３．研究系及び研究施設の現状
3-1 論文発表状況
3-1-1 論文の発表状況
分子研では毎年 A nnual R eview（英文）を発刊し，これに発表した全ての学術論文のリストを記載している。
論文の発表状況
間 期 象 対 集
編 ANNUALREVIEW 原著論文の数 総説等の数
∼1978.8. 1978 25 13 .
9 . 8 7 9
1 ∼1979.8. 1979 55 7 .
9 . 9 7 9
1 ∼1980.8. 1980 85 21 .
9 . 0 8 9
1 ∼1981.8. 1981 114 24 .
9 . 1 8 9
1 ∼1982.8. 1982 149 14 .
9 . 2 8 9
1 ∼1983.8. 1983 177 29 .
9 . 3 8 9
1 ∼1984.8. 1984 153 26 .
9 . 4 8 9
1 ∼1985.8. 1985 196 31 .
9 . 5 8 9
1 ∼1986.8. 1986 207 45 .
9 . 6 8 9
1 ∼1987.8. 1987 287 42 .
9 . 7 8 9
1 ∼1988.8. 1988 247 39 .
9 . 8 8 9
1 ∼1989.8. 1989 281 60 .
9 . 9 8 9
1 ∼1990.8. 1990 320 60 .
9 . 0 9 9
1 ∼1991.8. 1991 260 23 .
9 . 1 9 9
1 ∼1992.8. 1992 303 41 .
9 . 2 9 9
1 ∼1993.8. 1993 298 41 .
9 . 3 9 9
1 ∼1994.8. 1994 211 26 .
9 . 4 9 9
1 ∼1995.8. 1995 293 23 .
9 . 5 9 9
1 ∼1996.8. 1996 332 40 .
9 . 6 9 9
1 ∼1997.8. 1997 403 41 .
9 . 7 9 9
1 ∼1998.8. 1998 402 44 .
9 . 8 9 9
1 ∼1999.8. 1999 401 47 .
9 . 9 9 9
1 ∼2000.8. 2000 337 30 .
9 . 0 0 0
2 ∼2001.8. 2001 405 65 .
9 . 1 0 0
2 ∼2002.8. 2002 489 59 .
9 . 2 0 0
2 ∼2003.8. 2003 530 45 .
9 . 3 0 0
2 ∼2004.8. 2004 367 40 .
9 . 4 0 0
2 ∼2005.8. 2005 402 44
3-1-2 論文の引用状況
論文の引用数については，米国トムソンサイエンティフィック社（通称ISI）の引用動向データに基づく調査結果が毎年公開され ている。ただし，化学分野の場合，総被引用数で国内１０位までしか公表されないため，分子科学研究所のように小さな所帯では 総被引用数で１０位に入り切らないことがある（１５位までのクラスには入っていると思われる）。一方，国立情報学研究所の根岸正 光教授は同じISI社のデータから化学分野で論文総数で国内３０位以内という基準で調査対象とする組織を選んだ上で，研究者 の数に依存しない論文１報あたりの平均被引用数をもとに分野の違いが出ないような統計処理を行って引用度指数というものを 算出している（文献１に定義がある）。ここでは表１に文献２に公表されている最新のデータを示す。ひとつの目安でしかないが，化 学分野では岡崎国立共同研究機構（分子科学研究所と見なして良いであろう）は引用度の高い論文を生産していることがわか る（論文総数は１０位）。なお，物理学分野では化学分野ほどよくなくて，岡崎国立共同研究機構（同じく分子科学研究所と見なせ る）は引用度指数 118で９位（論文総数は 1021報で１４位）にランクされている。
2)
参考文献
1) 根岸正光 , 「大学ランキング 2003」, 朝日新聞社 , pp. 134–141 (2002). 2) 根岸正光 , 「大学ランキング 2006」, 朝日新聞社 , pp. 204–207 (2005).
表１ 日本の大学等の分野別論文引用度指数 分野：化学（１９９３―２００２）2)
位
順 大 学 等 論文総数 引用度指数 1 岡崎国立共同研究機構 1803 158 2 東京大学 6714 135 3 名古屋大学 3240 130 4 京都大学 7349 126 5 東京理科大学 2088 123 6 北海道大学 3751 122
学 大 立 都 京
東 986 122
8 大阪大学 5899 115 学
大 州
九 4014 115 0
1 千葉大学 1486 111 学
大 北
東 5287 111 2
1 早稲田大学 1071 108 3
1 東京工業大学 6296 105 4
1 大阪市立大学 1244 102 5
1 京都工芸繊維大学 1196 97
3-2 理論分子科学研究系
分子基礎理論第一研究部門
永 瀬 茂（教授） （2001 年 4 月 1 日着任）
A -1)専門領域：理論化学、計算化学
A -2)研究課題：
a) 分子の形と大きさおよび元素と特性を利用した分子設計と反応 b)ナノスケールでの分子設計理論と量子化学計算
A -3)研究活動の概略と主な成果
a) 分子の特性は，立体的な形状とサイズおよび柔軟さに大きく支配される。サイズの大きい分子が与える外部空間お よび内部空間は新しい機能発現のための相互作用場として利用できる。このために，フラーレンの骨格に空孔を作 ることによる分子の内包，金属内包フラーレンを化学修飾することによる内包金属の動的挙動の制御と機能化，内 包金属を変えることによる反応制御と位置選択性，金属内包フラーレンのアニオンとカチオンの反応性，最も多数 の原子を内包したフラーレンの構造と特性，化学修飾による新規金属内包フラーレンの単離，化学修飾によるカー ボンナノチューブの分散化，化学修飾による金属性カーボンナノチューブと半導体カーボンナノチューブの分離， 金属内包フラーレンを内包したカーボンナノチューブやボロンと窒素を骨格にもつチューブの電子特性，カーボン ナノチューブの内径を変えることによる反応性，チトクロムP450の活性部位のヘム配位子の触媒効果，等を実験と 共同して理論計算により明らかにした。また，ナノ構造による活性結合の立体保護等の計算を実行して，柔軟な形状 と空孔を利用した新規な機能性分子の構築準備を行った。分子の特性は，サイズや立体的な形状ばかりでなく，構成 元素の組み合わせにも大きく支配される。高周期元素の複合的な組み合わせは多種多様な機能電子系発現の宝庫で ある。このために，新しい超原子価化合物や高周期元素間に多重結合をもつユニークな化合物の構造と電子状態を 明らかにして，高周期元素の特性を統一的に理解して予測する分子理論の展開を行っている。
b)これまでの量子化学計算法は，サイズの小さい分子を精度高く取り扱えるが分子サイズが大きくなると計算負荷が 加速的に増大してしまうので，飛躍的な進展が望まれている。現在，密度汎関数計算法は相当に大きな分子の大規模 計算を可能にしているが，ナノ分子系で主題となる超分子，ゲスト−ホスト相互作用，分子認識，自己集合，生理活性 などで本質的な役割をするファンデルワールス力などの弱い非共有結合相互作用を取り扱うことができないとい う致命的な欠点がある。このために，簡便に電子相関を取り込める分子軌道法の代表であるMP2 （second-order Møller
Plesset perturbation）法の新しい並列計算アルゴリズムとプログラムを作成して，2,000基底関数を超える計算をルー
チンワーク化した。現在，ナノ分子の構造決定および反応経路や遷移構造が計算できるように，MP2法のエネルギー 微分計算の高速並列化を実現できるアルゴリズムの開発とプログラムの作成を行っている。
B -1) 学術論文
Z. SLANINA, L. ADAMOWICZ, K. KOBAYASHI and S. NAGASE, “Gibbs Energy-Based Treatment of Metallofullerenes: Ca@C72, Ca@C74, Ca@C82, and La@C82,” Mol. Sim. 31, 71–77 (2005).
Y. MAEDA, J. MIYASHITA, T. HASEGAWA, T. WAKAHARA, T. TSUCHIYA, L. FENG, Y. LIAN, T. AKASAKA, K. KOBAYASHI, S. NAGASE, M. KAKO, K. YAMAMOTO and K. M. KADISH, “Chemical Reactivities of the Cation and Anion of M@C82 (M = Y, La, and Ce),” J. Am. Chem. Soc. 127, 2143–2146 (2005).
T. SASAMORI, E. MIEDA, N. NAGAHORA, N. TAKEDA, N. TAKAGI, S. NAGASE and N. TOKITOH, “Systematic Studies on Redox Behavior of Homonuclear Double-Bond Compounds of Heavier Group 15 Elements,” Chem. Lett. 166–167 (2005).
M. YAMASHITA, Y. YAMAMOTO, K. -Y. AKIBA, D. HASHIZUME, F. IWASAKI, N. TAKAGI and S. NAGASE,
“Syntheses and Structures of Hypervalent Pentacoordinate Carbon and Boron Compounds Bearing an Anthracene Skeleton— Elucidation of Hypervalent Interaction Based on X-Ray Analysis and DFT Calculation,”J. Am. Chem. Soc. 127, 4354–4371 (2005).
