JP7218864B2 - 液相中での化合物の挙動の予測方法 - Google Patents

Description

本発明は、液相中での化合物の挙動の予測方法に関する。

従来から、水酸化物、酸化物等の各種化合物が工業的に用いられている。化合物は、その用途等により特定の粒度分布や、モフォロジーにすることが要求される場合がある。

モフォロジーの制御や粒径の制御は、ＣＶＤ法などでは比較的容易であり、例えば特許文献１、２には、マイクロ波プラズマＣＶＤ法によりダイヤモンド単結晶を成長させる際に、モフォロジーを制御する方法が開示されている。

工業的に用いられる化合物は、安価でかつ大量に製造できることが求められる。このため、化合物の合成方法としては、化合物を工業的に安価で、かつ大量に製造できる例えば水溶液を用いた液相中での反応を用いることが好ましい。

液相中での反応により化合物を製造する場合においても、上述のように特定の粒度分布や、モフォロジーとすることを求められることがある。液相中での反応により化合物を製造し、その粒度分布等を制御するためには、例えば結晶の成長過程等の液相中での化合物の挙動を詳細に把握することが必要となる。

特開２００７－１９１３６２号公報 特開２００７－３３１９５５号公報

しかしながら、液相中での化合物の挙動を分析等の実験的手段により追跡することは困難であり、計算科学により、液相中での化合物の挙動を直接可視化することが求められていた。

ところが、液相中での化合物の挙動を計算科学により可視化するためには、少なくとも以下の２つの課題があった。

１点目の課題としては、液相中での化合物の挙動を検討する際の系は、液相、すなわち水分子等の液体が多くを占めており、液体である水分子等は固体とは異なり、絶えず動いているため、従来の計算科学の手法を適用することが困難である点が挙げられる。第一原理計算のような静止系や固体を対象とした計算手法や理論では、このような液相中での化合物の挙動を把握することは困難であり、また希薄系に対する気体の状態方程式も適用できない。

２点目の課題としては、例えば結晶成長挙動等の液相中での化合物の挙動を把握するためには、化合物を構成する元素間や、化合物を構成する元素と液相を構成する元素との間の結合力を再現し、化合物を構成する元素や液相を構成する元素の化学的性質を再現する必要があるが、簡略化したパラメータで原子の動きを追跡する古典分子動力学計算による方法ではこれらを再現することが困難である点が挙げられる。

以上の様に液相中での化合物の挙動を計算で可視化することはいまだ実現できていなかった。

そこで上記従来技術が有する問題に鑑み本発明の一側面では、計算科学を用いた液相中での化合物の挙動の予測方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため本発明の一態様によれば、
化合物のモノマーと、液相分子とを含む構造を設定する初期設定工程と、
前記構造について、反応性力場を用いて分子動力学計算を行い、前記構造内での前記化合物のモノマーの挙動を追跡する計算工程と、を有する液相中での化合物の挙動の予測方法を提供する。

本発明の一態様によれば、計算科学を用いた液相中での化合物の挙動の予測方法を提供することができる。

実施例１における初期設定工程で設定した構造の説明図。 実施例１における計算工程後の構造の説明図。

以下、本発明を実施するための形態について説明するが、本発明は、下記の実施形態に制限されることはなく、本発明の範囲を逸脱することなく、下記の実施形態に種々の変形および置換を加えることができる。

本実施形態の液相中での化合物の挙動の予測方法は以下の工程を有することができる。

化合物のモノマーと、液相分子とを含む構造を設定する初期設定工程。
設定した構造について、反応性力場を用いて分子動力学計算を行い、構造内での化合物のモノマーの挙動を追跡する計算工程。

本発明の発明者らは計算機上で液相中での化合物の挙動を可視化、追跡する方法について鋭意検討を行った。その結果、化合物のモノマーと液相分子を含む構造を設定し、係る構造について、反応性力場を用いて分子動力学計算を行うことで、構造内での化合物のモノマーの挙動を追跡し、可視化できることを見出し本発明を完成させた。

以下、本実施形態の液相中での化合物の挙動の予測方法について工程ごとに説明を行う。
（初期設定工程）
初期設定工程では、計算に供する構造（初期構造）の設定を行うことができる。

具体的には例えば、化合物のモノマーと、液相分子とを含む構造を設定することができる。

ここでいう化合物のモノマーとは、液相中での挙動を観察する対象となる化合物の単分子を意味している。化合物の種類は特に限定されず、例えば水酸化物や、酸化物等が挙げられる。なお、初期設定工程で１つの構造内に配置する化合物の種類は１種類のみでもよく、２種類以上であっても良い。

また、液相は、挙動を観察する化合物のモノマーの周囲に配置される物質を意味し、例えば化合物が溶解、分散、析出等する溶液、分散媒等が挙げられ、例えば水、各種有機溶媒等が挙げられる。

構造内に設定する化合物のモノマーの数は特に限定されず、追跡を行いたい任意の数の化合物のモノマーを配置、設定することができる。また、液相の分子の数についても同様に配置する数を任意に選択することができる。

複数の化合物のモノマーを構造内に設定する場合には、その配置は特に限定されず、例えば複数の化合物のモノマーが一定の距離以上離れて配置することもできる。また、複数の化合物のモノマーがクラスターを形成するように配置することもできる。すなわち、初期設定工程において、複数の化合物のモノマーにより形成されたクラスターを含む構造を設定することもできる。
（計算工程）
計算工程では、構造について、反応性力場を用いて分子動力学計算を行い、構造内での化合物のモノマーの挙動を追跡することができる。

