●グループリーダー●
永瀬 茂（自然科学研究機構・分子科学研究所・教授)
E-mail：nagasei@ims.ac.jp
〒444-8585 愛知県岡崎市明大寺町字西郷中３８
●研究目的●
５年間を通しての研究目的
ナノスケールサイズの分子で新規な機能を発現させることは、最近の新素材開発における緊急な課題である。
これまでは蓄積されたデータや経験にもとづく試行錯誤的な方法に頼るところが大きかったが、新しい結合様式や
構造をもつ機能性ナノ分子の合理的な設計と合成には大きな困難を伴っている。このために、精度ある量子化学
計算によるコンピューターシミュレーションに大きな期待がかけられている。しかし、現在の量子化学的手法は、
比較小さな分子の設計や構造、電子状態、反応を精度よく取り扱えるが、ナノスケールでの取り扱いには飛躍的な
進展が望まれている。
本研究では、ナノ分子の理論と計算法を大きく進展させて、理論計算に先導された機能性ナノ分子の合理的設計の
実現と汎用化に不可決である基盤ツールとしての高精度高速大規模計算システムの構築を目指す。また、分子単独の
設計ばかりでなく、幾つかの分子ユニットが自己集合的に組織化する系の設計も自由にできるシミュレーション
システムの構築を目指す。これらの理論的ツールを用いて、高い分子認識能や機能をもつ分子カプセル、超分子、
デンドリマー、フレーレン、ナノチューブ、および伝導性共役高分子の計算を実行して、分子デバイス、分子
エレクトニクス、分子磁性、分子スイッチへの応用を探索する。また、タンパク質の分子認識、酵素やゼオライト
等の触媒反応機構、分子性結晶の構造と物性の計算を実行して、新しいナノ分子触媒やナノ表面構造の提案を目指す。
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●研究内容および研究計画●
５年間を通しての計画
ナノ分子の構造、電子状態、物性、動的挙動を高精度に量子化学計算できる
分子理論と計算アルゴリズムを開発して機能性ナノ分子のコンピュータシミュレーションに不可欠な
汎用大規模プログラムと高速並列システムの確立と実際の応用を目指す。具体的には以下のことを計画する。
（１）百原子系を定量的に取り扱えるab initio分子軌道理論と計算法の開発。
（２）千原子系を取り扱える密度汎関数理論と計算法の開発。
（３）重い元素も軽い元素と同精度で高速に取り扱える相対論的分子理論と計算法の開発。
（４）フラグメント分子軌道法（FMO)を、ハートリー･フォック法のみならず
電子相関を考慮した分子理論まで拡張して、数万から数十万の原子で構成されるナノ分子系が計算できるように発展させる。
また、基底状態ばかりでなく、励起状態や溶媒も取り扱えるようにする。
（５）ab initio分子軌道法、密度汎関数法、およびフラグメント法のエネルギー微分を
高速並列に計算する方法を開発して、
ナノ分子系の分子動力学計算を、これまでのような任意性のあるパラメーターに頼ることなく
実行できるようにする。
（６）基底状態ばかりでなく励起状態のクラスターや固定表面構造を、
大規模ユニットセルを用いた高精度周期境界条件計算を可能にする
分子積分の高速化とオーダーN法を開発する。
（７）上記で開発したナノ分子の理論と高速計算アルゴリズムを、汎用性のある並列グリッドプログラムパッケージとして整備する。
（８）元素の組み合わせとナノ構造の特性を活用して、理論計算に先導された機能性ナノ分子の設計と大規模計算を実施して
機能性ナノ素材への、応用を目指す。
また望みのナノ分子を効率的に合成実施するためには、
従来のように小さな分子から順次に組み上げていくのではなく、
自己集合的に一度に組織化する機構の計算と理論予測法の確立を目指す。
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●平成17年度業務計画●
ナノサイズの分子の構造、電子状態、反応を精度ある量子化学計算でシミュレーションするための分子軌道法、密度汎関数理論法、
分子軌道法,フラグメント法、およびこれらの方法を直接に利用する分子動力学法等の昨年度開発したプログラムをさらに巨大な分子
へ適用できるためのアルゴリズムと高速並列化を一段と強化する。これらをグリッド環境において、グリッドMPIを用いた機能性
ナノ分子の大規模計算等、開発ミドルウェアを用いた実証計算を推進する。
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