J. LU, S. NAGASE, Y. MAEDA, T. WAKAHARA, T. NAKAHODO, T. AKASAKA, D. YU, Z. GAO, R. HAN and H. YE, “Adsorption Configuration of NH3 on Single-Wall Carbon Nanotubes,” Chem. Phys. Lett. 405, 90–92 (2005).
L. FENG, T. WAKAHARA, T. TSUCHIYA, Y. MAEDA, Y. LIAN, T. AKASAKA, N. MIZOROGI, K. KOBAYASHI, S. NAGASE and K. M. KADISH, “Structural Characterization of Y@C82,” Chem. Phys. Lett. 405, 274–277 (2005).
M. YAMADA, L. FENG, T. WAKAHARA, T. TSUCHIYA, Y. MAEDA, Y. LIAN, M. KAKO, T. AKASAKA, T. KATO, K. KOBAYASHI and S. NAGASE, “Synthesis and Characterization of Exohedrally Silylated M@C82 (M = Y and La),” J. Phys. Chem. B 109, 6049–6051 (2005).
K. -Y. AKIBA, Y. MORIYAMA, M. MIZOZOE, H. INOHARA, T. NISHII, Y. YAMAMOTO, M. MINOURA, D. HASHIZUME, F. IWASAKI, N. TAKAGI, K. ISHIMURA and S. NAGASE, “Synthesis and Characterization of Stable Hypervalent Carbon Compounds (10-C-5) Bearing a 2,6-Bis(p-substituted phenyloxymethyl)benzene Ligand,” J. Am. Chem. Soc. 127, 5893–5901 (2005).
M. KATOUDA, M. KOBAYASHI, H. NAKAI and S. NAGASE, “Practical Performance Assessment of Accompanying Coordinate Expansion Recurrence Relation Algorithm for Computation of Electron Repulsion Integrals,” J. Theor. Comput. Chem. 4, 139–149 (2005).
T. TSUCHIYA, T. WAKAHARA, Y. MAEDA, T. AKASAKA, M. WAELCHLI, T. KATO, N. MIZOROGI, K. KOBAYASHI and S. NAGASE, “2D NMR Characterization of the La@C82 Anion,” Angew. Chem., Int. Ed. 44, 3282–3285 (2005).
S. IWAMATSU, S. MURATA, Y. ANDOH, M. MINOURA, K. KOBAYASHI, N. MIZOROGI and S. NAGASE, “Open- Cage Fullerene Derivatives Suitable for the Encapsulation of a Hydrogen Molecule,” J. Org. Chem. 70, 4820-4825 (2005). Z. SLANINA, S. -L. LEE, L. ADAMOWICZ, F. UHLIK and S. NAGASE, “Computed Structure and Energetics of La@C60,” Int. J. Quantum Chem. 104, 272–277 (2005).
Y. RIKIISHI, Y. KASHINO, H. KUSAI, Y. TAKABAYASHI, E. KUWAHARA, Y. KUBOZONO, T. KAMBE, T. TAKENOBU, Y. IWASA, N. MIZOROGI, S. NAGASE and S. OKADA, “Metallic Phase in the Metal-Intercalated Higher Fullerene Rb8.8(7)C84,” Phys. Rev. B 71, 224118 (6 pages) (2005).
J. LU, S. NAGASE, S. RE, X. ZHANG, D. YU, J. ZHANG, R. HAN, Z. GAO, H. YE, S. ZHANG and L. PENG,
“Interplay of Single-Wall Carbon Nanotubes and Encapsulated La@C82, La2@C80, and Sc3N@C80,” Phys. Rev. B 71, 235417 (5 pages) (2005).
J. LU, S. NAGASE, X. ZHANG, Y. MAEDA, T. WAKAHARA, T. NAKAHODO, T. TSUCHIYA, T. AKASAKA, D. YU, Z. GAO, R. HAN and H. YE, “Structural Evolution of [2+1] Cycloaddition Derivatives of Single-Wall Carbon Nanotubes: From Open Structure to Closed Three-Membered Ring Structure with Increasing Tube Diameter,” THEOCHEM 725, 255– 257 (2005).
H. NIKAWA, T. KIKUCHI, T. WAKAHARA, T. NAKAHODO, T. TSUCHIYA, G. M. RAHMAN, T. AKASAKA, Y. MAEDA, K. YOZA, E. HORN, K. YAMAMOTO, N. MIZOROGI and S. NAGASE, “Missing Metallofullerene La@C74,” J. Am. Chem. Soc. 127, 9684–9685 (2005).
Y. IIDUKA, O. IKENAGA, A. SAKURABA, T. WAKAHARA,T. TSUCHIYA, Y. MAEDA, T. NAKAHODO, T. AKASAKA, M. KAKO, N. MIZOROGI and S. NAGASE, “Chemical Reactivity of Sc3N@C80 and La2@C80,” J. Am. Chem. Soc. 127, 9956–9957 (2005).
Y. -K. CHOE and S. NAGASE, “Effect of the Axial Cysteine Ligand on the Electronic Structure and Reactivity of High- Valent Iron (IV) Oxo-Porphyrins (Compound I): A Theoretical Study,” J. Comput. Chem. 26, 1600–1611 (2005).
Z. SLANINA and S. NAGASE, “Sc3N@C80: Computations on the Two-Isomer Equilibrium at High Temperatures,” ChemPhysChem 6, 2060–2063 (2005).
Y. MAEDA, S. KIMURA, M. KANDA, Y. HIRASHIMA, T. HASEGAWA, T. WAKAHARA, Y. LIAN, T. NAKAHODO, T. TSUCHIYA, T. AKASAKA, J. LU, X. ZHANG, Z. GAO, Y. YU, S. NAGASE, S. KAZAOUI, N. MINAMI, T. SHIMIZU, H. TOKUMOTO and R. SAITO, “Large-Scale Separation of Metallic and Semiconducting Single-Walled Carbon Nanotubes,” J. Am. Chem. Soc. 127, 10287–10290 (2005).
M. SAITO, R. HAGA, M. YOSHIOKA, K. ISHIMURA and S. NAGASE, “The Aromacity of the Stannole Dianion,” Angew. Chem., Int. Ed. 44, 6553–6556 (2005).
Y. MAEDA, J. MIYASHITA, T. HASEGAWA, T. WAKAHARA,T. TSUCHIYA, T. NAKAHODO, T. AKASAKA, N. MIZOROGI, K. KOBAYASHI, S. NAGASE, T. KATO, N. BAN, H. NAKAJIMA and Y. WATANABE, “Reversible and Regioselective Reaction of La@C82 with Cyclopentadiene,” J. Am. Chem. Soc. 127, 12190–12191 (2005).
Y. IIDUKA, T. WAKAHARA, T. NAKAHODO, T. TSUCHIYA, A. SAKURABA, Y. MAEDA, T. AKASAKA, K. YOZA, E. HORN, T. KATO, M. T. H. LIU, N. MIZOROGI, K. KOBAYASHI and S. NAGASE, “Structural Determination of Metallofullerene Sc3C82 Revisited: A Surprising Finding,” J. Am. Chem. Soc. 127, 12500–12501 (2005).
W. SONG, M. NI, J. LU, Z. GAO, S. NAGASE, D. YU, H. YE and X. ZHANG, “Encapsulations of La@C82 and La2@C80
inside Single-Walled Boron Nitride Nanotubes,” THEOCHEM 730, 121–124 (2005).
M. FUJITSUKA, O. ITO, Y. MAEDA, T. WAKAHARA, T. TSUCHIYA, T. NAKAHODO, T. AKASAKA, N. MIZOROGI and S. NAGASE, “Photophysical and Photochemical Properties of the La@C82 Anion,” Chem. Lett. 1600–1601 (2005). W. SONG, M. NI, J. LU, Z. GAO, S. NAGASE, D. YU, H. YE and X. ZHANG, “Electronic Structures of Semiconducting Double-Walled Carbon Nanotubes: Important Effect of Interlay Interaction,” Chem. Phys. Lett. 414, 429–433 (2005). M. YAMADA, T. NAKAHODO, T. WAKAHARA, T. TSUCHIYA, Y. MAEDA, T. AKASAKA, M. KAKO, K. YOZA, E. HORN, N. MIZOROGI, K. KOBAYASHI and S. NAGASE, “Positional Control of Encapsulated Atoms inside a Fullerene Cage by Exohedral Addition,” J. Am. Chem. Soc. 127, 14570–14571 (2005).
L. FANG, T. NAKAHODO, T. WAKAHARA, T. TSUCHIYA, Y. MAEDA, T. AKASAKA, T. KATO, E. HORN, K. YOZA, N. MIZOROGI and S. NAGASE, “A Singly Bonded Derivative of Endohedral Metallofullerene: La@C82C Br(COOC2H5)2,” J. Am. Chem. Soc. 127, 17136–17137 (2005).
