近年、分子シミュレーションのような大規模科学技術計算が盛んに行われるようになっている。特に、は、新素材、高性能材料、医薬品等の開発に利用されており、これからもますます発展する分野である。しかしに基づく分子シミュレーションは、その計算量が膨大であるために、研究者が設計したい大規模分子への適用が容易ではない。
そこで我々は、「現実を反映した大規模分子系」の分子軌道計算を、「低コスト＝パーソナルユース」で実現すべく、による分子軌道計算を高速に実行する専用並列計算機システムの開発に取り組んでいる。本稿では、我々が開発した分子軌道計算専用並列計算機システム、および、専用計算機システムに搭載する、電子反発積分計算専用 LSIの概要を紹介する。

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The classical molecular dynamics (MD) simulation method, which makes use of empirical potential functions, is widely used in many fields of chemistry, ranging from inorganic materials to biological systems. It is laborious and impractical, however, to construct empirical potential functions to describe bond breaking and bond formation for systems with many atoms. Instead of requiring such empirical potential functions to investigate chemical reactions, the method of direct dynamics can be applied, in which the energy and forces of the system are computed directly from a quantum mechanical treatment. Ab initio MO-MD method, which is the molecular dynamics method based on ab initio MO calculations, has been extended to be able to take account of many solvent molecules based on the hybrid QM/MM-vib approach. We apply this method to organic reactions in solution to get an insight into the reaction mechanisms.

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In a nitride ceramic thin film, the fabrication of AIN and ZrN thin films was attempted by an Ar ion beam sputtering method. The ZrN thin film was fabricated by sputtering a Zr target in a nitrogen atmosphere, while the Al and nitrogen reaction required the bombardment of nitrogen ions. Fabrication for both was based on the reaction between nitrogen and Al or Zr atoms. Accordingly, clarifying the difference in reactions between nitrogen and Al or Zr required a theoretical analysis by an ab initio molecular orbital method. An ab initio molecular orbital method was used to analyze the reaction of nitrogen molecules to Al atoms or to Zr atoms. According to the method, the bond order of nitrogen atoms may decrease when they are approached by Zr atoms, while the bond order may change little when the nitrogen atoms are approached by Al atoms. The results of calculations indicated that nitrogen molecules react to Zr atoms more actively than to Al atoms.

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ヒドロキシインドール類における重水素置換位置を簡便な計算化学的方法を用いて定性的に予測できることを報告する。その方法は、分子構造を半経験的分子軌道法で最適化し、その構造と最小基底を用いたを用いて、骨格原子上の電荷を計算することが基本となっている。５つのモデル分子の計算結果は、水酸基に隣接する炭素原子の電荷が大きく、実験的にはその原子に結合している水素がラベル化される傾向がある。しかし立体障害がある場合はこの限りではない。立体障害などを考慮する必要がある場合もあるが、簡便な分子軌道計算により基本骨格分子の電荷分布を予め算出することで、ヒドロキシインドール類の重水素によるラベル化位置の予測を定性的に行うことが可能である。

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Ｃ型レクチンの１つであるマンノース結合蛋白質およびそのアミノ酸置換体と糖との結合性を、で計算した結果、実験を再現した。さらに、求めた物性より糖結合機構を推測した。

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量子力学が誕生して以来、は、分子の実用的な計算手法として進歩してきた。その過程で、量子化学者は、数式には現れない数々の問題の解決に、努力してきた。その事例を紹介すると共に、近年特に注目されているが、蛋白質などの生体分子の現実的な計算手法である、QM/MM法と呼ばれているマルチスケールシミュレーション手法の課題と将来展望についても、紹介する。

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によりヒドロフルオロカーボン (HFC) のCoF₃によるモノフッ素化反応の理論的研究を行い, 一フッ素化におけるラジカル中間体の計算エネルギーを算出した。これらの計算結果は炭素数2～4個のgeminal-difluoro HFCのモノフッ素化反応の位置選択性に一致した。

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大規模分子軌道計算ための初期分子構造パラメータを簡便に得るために、拡張ヒュッケル法で用いられるスレータ軌道のイクスポーネントを水素、炭素、窒素、酸素について求めた。また、全エネルギーのみを用いて分子構造パラメータを最適化するプログラムを開発した。これを用いると、炭化水素分子の分子構造パラメータを実験値と10%程度の誤差で得ることができた。拡張ヒュッケル計算では、計算時間の99%以上が行列要素の生成と対角化に用いられるため並列計算の効果が大きい。そのため、メッセージパッシングライブラリMPIをもちいて並列化された対角化のルーチンをもちいたプログラムの並列化を行った。DEC Alpha2116A/533MHz８台のPCクラスタを用いたDNAのHelix構造 （115原子：286次元 )分子の構造最適化を実行したところプロセッサ数８台まで90%以上の並列化効率が得られた。