既述の様に、第一原理計算のような静止系や固体を対象とした計算手法や理論では、液相中での化合物の挙動を把握することは困難であり、また希薄系に対する気体の状態方程式も適用することはできなかった。そこで、本発明の発明者らが検討を行ったところ、計算を行う際に、従来は液相での反応に適用することが検討されていなかった反応性力場を用いることで、化合物の結合、乖離を自然に表現できること、すなわち構造内に含まれる元素について元素間の結合力等の化学的性質を適切に再現できることを見出した。このため、本発明の発明者らの検討によれば、反応性力場を用いることで液相中での化合物の挙動を計算で可視化することが可能になる。また、反応性力場を用いることで、第一原理分子動力学計算のような、計算ステップごとに電子状態を計算する方法よりも圧倒的に低負荷で分子動力学計算を行い、水溶液中での粒子挙動を追跡することが可能になる。

反応性力場としては特に限定されないが、例えばＲｅａｘＦＦを力場として用いることができる。

ＲｅａｘＦＦの力場パラメータは、既知のパラメータを用いる他、計算に供する化合物の格子定数、体積弾性率、結合距離、および液相の分子の構造を再現するように最小二乗法もしくは機械学習によりパラメータを決めることができる。この際、再現する化合物の格子定数、体積弾性率、結合距離および液相の分子の構造は実験値を用いても良いし、第一原理計算によって求めた値を用いることもできる。最小二乗法や機械学習によりフィットする対象はこれらの物性値に限られるものではなく、２体の相関距離、動径分布関数等もフィッティング対象に加えることができる。

ＲｅａｘＦＦの力場パラメータのフィッティング手順を具体的に示すと以下の様になる。（１）フィッティングの対象とする物性値を決める。
（２）対象とする物性値の参照値を実測値もしくは高精度な第一原理計算により決める。
（３）ＲｅａｘＦＦの力場パラメータを変えながら、ＲｅａｘＦＦを用いて分子動力学計算もしくは静的計算により物性値を計算する。
（４）ＲｅａｘＦＦで求めた物性値と参照値とを比較し、別のパラメータで（３）の手順を繰り返す、もしくはパラメータを確定する。

計算工程で、分子動力学計算を用いて計算を行う際には、ＮＶＥ（粒子数、体積、エネルギー一定）、ＮＶＴ（粒子数、体積、温度一定）、ＮＰＴ（粒子数、体積、圧力一定）等の条件で計算を行うことができる。

なお、既述の様に、初期設定工程において構造内に複数の化合物のモノマーが結合したクラスターを配置し、計算を行うこともできる。ただし、クラスターの具体的形状が不明な場合は、初期設定工程において、構造内に複数のモノマーをランダムに配置した系を初期構造として設定して計算を行い、時間発展させることで、クラスターの形状を計算で求めることもできる。また、でき上がったクラスターを次の計算の初期構造とすることで、計算規模を抑えながらクラスターの成長過程を追跡することができる。このように、本実施形態の液相中での化合物の挙動の予測方法は、例えばクラスター構造を決定し、係るクラスター構造を計算工程に供する等のために、計算工程を繰り返し実施することもできる。すなわち、本実施形態の液相中での化合物の挙動の予測方法は、計算工程を繰り返し実施する繰り返し工程をさらに有することもできる。この場合、直前の計算工程で求めた構造を、次の計算工程の初期構造として用いることができる。

以上に説明した本実施形態の液相中での化合物の挙動の予測方法によれば、従来は困難であった、計算科学を用いた液相中での化合物の挙動、例えば結晶析出現象や、溶解現象、拡散現象等を予測することが可能になる。このため、本実施形態の液相中での化合物の挙動の予測方法を用いることで、液相中での反応により化合物を製造する場合において、特定の粒度分布や、モフォロジーとするための反応条件等を容易にかつ適切に選択できるようになる。

以下、実施例を参照しながら本発明をより具体的に説明する。但し、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
［実施例１］
以下の手順により、ニッケル水酸化物水溶液内におけるニッケル水酸化物の挙動の予測を行った。
（初期設定工程）
図１に示すように、ニッケル原子１１１と、酸素原子１１２と、水素原子１１３とから構成される水酸化ニッケル（Ｎｉ（ＯＨ）_２）のモノマー１１を２０個と、酸素原子１２１と、水素原子１２２とから構成される水分子１２を８００個とからなる構造１０を初期構造として設定した。図１は規定した構造の任意の一方向から見た側面図を示している。

なお、化合物である水酸化ニッケルのモノマー１１、及び液相分子である水分子１２は構造１０内にランダムに配置した。
（計算工程）
初期設定工程で設定した構造について、７００Ｋで５００ｐｓ間分子動力学計算を行い、液相分子である水分子１２内の水酸化ニッケルのモノマー１１の挙動を追跡した。

なお、計算は粒子数、体積、温度一定の条件下で行い、反応性力場であるＲｅａｘＦＦを力場として用いた。

５００ｐｓ間の計算後の各分子の配置を図２に示す。

図２に示すように、水酸化ニッケルのモノマー１１は水相である水分子１２内で移動し、互いに近接し、クラスターを形成することが確認できた。

Claims (3)

1. 化合物のモノマーと、液相分子とを含む構造を設定する初期設定工程と、
   前記構造について、反応性力場を用いて分子動力学計算を行い、前記構造内での前記化合物のモノマーの挙動を追跡する計算工程と、を有する液相中での化合物の挙動の予測方法。
2. 前記初期設定工程において、複数の前記化合物のモノマーにより形成されたクラスターを含む前記構造を設定する、請求項１に記載の液相中での化合物の挙動の予測方法。
3. 前記計算工程を繰り返し実施する繰り返し工程をさらに有する請求項１または請求項２に記載の液相中での化合物の挙動の予測方法。

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