H. NIKAWA, T. NAKAHODO, T. TSUCHIYA, T. WAKAHARA, G. M. A. RAHMAN, T. AKASAKA, Y. MAEDA, M. T. H. LIU, A. MEGURO, S. KYUSHIN, H. MATSUMOTO, N. MIZOROGI and S. NAGASE, “S-Heterocyclic Carbene with a Disilane Backbone,” Angew. Chem., Int. Ed. 44, 7567–7570 (2005).
M. KARNI, Y. APELOIG, N. TAKAGI and S. NAGASE, “Ab Initio and DFT Study of the 29Si NMR Chemical Shifts in RSi≡SiR,” Organometallics 24, 6319–6330 (2005).
Z. SLANINA, F. UHLIK, S. -L. LEE, L. ADAMOWICZ and S. NAGASE, “Enhancement of Fullerene Stabilities from Excited Electronic States,” Comput. Lett. 1, 313–321 (2005).
Z. SLANINA, F. UHLIK, L. ADAMOWICZ and S. NAGASE, “Computing Fullerene Encapsulation of Non-Metallic Molecules: N2@C60 and NH3@C60,” Mol. Sim. 31, 801–806 (2005).
B -2) 国際会議のプロシーディング
Z. SLANINA and S. NAGASE, “Computing Encapsulation of Non-metallic Molecules,” Nanotech 2005—Technical Proceedings of the 2005 NSTI Nanotechnology Conference and Trade Show, Nano Science and Technology Institute, Cambridge, MA, Vol. 2, pp. 222–225 (2005).
Z. SLANINA, F. UHLIK, S. -L. LEE, L. ADAMOWICZ and S. NAGASE, “Relative Stability Evaluations for Metallo- fullerenes through Gibbs Energy Treatments,” European Nano Systems 2005—Proceedings of the ENS 2005 Conference, Paris, pp. 148–153 (2005).
B -3) 総説、著書
赤阪 健、永瀬 茂 , 「金属内包フラーレンの構造解析―最近の話題と進展」, 化学 60, 68–69 (2005). 赤阪 健、永瀬 茂 , 「金属内包フラーレンS c3C82の構造」, 固体物理 40, 962–963 (2005).
永瀬 茂、岡本祐幸, 「コンピュータで巨大分子の形や性質を予測する」, 分子科学者がいどむ１２の謎, 化学同人, 169–186 (2005).
永瀬 茂 , 「韓国の重点領域・分子科学」, 総研大ジャーナル 7, 10–11 (2005).
Z. SLANINA and S. NAGASE, “Computational Chemistry of Isomeric Fullerenes and Endofullerenes,” in Theory and Applications of Computational Chemistry: The First Forty Years, C. E. Dykstra, G. Frenking, K. S. Kim and G. E. Scuseria, Eds., Elsevier; Amsterdam, pp. 891–917 (2005).
B -4) 招待講演
S. NAGASE, “Large Space and Flexible Structures Provided by Nanomolecular Systems,” 7th Congress of the World Association of Theoretically Oriented Chemists (WATOC2005), Cape Town (South Africa), January 2005.
S. NAGASE, “Endohedral and Exohedral Doping of Fullerenes, Carbon Nanotubes, and Cage-Like Molecules,” 2nd Asian Pacific Conference on Theoretical & Computational Chemistry, Bangkok (Thailand), May 2005.
S. NAGASE, “Functional Nanomolecules,” 1st NAREGI International Nanoscience Conference, Nara (Japan), June 2005.
S. NAGASE, “Nanomolecules and Computational Chemistry,” NanoForum 2005, Xi’an (China), October 2005.
S. NAGASE, “Interesting Properties of Endohedral Metallofullerenes and Carbon Nanotubes,” 2005 International Chemical Congress of Pacific Basin Society (PACIFICHEM2005), Honolulu (U.S.A.), December 2005.
S. NAGASE, “Endohedral and Exohedral Doping of Fullerenes, Carbon Nanotubes,” 2005 International Chemical Congress of Pacific Basin Society (PACIFICHEM2005), Honolulu (U.S.A.), December 2005.
永瀬 茂, 「ナノ分子と計算化学」, 第2回QuL is（量子生命科学プロジェクト研究センター）シンポジウム「ナノサイエンスの 広がり」, 広島 , 2005年 3 月 .
永瀬 茂, 「金属内包フラーレンの構造と電子状態」, 分子研研究会「金属内包フラーレン研究の新展開―基礎と応用」, 岡 崎 , 2005年 11月 .
B -7) 学会および社会的活動 学協会役員、委員
WATOC (World Association of Theoretically Oriented Chemists) Scientific Board .
APACTCC (Asian Pacific Conference on Theoretical & Computational Chemistry) Scientific Board.
分子構造総合討論会運営委員会幹事 . フラーレン・ナノチューブ研究会幹事 . 学会の組織委員
K orea-J apan J oint S ymposium on T heoretical and C omputational C hemistry 組織委員長 (2001, 2005). The First Asian Pacific Conference on Theoretical & Computational Chemistry 組織委員長 (2004).
文部科学省、学術振興会等の役員等
日本学術振興会特別研究員等審査会専門委員 . 独立行政法人科学技術振興機構領域アドバイザー. 日本化学会学術賞・進歩賞選考委員会委員 . 学会誌編集委員
Silicon Chemistry, Subject Editor.
J. Comput. Chem., Editorial Advisory Board. Mol. Phys., Editorial Board.
B -8) 他大学での講義、客員
城西大学大学院理学研究科 , 集中講義「有機物質設計特論」, 2005年 8 月 29-31日 . 筑波大学先端学際領域研究センター併任教授 , 2002年 11 月 - .
筑波大学 T A R A センター, 客員研究員 , 2002年 1 月 - . Xi’an Jiaotong University (China), 客員教授, 2005年10月- .
B -10)外部資金獲得
重点領域研究 , 「金属内包フラーレンの構造、電子状態、反応性の理論的研究」, 永瀬 茂 (1993年 -1995年). 重点領域研究 , 「高周期典型元素化合物の反応制御」, 永瀬 茂 (1992年 -1995年).
基盤研究(B ), 「ケイ素クラスターと遷移金属・炭素混合クラスターの構造解明と成長機構の理論研究」, 永瀬 茂 (1995年- 1997年).
基盤研究(B ), 「金属内包フラーレンの構造、物性、生成過程」, 永瀬 茂 (1997年 -1999年). 特定領域研究(A ), 「インターエレメント多重結合の理論研究」, 永瀬 茂 (1997年 -1999年).
特定領域研究(A ), 「高周期元素の特性と分子の形を利用した分子設計」, 永瀬茂 (1999年 -2001年).
基盤研究(B ), 「ナノスケールでの分子設計と反応の理論と計算システムの構築」, 永瀬 茂 (2002年 -2003年). 特定領域研究(A ), 「高周期元素とナノ柔構造の特性を利用した分子構築の理論と計算」, 永瀬 茂 (2003年 -2005年).
