊により1976年に開発されたエネルギー分解解析(EDA)と深い関係がある。
FMO法の主な用途は超巨大分子系の計算である。
系をフラグメントに分割し、系全体から感じるクーロン場の影響を含め、フラグメントおよびフラグメントペアの電子状態計算を行う。
これにより、キャップ原子を用いずにフラグメントの電子状態計算が可能となる。
MCF(Mutually Consistent Field)法は埋め込みポテンシャルのもとでフラグメントについて自己無撞着な計算を行うものである。
この考え方は、後に改良が加えられ、FMO法を含む様々な手法で用いられるようになった。
更に、FMO法に関連する手法として、1992年にはH. StollによりIncremental Correlation法が提案されていた。
また、J. Gao (1997)の提案手法とも、いくつかの類似点がみられる。
後にX-Pol(eXplicit Polarization)理論と改名されるGaoの手法は、1998年に液体の水について統計力学的モンテカルロシミュレーションを行うことで、凝縮系における応用可能性を示した。
Incremental Correlation法は形式的にはFMO法と同様の性質を持つ多体展開を用いているが、項の厳密な意味が異なっている。
また、X-Pol法とFMO法では、フラグメントペアの相互作用を推算する近似手法が異なる。
X-Polは静電相互作用についてはFMO(FMO1)法で用いられる一体展開に類似しているが、他の相互作用については異なる取り扱いをする。
FMO法が提案された後にも、類似手法が幾つか提案されている。
その中には、L. Huangによるカーネルエネルギー法や、E. Dahlke、S. Hirata、M. Kamiya によるelectrostatically embedded many-body expansion、といった手法が含まれる。
また、有効フラグメント分子軌道(EFMO)法は、有効フラグメントポテンシャル(EFP)およびFMO法の各々の特徴を組み合わせた手法である。
エネルギー、エネルギー勾配、電気双極子モーメントといった系全体が持つ量に加えて、各フラグメント間の相互作用エネルギー(Pair Interaction Energy、PIE)も得られる。
このPIEは静電相互作用、交換相互作用、電荷移動相互作用、分散相互作用にそれぞれ分解可能である。
このような解析は相互作用解析(PIEDA)と呼ばれ、FMO法に基づくエネルギー分解解析(EDA)に分類される。
また、FMO法の枠組みの中で、フラグメント間相互作用配置解析(CAFI)や局所MP2法を用いたフラグメント相互作用解析(FILM)などが代わりに提案されている。
FMO法では、巨大分子系を効率的に扱うため、様々な計算手法が利用される。
Hartree-Fock法、DFT、MCSCF法、TDDFT、CI、MP2、CCといった手法が、フラグメントおよびフラグメントペアの計算に用いられる。
これらの計算手法の違いによって、FMO-HF法、FMO-MP2法などと呼ばれることもある。
加えて、対象となる分子を複数領域に分割し、各領域に異なる計算手法を適用する多層(ML-)FMO法もある。
高い計算レベルと同等の精度で、フラグメント間相互作用を短時間で見積もることができる。
更に、溶媒効果は連続誘電体モデル(PCM)によって取り込むことができる。
FMO法のコードは一般化分散データインターフェース (GDDI)を利用することで効率的に並列化されており、何百ものCPUを用いても並列化効率はほぼ完全にスケールする。
2009年にはFMO法を解説した書籍が出版され、FMO法のチュートリアル、...