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The pressure dependent rate constant for the reaction, SiH₄(g)→SiH₃(g)+H, has been unknown from the standpoints of both experiment and calculation. It is the basic data of the reaction path analysis for RPT (Reduced Pressure Thermal)-CVD from silane, and hence it is a valuable piece of information in science and technology in view of the reaction control. In this study, the pressure dependent rate constant was predicted using the RRKM theory aided by Ab-initio MO. It was calculated under conditions in which the temperatures were from 600 to 1500 K at intervals of 100 K, the pressures were 133.32×10¹⁰, 133.32×10⁸, 133.32×10⁶, 133.32×10⁴, 101.32×10³, 133.32×10², 133.32×10¹, 133.32×10⁰, 133.32×10⁻¹, 133.32×10⁻² and 133.32×10⁻³(Pa), and the third body was argon gas. The Arrhenius type rate expression was shown as follows:
(This article is not displayable. Please see full text pdf.)
\ oindentHere, the subscript of k stands for the pressure.

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水と二酸化炭素が反応して炭酸を生成する反応において、一分子の水より、二量体の水のほうが、二酸化炭素と反応しやすい。この二つの反応について半経験的分子軌道法(MOPAC)により量子化学計算を行った結果、のそれをよく再現し、十分信頼性のある反応プロフィールを描くことが分かった。計算結果に基づきコンピュータグラフィクス(CG)を作成し、動画にした。

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電子相関を組み入れたや,また物理的な妥当性を持つポテンシャルを用いた分子力学/動力学計算の重合触媒系への本格的な適用は'90年代に入って始まった.計算研究の対象はZiegler-Natta系触媒であり,特にメタロセン触媒は計算化学的にも分子設計しやすい均一系として特に注目され,最近は特性予測もなされ始めた.

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ホウ素同位体分離係数の予測を行うため、を用いて、ホウ酸 (B (OH)₃) 、ホウ酸イオン (B (OH) ₄^-) 、トリエタノールアミンボレート (TEA-B) について、構造の安定化と振動計算を行い、それぞれについてのホウ素同位体換算分配関数比を求めた。8種類の近似方法、10種類の基底で計算したところ、B (OH) ₃下B (OH) ₄^-下系、B (OH) ₃-TEA-B系とも、ホウ素同位体分離係数は約1.03となった。

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文部科学省と理化学研究所が、開発を進めている次世代スーパーコンピュータの重要応用分野としてライフサイエンスが取り上げられているが、その中のひとつにタンパク質を中心とした分子レベルでの生体機能解明に向けたアプローチがある。量子力学的な手法を数千から数万原子にも及ぶタンパク質複合系に直接適用することは、計算時間の観点から現実的ではなく、注目している化学事象に対する計算精度を堅持しながら、計算時間を大幅に短縮する計算手法が望まれている。QM/MM法は、そのような時代的な背景から大変注目されているアプローチである。本稿では、QM/MM法の考え方、その課題などについて概観すると共に、創薬への分子シミュレーション技術の適用について、大阪大学の進めている"創薬バリューチェーンプロジェクト" を例に、その最新成果を紹介する。

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Ab-initio LCAO Hartree-Fock分子軌道計算によりCPHF (Coupled Perturbed Hartree-Fock) 法を用いてポリアセチレンおよびポリジアセチレンオリゴマーの共役主鎖方向の3次非線形分極率γzzzzを計算した. 計算はポリアセチレンオリゴマーの非共鳴波長領域におけるTHG実測値を定量的に再現し, 妥当である. ポリアセチレンオリゴマーはポリジアセチレンオリゴマーと比較して大きなγzzzzを有し, 共役構造が3次非線形性に影響を及ぼすことが判明した. オリゴマーの計算より無限鎖長ポリマーの非線形性の大小関係を定性的に予測できることから, 共役系ポリマーの3次非線形性発現機構の空間的局所性が確認できる.

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我々はこれまで、生体高分子シミュレーションに向けた非経験的分子軌道計算システムの開発を行ってきた。今回、本システムに分子動力学計算を組み合わせ、分極効果も取り入れた新しいQM/MM(Quantum Mechanics/Molecular Mechanics)計算システムへと発展させた。このプログラム開発においては、異分野のシステムを容易に結合させるために、UDS(Universal Data Sets)を独自に提案し、QM/MMインタフェースの簡素化を図った。

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