C ) 研究活動の課題と展望
新素材開発において，分子の特性をいかにしてナノスケールの機能として発現させるかは最近の課題である。このために， 炭素を中心とする第２周期元素ばかりでなく大きな可能性をもつ高周期元素およびナノ構造の特性を最大限に活用する分 子の設計と反応が重要である。サイズの大きい分子はさまざまな形状をとれるので，形状の違いにより電子，光，磁気特性ば かりでなく，空孔の内径を調節することによりゲスト分子との相互作用と取り込み様式も大きく変化させることができる。これら の骨格に異種原子や高周期元素を加えると，変化のバリエーションを飛躍的に増大させることができる。ナノスケールでの 分子設計理論と実用的な量子化学計算コンピューターシミュレーション法を確立し，新規な機能性分子を開発する。これら の分子を効率的に合成実現するためには，従来のように小さい分子から順次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解明と理論予測はきわめて重要である。また，現在の量子化学的手法は，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。
岡 本 祐 幸（助教授） （1995 年 4 月 1 日∼ 2005 年 3 月 31 日）
＊）
A -1)専門領域：生物化学物理、計算科学
A -2)研究課題：
a) 蛋白質分子の第一原理からの立体構造予測問題および折り畳み問題 b)生体分子以外の系への拡張アンサンブル法の適用
A -3)研究活動の概略と主な成果
a) 蛋白質は自然界に存在する最も複雑な分子である。よって，その立体構造を予測することは（その生化学的機能との 関係上，極めて重要であるにもかかわらず）至難の業である。特に，理論的に第一原理から（自由エネルギーの最小状 態を求めることにより）立体構造を予測することは不可能と広く信じられている。それは，溶媒の効果を取り入れる のが困難であるばかりでなく，系にエネルギー関数の極小状態が無数に存在するために，シミュレーションがそれ らに留まってしまって，世界最速のスーパーコンピューターをもってしても，最小エネルギー状態に到達するのが 絶望的であるからである。我々はシミュレーションがエネルギー極小状態に留まらない強力な計算手法を，蛋白質 の立体構造予測問題に適用することを提唱してきた。具体的には，徐冷法（simulated annealing）及び拡張アンサンブ ル法（generalized-ensemble algorithm）を導入し，これらの手法が小ペプチド系において従来の方法よりはるかに有効 であることを示してきた。拡張アンサンブル法では，非ボルツマン的な重み因子に基づいて，ポテンシャルエネル ギー空間上の酔歩を実現することによって，エネルギー極小状態に留まるのを避ける。この手法の最大の特徴は唯 一回のシミュレーションの結果から，最小エネルギー状態ばかりでなく，物理量の任意の温度におけるアンサンブ ル平均を求めることができることである。拡張アンサンブル法の代表的な例がマルチカノニカル法（multicanonical algorithm）と焼き戻し法（simulated tempering）であるが，これらの二手法ではその重み因子を決定することが自明で はない。この問題を克服するため，我々は新たにT sallis統計に基づく拡張アンサンブル法やレプリカ交換法（replica- exchange method）の分子動力学法版を開発したりしてきた。特に，レプリカ交換分子動力学法はその適用が簡便であ るために，我々の発表とともにすぐに受け入れられ，現在では国内外のタンパク質の折りたたみシミュレーション における有力グループが相次いで採用しているとともに，A MB E R などの主要な分子シミュレーションのソフトウェ アパッケージに組み込まれている。更には，正確な溶媒の効果をエネルギー関数に取り入れていくことも大切であ るが，距離に依存した誘電率で表すもの（レベル１）や溶質の溶媒への露出表面積に比例する項（レベル２）を試すと ともに，厳密な溶媒効果（レベル３）として，R ISMやSPT などの液体の統計力学に基づくものや水分子をあらわにシ ミュレーションに取り入れること等を検討してきた。
本年度は，レプリカ交換分子動力学法（R E MD ）を様々な系に適用した。まず，水中とエタノール中の小ペプチドの２ 次構造形成傾向性を比較し，アルコールがペプチド内の静電相互作用を強め，２次構造形成を促進することを示し た。また，アミロイド病を引き起こすβ2ミクログロブリンのペプチドフラグメントのR E MDシミュレーションでは， βヘアピンの形成がアミロイド形成と深く関わっていることを示唆する結果を得た。更には，Ｘ線１分子測定の実験 の系を鑑み，末端を固定することがタンパク質の立体構造の安定性に与える影響を調べた。次に，R E MD 以外では， マルチオーバーラップ法とマルチカノニカル法を合体させた新しい拡張アンサンブル法を開発した（S. G. Itoh and Y . Okamoto, in preparation）。これによって，２つの状態間の遷移状態の情報を温度の関数として調べることができ
るようになった。また，一昨年に開発したマルチバーリック・マルチサーマル法をアラニンジペプチドの高圧実験の 系に適用し，部分モルエンタルピーと部分モル体積が実験とよく一致することを示した（H. Okumura and Y . Okamoto, in preparation）。最後に，広く使われているA MB E R ，C HA R MM，OPL S ，GR OMOS などの標準的なエネルギー関数（力 場）が蛋白質の立体構造予測が可能な程の精度を持つか否かを調べてきたが，我々の結論は既存のどの力場も完璧 なものはないというものであった。特に，主鎖のねじれエネルギー項を少し変化させると，αヘリックスやβシート などの２次構造の形成傾向が大幅に変化することを昨年示した。よって，本年度は新しい主鎖のねじれエネルギー 項を提唱した（Y. Sakae and Y. Okamoto, J. Phys. Soc. Jpn. 75 (2006), in press）。
b) 生体分子の系以外にもエネルギー極小状態が多数存在する複雑系では，拡張アンサンブル法の適用が有効である。 特に，レナード・ジョーンズ系において，マルチバーリック・マルチサーマル法を適用して，相転移を調べている。
B -1) 学術論文
Y. SUGITA and Y. OKAMOTO, “Molecular Mechanism for Stabilizing a Short Helical Peptide Studied by Generalized- Ensemble Simulations with Explicit Solvent,” Biophys. J. 88, 3180–3190 (2005).
K. MURATA, Y. SUGITA and Y. OKAMOTO, “Molecular Dynamics Simulations of DNA Dimers Based on Replica- Exchange Umbrella Sampling. I. Test of Sampling Efficiency,” J. Theor. Comput. Chem. 4, 411–432 (2005).
K. MURATA, Y. SUGITA and Y. OKAMOTO, “Molecular Dynamics Simulations of DNA Dimers Based on Replica- Exchange Umbrella Sampling. II. Free Energy Analysis,” J. Theor. Comput. Chem. 4, 433–448 (2005).
K. YOSHIDA, T. YAMAGUCHI and Y. OKAMOTO, “Replica-Exchange Molecular Dynamics Simulation of Small Peptide in Water and in Ethanol,” Chem. Phys. Lett. 412, 280–284 (2005).
M. NISHINO, Y. SUGITA, T. YODA and Y. OKAMOTO, “Structures of a Peptide Fragment of β2-Microglobulin Studied by Replica-Exchange Molecular Dynamics Simulations—towards the Understanding of the Mechanism of Amyloid Formation,” FEBS Lett. 579, 5425–5429 (2005).
Y. KAWASHIMA, Y. SUGITA, T. YODA and Y. OKAMOTO, “Effects of the Fixed End in Single-Molecule Imaging Techniques: A Replica-Exchange Molecular Dynamics Study,” Chem. Phys. Lett. 414, 449–455 (2005).
B -2) 国際会議のプロシーディングス
H. OKUMURA and Y. OKAMOTO, “Multibaric-multithermal ensemble simulations for fluid systems,” Physica A 350, 150–158 (2005).
H. OKUMURA and Y. OKAMOTO, “Molecular simulations in the multibaric-multithermal ensembles,” Comput. Phys. Commun. 169, 317–321 (2005).
B -3) 総説、著書
岡本祐幸、高田彰二, 「タンパク質のフォールディングシミュレーションから立体構造予測問題に迫る」, 特集「水と生体分子 が織り成す生命現象」内 , 現代化学 408, 47–53 (2005).
永瀬茂、岡本祐幸 , 「コンピュータで巨大分子の形や性質を予測する」, 分子科学者が挑む１２の謎 , 分子科学研究所３０周 年記念委員会編 , 化学同人 , 第 11 章 , pp. 169–186 (2005).
榮慶丈、岡本祐幸 , 「PD B データベースを用いたタンパク質力場パラメータの最適化」, 生物物理 45, 145–148 (2005).
奥村久士、岡本祐幸, 「マルチバーリック・マルチサーマルアンサンブルにおけるレナード・ジョーンズ流体のシミュレーショ ン」, 物性研究 85, 341–346 (2005).
B -4) 招待講演
Y. OKAMOTO, “Protein folding simulations by enhanced sampling techniques,” The 1st Symposium: Japanese Germany Frontiers of Science (JGFoS), Mainz (Germany), January 2005.
Y. OKAMOTO, “Transmembrane helix configurations of membrane proteins predicted by generalized-ensemble simulations,” Molecule-Based Information Transmission and Reception—Application of Membrane Protein Biofunction—(MB-ITR2005), Okazaki (Japan), March 2005.
岡本祐幸 , 「自然に折りたたまる紐：タンパク質立体構造形成の計算機シミュレーション」, 名古屋大学理学部物理学科２１ 世紀 C OE プログラム公開講演会 , 名古屋 , 2005年 3月 .
Y. OKAMOTO, “Protein folding problem and generalized-ensemble simulations,” The 11-th Japan-Korea Symposium: Frontier of Molecular Science, Okazaki (Japan), March 2005.
Y. OKAMOTO, “Comparisons and improvements of all-atom protein force fields,” The 2nd Open Workshop for the Scientific Research in Priority Areas: Water and Biomolecules, Tokyo (Japan), March 2005.
Y. OKAMOTO, “Generalized-ensemble simulations of protein folding,” US-Japan Symposium on Folding and Design, Philadelphia (U.S.A.), May 2005.
Y. OKAMOTO, “Molecular dynamics simulations of protein folding,” 2005 International Conference on Scientific Computation and Differential Equations, Nagoya (Japan), May 2005.
岡本祐幸, 「計算機シミュレーションでみるタンパク質の４次元構造」, 日本物理学会名古屋支部公開講演会「物理学とはな んだろう」, 名古屋 , 2005年 5月 .
Y. OKAMOTO, “Rugged free energy landscapes of protein systems studied by generalized-ensemble simulations,” CECAM Workshop: Rugged Free Energy Landscapes: Common Computational Approaches in Spin Glasses, Structural Glasses and Biological Macromolecules, Lyon (France), June 2005.
Y. OKAMOTO, “Nanosimulation of protein folding,” 1st NAREGI International Nanoscience Conference, Nara (Japan), June 2005.
Y. OKAMOTO, “Generalized-ensemble algorithms and protein folding simulations,” The 1st CRIS International Symposium on Computational Science and Neuroscience, Sapporo (Japan), June 2005.
岡本祐幸 , 「短いタンパク質の折り畳みシミュレーション」, 第１回バイオナノ研究会 , 松島 , 2005年 9 月 .
岡本祐幸 , 「スパコンによるタンパク質折り畳みのシミュレーション」, 名古屋大学情報連携基盤センター連続講演会第一回 , 名古屋 , 2005年 9月 .
H. OKUMURA, “Hydrodynamics in a nanoscale liquid: Comparisons of thermal relaxation processes with molecular dynamics,” CCP5 Workshop: Challenges in Mesoscale Models for Liquids: Simulation and Theory, Guildford (U.K.), October 2005.
岡本祐幸 , 「短いタンパク質の折り畳みシミュレーション」, 第８回横幹技術フォーラム, 東京 , 2005年 11 月 .
奥村久士, 「新しい拡張アンサンブル法―マルチバーリック・マルチサーマル法―による液体の分子シミュレーション」, 第 ２８回溶液化学シンポジウムプレシンポジウム, 京田辺 , 2005年 11月 .
岡本祐幸 , 「タンパク質折り畳みの分子シミュレーション」, 第１９回分子シミュレーション討論会 , 岡崎 , 2005年 11月 . 奥村久士, 「定温定圧アンサンブルを生成する拡張アンサンブルシミュレーション」, 防衛大セミナー, 防衛大学校, 2005年 12 月 .
Y. OKAMOTO, “All-atom protein force fields for folding simulations,” International Symposium on Frontiers of Computational Science 2005, Nagoya (Japan), December 2005.
B -7) 学会および社会的活動
文部科学省、学術振興会等の役員等
文部科学省計算科学技術推進ワーキンググループ委員 (2004- )．
J ST 戦略的創造研究推進事業C R E ST 研究領域「マルチスケール・マルチフィジックス現象の統合シミュレーション」領域 アドバイザー (2005- )．
学会誌編集委員
生物物理 , 会誌編集委員会委員 (2001-2002)． 物性研究 , 各地編集委員 (2002-2004)．
Journal of Molecular Graphics and Modelling, International Editorial Board (1998-2000). Molecular Simulation, Editorial Board (1999- ).
科学研究費の研究代表者、班長等
日本学術振興会未来開拓学術研究推進事業 , 「第一原理からのタンパク質の立体構造予測シミュレーション法の開発」, プロジェクトリーダー (1998年度 -2002年度).
その他
アジア冬の学校の組織
SOKENDAI Okazaki Lectures: Asian Winter School, Okazaki, December 6-9, 2004.
高校生対象の講義
「生体分子の計算機シミュレーション」, 平成１６年度サイエンス・パートナーシップ・プログラム事業 , 南山高等学校女子部 , 名 古屋 , 2004年 7月．
B -8) 他大学での講義、客員
自然科学研究機構核融合科学研究所 , 客員教授 , 2005年 4月 - ．
東京大学大学院工学系研究科 , 「生体系の分子シミュレーション」（集中講義）, 物理工学特別講義 I（第一）, 2005年 8月 1 日 -3日．
奥村久士 , 「分子動力学シミュレーション―基礎から拡張アンサンブル法まで―」（集中講義）, 第１７回液体の化学夏 の学校 , 神戸 , 2005年 8 月 .
B -9) 学位授与
村田克美, “Molecular Dynamics Simulations of DNA Dimers Based on Replica-Exchange Umbrella Sampling,” 2005年3月, 博士（理学）.
伊藤 暁 , “Development and Application of the Multi-Overlap Molecular Dynamics Methods,” 2005年3月, 博士（理学）.
B -10)外部獲得資金
一般研究(C ), 「徐冷モンテカルロ法及びマルチカノニカル法によるタンパク質の立体構造予測」, 岡本祐幸 (1995年-1996 年).
重点領域研究（公募）「新最適化アルゴリ, ズムによるタンパク質の折れたたみ機構の研究」, 岡本祐幸 (1995年). 重点領域研究（公募）, 「新最適化アルゴリズムによるタンパク質の折れたたみの研究」, 岡本祐幸 (1996年). 重点領域研究（公募）, 「拡張アンサンブル法による蛋白質の立体構造予測」, 岡本祐幸 (1997年).
基盤研究(B ), 「マルチカノニカル法によるX 線及びNMR 実験データに基づく生体高分子の立体構造解析」, 岡本祐幸 (1997 年 -1998年).
未来開拓学術研究推進事業, 「第一原理からのタンパク質の立体構造予測シミュレーション法の開発」, 岡本祐幸 (1998年- 2002年)．
特定領域研究（計画）「拡張ア, ンサンブル法による蛋白質折り畳み機構の研究」, 岡本祐幸 (2003年 -2007年). 若手研究(B ), 「ナノスケールの非定常流を記述する流体力学の統計力学的検証」, 奥村久士 (2005年 -2007年).
C ) 研究活動の課題と展望
拡張アンサンブル法を駆使して，様々な具体的な実験結果との比較ができるようになってきた。これからは，実験結果の検証 ばかりでなく，新たな予測結果を提示して，新しい実験を提案できることを目指したい。また，A MB E R やC HA R MMなどの生 体高分子系における標準的なエネルギー関数（力場）のねじれエネルギー項の改善を目指してきたが，いよいよそのパラメ ターの精密化の段階にはいりつつある。このような標準的な力場の枠組みの中で最善のものを得ることを模索したい。
＊）2005 年 4月 1日名古屋大学大学院理学研究科教授
分子基礎理論第二研究部門
中 村 宏 樹（教授（兼） ） （1981 年 8 月 16 日着任）
A -1)専門領域：化学物理理論、化学反応動力学論
A -2)研究課題： a) 化学反応の動力学
b) 化学動力学のレーザー制御 c) 多次元トンネル理論の構築と応用 d) 分子機能の開発を目指して
A -3)研究活動の概略と主な成果
a) 化学反応の動力学：実際の化学反応においては電子状態の変化する電子的に非断熱な化学反応が重要であることに 鑑み，かかる反応を取り扱うための理論的手法の開発と具体的応用を進めてきた。量子力学的に正しい取り扱いが 出来る緊密結合法は既に完成しており，３原子系に適用出来る。これは，近似的手法の良さを調べるのに有効に利用 出来る。一方，大次元系を扱いうるようにするために，一般化した T S H（T rajectory S urface Hopping）法の開発を進め ていたが，最終的に，Z hu-Nakamura（Z N）理論を有効に利用した汎用性のあるコードを開発した。古典軌道を走らせ ながら，非断熱遷移を起こす場所と方向を見出し，Z N公式で遷移を取り扱う。遷移の方向については，非断熱結合ベ クトルが分からない場合でも，ヘシアンから見積もる手法を開発した。更に，軌道の転回点を見出し，トンネル効果 をも取り入れることの出来るようになっている。この手法を使えば通常の MD シミュレーションを，量子効果を入 れた形に改良出来るはずである。また，位相効果をも取り入れた波束を用いた半古典力学的な手法の開発も行った。 b) 化学動力学のレーザー制御：レーザーによって化学動力学過程を制御するための理論の開発を行った。化学動力学
過程には，２つの重要な要素がある：①波束の電子的励起，及び，②波束の断熱ポテンシャル上の動きである。この二 つを自在に制御出来れば，様々な過程の制御が可能になる筈である。前者は，レーザー周波数の２次チャープを旨く 行うことによって可能となる。エネルギー準位のときほど完璧ではないが，それでも90％以上の効率で制御するこ とが出来る。現実の３原子分子などで実証した。後者を多次元系で効率良く行うために半古典力学的最適制御理論 を構築した。凍結波束伝播法を用い極めて簡単な定式化を行うことに成功した。これについても，現実の３原子分子 の異性化反応（６次元問題）を取り扱っている。厳密な量子力学的取り扱いでは３次元系も成功していない。 c) 多次元トンネル理論の構築と応用：現実の多原子分子に対して，対称二重井戸におけるエネルギー分裂，及び，トン
ネルを介しての崩壊現象に対する有効な理論を開発し，各種分子への応用を試み，実験との良い一致を得るなど成 果を挙げている。計算時間のかかる高精度の量子化学計算を効率良く実行する方法をも考案した。HO2，マロンアル デヒド，ビニルラジカル，蟻酸二量体などに適用し実験との良い一致を得ている。一方，高いレベルの量子化学計算 を行わないと正しい結果が得られないことが示された。更に，振動励起状態のエネルギー分裂の理論をも構築し，振 動励起による分裂の促進及び抑制の現象を解明した。
d) 分子機能の開発を目指して：分子が発現する機能の多くは非断熱遷移に由来していると考えられる。これを解明し 制御することを目指して研究を進めている。一つはフォトクロミズムの例としてのシクロヘキサジエンとヘキサト
リエンの光による変換の研究である。S0，S1，S2のポテンシャルエネルギー曲面の評価と共に，二つの重要な円錐交 差での動力学を計算し，基本メカニズムを明確にした。励起過程及び初期波束の運動量分布を制御することによっ て変換効率を制御出来ることも判ってきた。もう一つの例は，水素原子の環状分子透過の現象である。コラニュレン を例に取り，二層目の炭素原子をボロンで置換すると水素を透過させることが出来ることが判った。これは以前我々 が見つけた非断熱トンネルにおける完全反射現象の応用でもある。ナノチューブなどへの水素取り込みの可能性を 示すものである。
B -1) 学術論文
A. KONDORSKIY and H. NAKAMURA, “Semiclassical Frozen Gaussian Propagation Method for Electronically Nonadiabatic Chemical Dynamics: Møller Operator Formulation and Incorporation of the Zhu-Nakamura Theory,” J. Theor. Comput. Chem. 4, 89–102 (2005).
A. KONDORSKIY and H. NAKAMURA, “Semiclassical Formulation of Optimal Control Theory,” J. Theor. Comput. Chem. 4, 75–87 (2005).
G. V. MIL’NIKOV, H. NAKAMURA and E. A. SOLOVEV, “Hidden Crossing Mechanism of Rotational Excitaion of H2O by Electric Pulse,” J. Phys. B 37, 3419–3426 (2004).
H. TAMURA, S. NANBU, H. NAKAMURA and T. ISHIDA, “A Theoretical Study of Cyclohexadiene/Hexatriene Photochemical Interconversion: Multireference Configuration Interaction Potential Energy Surfaces and Transition Probabilities for the Radiationless Decays,” Chem. Phys. Lett. 401, 487 (2005).
S. ZOU, A. KONDORSKIY, G. V. MIL’NIKOV and H. NAKAMURA, “Laser Control of Electronic Transitions of Wave Packet by Using Quadratically Chirped Pulses,” J. Chem. Phys. 122, 084112 (2005).
H. NAKAMURA, “Nonadiabatic Transition and Chemical Dynamics: Multi-Dimensional Tunneling Theory and Applications of the Zhu-Nakamura Theory,” J. Theor. Comput. Chem. 4, 127–137 (2005).
A. ISHKHANYAN, J. JAVANAINEN and H. NAKAMURA, “A Basic Two-State Model for Bosonic Field Theories with a Cubic Nonlinearity,” J. Phys. A 38, 3505–3516 (2005).
G. V. MIL’NIKOV and H. NAKAMURA, “Instanton Theory for the Tunneling Splitting of Low Vibrationally Excited States,” J. Chem. Phys. 122, 124311 (11 pages) (2005).
G. V. MIL’NIKOV, O. KÜHN and H. NAKAMURA, “Ground-State and Vibrationally Assisted Tunneling in the Formic Acid Dimer,” J. Chem. Phys. 123, 074308 (2005).
A. KONDORSKIY, G. V. MIL’NIKOV and H. NAKAMURA, “Semiclassical Guided Optimal Control of Molecular Dynamics,” Phys. Rev. A 72, 041401 (2005).
G. V. MIL’NIKOV, S. ZOU and H. NAKAMURA, “Incorporation of Nonadiabatic Transition into Wave-Packet Dynamics,” J. Chem. Phys. 123, 141101 (2005).
B -4) 招待講演
H. NAKAMURA, “Chemical Dynamics and Molecular Functions,” 11th Japan-Korea Joint Symp. on Frontiers in Molec. Sci., Okazaki (Japan), March 2005.
H. NAKAMURA “Semiclassical Methods for Nonadiabatic Processes and Multi-Dimensional Tunneling,” CCP6 Workshop, Belfast (Ireland), April 2005.
H. NAKAMURA, “Chemical Dynamics and Molecular Functions,” Chinese National Conf. on Chemical Dynamics, Hangzhou (China), September 2005.
H. NAKAMURA, “Laser Control of Chemical Dynamics,” Pacifichem 2005, Honolulu (U.S.A.), December 2005.
H. NAKAMURA, “Zhu-Nakamura Theory and Nonadiabatic Chemical Dynamics,” Pacifichem 2005, Honolulu (U.S.A.), December 2005.
B -6) 受賞、表彰
中村宏樹 , 中日文化賞 (2000).
B -7) 学会および社会的活動 学協会役員、委員
原子衝突研究協会委員 (1981-1994). 学会の組織委員
IC PE A C（原子衝突物理国際会議）第９回組織委員会 , 経理担当 (1979). IC PE A C（第１７回及び第１８回）全体会議委員 (1991, 1993).
IC PE A C（第２１回）準備委員会委員 , 運営委員会委員 (1999).
A IS A MP（アジア原子分子物理国際シンポジウム）A dvisory committeeメンバー (1997, 2002). Pacifichem 2000 シンポジウム組織者 (2000).
Workshop on Nonadiabatic Transitions in Quantum Mechanics. Internat. Advisory Committee Member (Moscow- Chernogolovka, August 2003).
文部科学省、学術振興会等の役員等
学術審議会専門委員 (1991-1995, 1998-2002, 2002- ). 学会誌編集委員
Computer Physics Communication, Specialist editor (1986- ).
Journal of Theoretical and Computational Chemistry, Executive editor (2001- ). J. Chem. Phys., Member of Editorial Board (2003-2005).
Int. Rev. Phys. Chem., Member of Editorial Board (2005- ).
科学研究費の研究代表者、班長等
特定領域研究計画班代表者 (1999-2001). 基盤研究代表者 (1998-2000, 2001-2003). 特別推進研究代表者 (2003-2005). その他
岡崎高校スーパーサイエンスハイスクール活動支援 (2002-2003). 分子研総括責任者 .
講演「学問創造への挑戦―未来をになう皆さんへ」.
理化学研究所基礎科学特別研究員審査委員 (2003-2005).
理研基礎科学特別研究員制度推進委員会委員及び審査委員会委員 (2003-2005). 理研ジュニア・リサーチ・アソシエイト制度推進委員会委員 (2003-2005).
理研独立主幹研究員制度推進委員会委員 (2004- ). 財団法人東海産業技術振興財団顧問 (2004- ). 愛知県科学技術会議委員 (2004- ).
東京大学物性研究所協議会委員 (2004- ).
B -8) 他大学での講義、客員
九州大学総合理工学 , ｢非断熱過程入門｣, 2005 年 2月 7日 -9日 .
B -9) 学位授与
Oluwaponmile Oloyede, “Quasiclassical Studies of Chemical Reaction Dynamics with Inclusion of Tunneling and Nonadiabatic Transition,” 2005年9月, 博士（理学）.
B -10)外部獲得資金
特別推進研究 , 「Z hu-Nakamura理論に基づく非断熱化学動力学の総合的研究」, 中村宏樹 (2003年 -2005年). 基盤研究(B ), 「非断熱遷移と化学動力学諸問題の統合的理論研究」, 中村宏樹 (1998年 -2000年).
特定研究(A ), 「物質設計と反応制御の分子物理化学」, 中村宏樹 (1999年 -2001年).
基盤研究(B ), 「電子遷移を伴う多次元化学動力学理論の開発と応用」, 中村宏樹 (2001年 -2003年).
信 定 克 幸（助教授） （2004 年 6 月 1 日着任）
A -1)専門領域：分子物理学、電子動力学
A -2)研究課題：
a) 分子系における多電子ダイナミクスの実時間解析 b) 有機分子で保護された金属クラスターの電子物性
A -3)研究活動の概略と主な成果
a) 素粒子などの原子核の内部構成粒子を考慮に入れなければ，分子は多数の原子核と多数の電子から構成される複合 粒子系とみなすことができ，更に分子が関わる問題を現象として分類すれば，定常状態の問題とダイナミクスの問 題に区別できる。過去の分子科学におけるダイナミクスの研究では，主として多数の原子核を対象として，そのダイ ナミクスの問題に焦点が絞られていた。（正確に言えば，断熱近似の範囲内で電子系の自由度を原子核の自由度に取 り込んでしまい，多数の原子系の問題を取り扱うこと，すなわち多原子ダイナミクスの問題に帰着する。）当然なが ら電子ダイナミクスも研究の対象に成り得るが，通常その変化は多原子ダイナミクスと比べると圧倒的に速く，実 験的にも理論的にもその実時間観測・解析が難しく，十分に研究が行われていない。そこで，多電子系の実時間ダイ ナミクスの本質を理解すべく，強レーザー場中における銀クラスターの多重イオン化の理論的・数値計算的研究を 行った。多電子ダイナミクスを理論的に取り扱うためには，電子相関を出来る限り正しく取り込みながら，電子の時 間発展を記述しなければならないが，ここでは時間依存密度汎関数理論（T D D F T ）に基づく数値的解析方法を採用 した。その結果，銀クラスターのように価電子（s電子）と内殻電子（d電子）から構成されるような系では，s電子の動 的変化を遮蔽するようにd電子が集団的に動き，この遮蔽効果のために多重イオン化率が抑制されることが分かっ た[Chem. Phys. Lett. 404, 365–369 (2005)]。現在，ナノメートルサイズのリング状分子を対象として，円偏光レーザー パルス照射により誘起される電流の実時間ダイナミクスの研究を行っている。
b) 複数の有機分子で保護（又は修飾）された金属クラスターは，しばしばMonolayer-Protected Metal C luster （MPC ）と呼 ばれている。一般的に MPC は，裸の金属クラスターとは異なる化学的・物理的性質（例えば，線形・非線形光学応答， 伝導性，磁化率，触媒作用，化学反応性など）を示すことから基礎理学・応用科学両方の観点から盛んに研究されてい る。本研究では，チオラート分子によって保護された金クラスターを対象として，その電子構造と光学的性質の解明 を行った。その結果，チオラート分子中の硫黄原子が複数の金原子を架橋配位し，金クラスターを非常に安定化させ ることが分かった。また，吸収スペクトルの詳細な同定を行った。更に，王冠型をした非常に特徴的な構造を持つ金 チオラート錯体の存在可能性を理論的に示し，その電子構造と光学的性質の解析を行った。これらの研究成果につ いては，学術論文投稿準備中である。
B -1) 学術論文
K. SHIRATORI, K. NOBUSADA and K. YABANA, “Multiple Ionization of a Silver Diatomic Molecule in an Intense Laser Field,” Chem. Phys. Lett. 404, 365–369 (2005).
Y. NEGISHI, K. NOBUSADA and T. TSUKUDA, “Glutathione-Protected Gold Clusters Revisited: Bridging the Gap between Gold(I)-Thiolate Complexes and Thiolate-Protected Gold Nanocrystals,” J. Am. Chem. Soc. 127, 5261–5270 (2005).
T. YASUIKE and K. SOMEDA, “Reply to Comment on ‘Origin of Light- Induced States in Intense Laser Fields and Their Observability in Photoelectron Spectra’,” Phys. Rev. A 71, 017402 (3 pages) (2005).
Y. KUBOTA and T. ODAGAKI, “Resonant Transmission of a Soliton Across an Interface between Two Toda Lattices,” Phys. Rev. E 71, 016605 (4 pages) (2005).
B -4) 招待講演
K. NOBUSADA, “Optical Response of Monolayer-Protected Gold Clusters,” Japan-Korea Joint Symposium on Frontiers in Molecular Science, Okazaki (Japan), March 2005.
信定克幸, 「Gold-T hiolate C lusters and C omplexes: E lectronic and Photochemical Properties」, 科研費特定研究（分子スピ ン）金ナノ粒子勉強会 , 岡崎 , 2005年 8月 .
信定克幸 , 「Photoinduced electron dynamics in Nanorings」, 電子励起と電子相関に関する研究会 , 札幌 , 2005年 11月 .
B -7) 学会および社会的活動 学協会役員、委員
日本物理学会領域１（原子・分子分野）世話人 (2003-2004). 科学技術振興機構地域振興事業評価委員会専門委員 (2005- ). 学会の組織委員
分子構造総合討論会プログラム委員 (2001). 日韓共同シンポジウム実行委員 (2005). 総研大アジア冬の学校実行委員 (2005- ).
B -8) 他大学での講義、客員
産業技術総合研究所客員研究員 , 2003 年 8 月 - .
筑波大学計算科学研究センター共同研究員 , 2004年 8 月 - .
B -10)外部獲得資金
奨励研究(A ), 「ヘムタンパク質に結合した一酸化炭素分子の振動エネルギー緩和の動力学」, 信定克幸 (2000年-2002年). 基盤研究(C ), 「ナノメートルサイズの分子における多電子ダイナミクスの理論的研究」, 信定克幸 (2005年 - ).
岩崎ファンド海外研究助成 , 「D Y NA M 2000 R E A C T IV E A ND NON R E A C T IV E QUA NT UM D Y NA MIC S 」, 信定克幸 (2000年).
第１回理学未来潮流グラント, 「有限少数多体系における特異な現象の発見とその解釈」, 信定克幸 (2001年 -2002年). 松尾学術研究助成金 , 「貴金属クラスターの電子・イオンダイナミクスの理論的研究」, 信定克幸 (2002年 -2004年).
C ) 研究活動の課題と展望
これまでの分子科学におけるダイナミクスの研究では，多原子系のダイナミクスが主たる研究テーマであったが，最近の実 験の目覚しい進歩により，数フェムト秒からアト秒に至る超高速の多電子ダイナミクスの実時間観測が可能になってきた。し かしながら，多電子ダイナミクスの基礎理学的理解は全く十分ではなく，ましてや多電子ダイナミクスが今後，分子科学一般
や応用科学へどのように展開していくのかは，ほとんど分かっていない。そこで我々の研究グループでは，基礎理学的理解 を目標として，理論的・数値的解析両方の観点から，多電子ダイナミクスの研究を行っている。これまでのところ，孤立系分 子を対象として多電子ダイナミクスの研究を行ってきたが，今後は周りの環境と相互作用している分子系，特に電子的エネ ルギーの量子散逸を含む系の多電子ダイナミクスの理論的研究を行うことを計画している。例えば，表面吸着分子や溶媒 と相互作用している分子，ヘテロな分子を多数含む大きな金属クラスターなどの系において，多電子がどのような振る舞い をするのか，特に超高速の多電子ダイナミクス（非線形光学応答や電荷移行反応）の過程に注目して研究を進めたいと考 えている。また，現在進めている研究を電子ダイナミクスだけに限定せず，スピンダイナミクスや励起子ダイナミクスも含め， 分子系における量子多体系ダイナミクスの実時間解析へと展開する予定である。
分子基礎理論第三研究部門
平 田 文 男（教授） （1995 年 10 月 16 日着任）
A -1)専門領域：理論化学、溶液化学
A -2)研究課題：
a) 溶液内分子の電子状態に対する溶媒効果と化学反応の理論 b)溶液中の集団的密度揺らぎと非平衡化学過程
c) 生体高分子の溶媒和構造の安定性に関する研究 d)界面における液体の統計力学
A -3)研究活動の概略と主な成果
a) 溶液内分子の電子状態に対する溶媒効果と化学反応の理論
a1) 巨大分子の静電ポテンシャル計算の高速化：巨大分子の静電ポテンシャル計算の高速化：近年，計算機及び計算手法 の発展とともに生体分子などの巨大分子の計算が脚光を浴びている。我々のグループでは 3D -R IS M を用いてタン パク質の計算を行い，すでに幾つかの成功をあげている。この 3D -R IS M とab initioを組み合わせた3D-RISM-SCF を 本グループですでに提案しているが小さい分子に対して適用されたのみであった。これは 3D -R IS M では溶質分子 の造る静電ポテンシャルの計算コストが高いため，溶質分子が大きくなると計算が困難になるからである。そこで， 新たに静電ポテンシャルの算出法を提案した。本方法では空間を溶質分子からの距離に応じて３つの領域に分割す る。溶質原子の内部にあたる領域では，ポテンシャル無限大と近似することで容易に計算コストを省くことが出来 る。また，溶質から十分遠い領域では部分電荷を用い計算コストを節約し，近距離では溶質の波動関数から静電ポテ ンシャルを直に評価することで精度を保った。実際に本方法を用い，生体分子の例として Met-E nkephalin の計算を 行い計算時間を激減させながら，精度を保てることを示した。[J. Comput. Chem. 27, 453 (2006) に既報]
a2) 流体相（気，液）全領域における水の自己解離定数の決定：近年，平田グループで提案したK ovalenko-Hirata（K H）closure によりこれまでは難しかった密度溶媒系の計算が可能になった。そこで，R ISM-SC F /K Hにより水の自己イオン化反 応（2H2O ⇔ H3O+ + OH–）について超臨界領域を含む幅広い温度（ 300 ∼ 800 K ）及び密度（ 0.025 ∼ 1.0 g/cm3）範囲で の計算を網羅的に行った。自己解離定数，各分子種の双極子モーメント，分子構造等の温度・密度依存性において，実 験値及びシミュレーションの結果と定性的な一致を得た。このように理論的に定性的な予測が出来ると言うことは， 産業分野における研究開発に大きな寄与を与えることが出来る。これは，R ISM-SC F は実験と比較して圧倒的に時間 的・人的コストが低いからである。現在は超高速計算機網形成プロジェクト（NA R E GI）の一環として多数の企業と R IS M-S C F を用い共同研究を行っている。[J. Phys. Chem. B に印刷中]
a3) 内部自由度をもつ分子からなる液体系の統計力学：ブタンやジクロルエタンなどのようにいくつかの構造異性体を 持つ系でそのエネルギー差がそれほど大きくない場合，気相における平均構造と液体系におけるそれとは必ずしも 同じではない。また，液体系においては温度や圧力によってその構造の比率が変化するため，分光学をはじめとする 実験の重要な研究対象のひとつとされて来た。（わが国でも Mizushima らによる先駆的な研究がある。）このような 液体系に対する理論的な取り扱いはこれまでもなされてきたが，それは多くの場合，液体系を構造異性体の混合系
とみなして，液体混合系の取り扱いを適用するか，または２面角などの構造パラメタ（オーダーパラメタ）を連続的 に変化させながら自由エネルギー計算を行う手法に限られていた。以前に，Y oshida-Hirata-Munakataは分子内と分子 間の分布関数を同時に決定するR ISM理論の定式化を提案しているが，本研究ではこの理論をブタンおよびジクロ ルエタンの系に適用し，シミュレーションおよび実験と比較した。その結果，ゴーシュとトランスの存在比に関して， それらの実験結果と良好な一致を得た。[Chem. Phys. Lett. 420, 135 (2006) に既報]
b) 生体高分子の溶媒和構造の安定性に関する研究
b1) 蛋白質の部分モル容積と圧力変性：部分モル容積は化学平衡や反応速度の圧力に対する応答を決定する重要な熱力 学量である。特に，蛋白質の部分モル容積はその力学的構造安定性を反映する重要な物理量としてE dsalやK auzmann などの先駆的な研究以来，生物物理の中心課題のひとつとなってきた。しかしながら，それを第一原理から理論的に 求 め る 試 み は 皆 無 で あ った 。わ れ わ れ は ，自 ら 開 発 した 二 つ の方 法 論 ，す な わ ち ，３ 次 元 R I S M 理 論 と si te- si te K irkwood-B uff（S S K B ）理論，に基づき蛋白質の部分モル容積を統計力学的に求めることに初めて成功し，昨年度の
「リポート」で報告した。本年度はこの計算をより多くの蛋白質に敷衍するとともに，蛋白質構造の力学的安定性に 関する新しい解析を行ったので以下に報告する。
圧力をかけた場合，蛋白質の構造は部分モル容積を小さくする方向に変化する（ル・シャテリエ則）。したがって，も し，二つの異なる圧力下での蛋白質の立体構造が知られていれば，高圧での構造に対応する部分モル容積は定圧で のそれに比べて小さくなければならない。このこと自身はル・シャテリエ則のひとつであり単純な熱力学法則であ るが，これまでこの法則を生体分子で理論的に確認した例はない。その理由のひとつは上に述べたように蛋白質の 構造から部分モル容積を求める理論的方法が存在しなかったことによる。次に，高圧下での蛋白質の構造も決定さ れていなかった。最近，A kasakaと彼の共同研究者によって，二つの圧力下でのリゾチームのＸ線構造が決定された。 もし，その二つの構造に対する部分モル容積を同じ圧力下で決定することができれば，ル・シャテリエ則は分子レベ ルで証明される。我々は A kasakaらによって決定されたリゾチームの構造に対する部分モル容積を３次元 R IS M 理 論によって求めた。その結果，高圧条件に対応する構造が低圧下のそれに比べて約 120 cc/mol だけ小さな部分モル 容積をもつことを明らかにし，ル・シャテリエ則を分子レベルで証明した。また，さらに詳細な解析の結果，高圧構造 の部分モル容積の減少に最も大きく寄与するのは蛋白質内の空隙（水分子が入り込むことができない隙間）である ことが明らかになった。このような解析を実験的に行うことは不可能である。何故なら，高圧下で決定された蛋白質 の構造は低圧条件下では不安定な構造であり，そのような構造の部分モル容積を実験的に求めることはできないか らである。[J. Phys. Chem. B 109, (2005) に既報]
b2) 蛋白質内部の空孔に閉じ込められた水分子を理論で「検出」：水はいわゆる溶媒として生体分子の構造安定性を決定 する本質的因子であるばかりでなく，蛋白質内部の空孔や反応ポケット中にも存在し，その機能をコントロールす る上で重要な役割を演じている。これまで実験的にはＸ線，中性子，NMR をはじめとして蛋白質内部の水分子を検 出する様々な試みが行われてきた。しかし，理論的に蛋白質内部の水分子を「検出」した報告はない。本年度，われわ れは蛋白質の水和に関して３次元R ISM理論による興味深い計算結果を得た。蛋白質内に閉じ込められた水分子の 分布関数が求まったのである。鶏卵の白身から取り出したリゾチームの天然構造（Ｘ線構造）を水に浸し，その系の ３次元R IS M方程式を解いて水分子の分布関数を求めたところ，蛋白質内部の空隙に４個の水分子が存在すること を示す顕著なピークを見出した。蛋白質内部の空隙は極めてヘテロな環境にあり，統計力学が最も不得意とする問 題である。このような問題に対する解が得られたこと自身，液体の統計力学の新しい一歩を意味する。しかしながら， この結果の意味するところはそれだけではない。酵素反応をはじめとする生体系の様々な機能は生体分子による基
質やリガンドの「認識」（分子認識）を本質的プロセスとして必ず含んでいるが，今回の結果はこの分子認識プロセス を解明する上での理論的な橋頭堡を築いたことを意味する。例えば，蛋白質による薬剤分子の認識を考えよう。薬剤 分子を溶質として溶かし込んだ水溶液中の蛋白質の溶媒和構造を３次元R ISMより求める問題は純水中のそれの単 なる一般化であり，本質的困難はない。この計算によって得られた蛋白質内部の活性（認識）部位における水と薬剤 分子の分布関数を解析すれば，それらの分子のどちらが蛋白質と強く結合しているかが解明できるはずである。[J. Am. Chem. Soc. (Commun.) 127, 15334 (2005) に既報]
c) 界面における液体の統計力学
c1) 気液界面の構造と臨界性に関する統計力学研究：気液界面における密度はちょうど臨界点におけるそれと同様に巨 視的なスケールの揺らぎを示す。この揺らぎはcapillary-waveとして知られており，中性子散乱やレーザー分光の標 的となっている。一方，理論的に気液界面の構造を分子レベルで特徴づける研究はこれまでほとんど行われていな い。その理由のひとつは気液界面では平均密度が場所によって大きく変わる（気体密度から液体密度まで）ことにあ る。もうひとつの理由はそれが巨視的なスケールで揺らぐからである。後者は密度の相関距離が発散することを意 味する。これらはいずれも従来の液体統計力学において未解決になっている問題である。
われわれは昨年度の「リポート」において，これらの問題を一挙に解決する理論的枠組みを提案した。それは IOZ 方 程式（不均一液体のOrnstein-Z ernike積分方程式），L MB W 方程式（一体密度関数を２体相関関数と関連づける方程式） およびK H-closureと連立させて解法するというもので，これにより気液界面の密度プロフィールとそこでの２体相 関関数を求めることに初めて成功した。そして，気液界面の２体相関関数がちょうど臨界点におけるそれと同様の 振る舞いを示すことを報告した。[Chem. Phys. Lett. 395, 1 (2004)]
本研究ではD ue-Henderson-V erlet によって提案されたclosureを使い，気液界面における臨界性を調べた。その結果， 気液相の密度差，揺らぎの相関距離および表面張力に関る臨界指数に対して，それぞれ，β = 0.4，ν = 0.65，µ = 1.28 の値を得た。これらの値は平均場近似から得られる値と異なっており，実験や分子シミュレーションによって決定 された値に近くなっている。これらの結果は IOZ 方程式を使うことによって初めて得られたものであり，系の不均 一性をあらわに考慮することが本質的であることを示している。[Phys. Chem. Chem. Phys. 7, 4132 (2005) に既報] c2) 液液界面の分子論：水と油の境界のようにふたつの液体が接触する領域（液液界面）は新しい化学反応の場として多
くの注目を集めている。しかしながら，分子レベルでの液液界面の構造については実験的にも理論的にも未知の部 分が多い。例えば，界面における各成分の平均濃度（密度）プロフィールは階段状の滑らかなカーブを描いて変化し ていくのか，あるいは揺らぎを伴っているのだろうか？ もし，揺らぎを伴っているとしたら，一体，どのようなス ケールで揺らいでいるのだろうか？ これらに対する理論的な検討は皆無といっても過言ではない。その理由はこ の問題が従来の液体統計力学の枠組みを大きく超える難しい問題だからである。この種の問題の難しさは系が不均 一（平均濃度が一定ではない）だということにある。このため，通常の液体論ではいわば「入力」として与える平均濃 度（密度）は位置の関数として求めるべき「未知数」となる。
本研究においてわれわれはヘキサンとメタノールの系にたいして不均一 R IS M と S S L MB W（ site-site L ovett-Mou- B uff-W ertheim）理論の連立方程式をある近似のもとに解法し，その液液界面の構造を初めて理論的に明らかにした。 その結果で特筆すべきことは，液液界面の濃度プロフィールが通常の教科書にあるような単調な階段状の関数では なく，ナノメートルスケールの周期をもつ振動型の構造をもっていることである。このような振動型の濃度プロ フィールは実験的には未だ検出されていない。[Phys. Chem. Chem. Phys. 7, 1785 (2005) に既報]
