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Materials Studio

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QMERA

量子力学計算(QM)と分子力学計算(MM)のハイブリッド法により効率的なシミュレーションを可能に

量子力学計算(QM)と、分子力学計算(MM)のハイブリッド手法により、大規模モデルに対する高精度な計算を短時間で実行。活性部位が化学的に局在しているようなモデル、例えば化学反応性の問題などに対して特に適し、ナノチューブやナノクラスタ、非晶質体におけるこのような問題にも活用できます。

ナノテクノロジ、薬品、石油化学、触媒、ファインケミカルと特殊化学品などの分野において、多くの原子を持つ系の化学的性質を理解することは、製品とプロセスの改善のために非常に重要です。たとえば触媒の分野では、金属表面の特定部位あるいはゼオライトの細孔で、反応がどのように進むかを理解することが重要です。同様に薬物の開発では、薬物の代謝につながる反応経路を理解することが重要になります。これらの種類の系(反応性に影響を与えることができる多くの原子で囲まれた局所的な活性部位を持つ系)は、QM/MM のハイブリッド法を使用したQMERAの最適な適用分野と言えます。この方法は量子力学の精度と力場計算の速さを兼ね備えています。

QMERAのメリット --- ハイブリッドQM/MM

Materials Studio の QMERA モジュールでは、MS DMol3の DFT 計算と MS GULP2の力場計算を組み合わせることでシミュレーションを行います。QMERA では、何百、何千の原子からなる、以下のような系のモデリングに使用できます。

  • 有機分子
  • ポリマー
  • 有機金属
  • 酸化金属クラスタ
  • ナノチューブ
  • ナノクラスタ

また、以下のようなさまざまな物性の予測に使用できます。

  • 構造
  • 反応熱力学
  • 反応速度
  • 電子物性

QMERAの主要な用途

不均一触媒および均一触媒

QMERAを使用すると、不均一触媒および均一触媒の反応を非常に速く、しかも信頼性の高い計算でスクリーニングすることができます。これはDFT計算を系の一部だけに使用して計算するためです。QMERAで構造最適化を完全に行うために必要な時間は、純粋なDFT計算で同じ計算に必要な時間の約1/8ですみます。さらに、QMERAで計算される反応エネルギーの精度は純粋なDFT計算の結果とほぼ同等です。


候補物質の仮想的スクリーニング

QMERAは、候補物質の仮想的なスクリーニング実験を行うときに使用できます。この高速なQM/MMのハイブリッド法を使用すると、候補物質を高速にスクリーニングして実際に実験すべき主要な候補だけを挙げることができます。このため、可能性のあるすべての候補に対して実験を行うのに比べ、低コストで必要な情報を得ることができます。QMERAは以下の処理に使用できます。

  • 複数の試薬のスクリーニング
  • 合成経路の改良の提案
  • 触媒作用に対するさまざまな組成のナノクラスタの試験
  • カーボンナノチューブの複数の欠陥部位の精査

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QMERAが実行できる計算の種類

Materials Studio の QMERAモジュールでは、DFTと力場を使用してハイブリッド計算を行うことができます。QMERAでは、現在以下の異なる3つの計算を行うことができます。

  • エネルギー一点計算
  • 構造最適化
  • 遷移状態の最適化

これらの各計算では、あらかじめ指定することにより、以下の化学および物理特性を計算できます。

  • 原子のポピュレーション解析(Hirshfeld,MullikenESP電荷)
  • 基準振動解析
  • 分子軌道(MO)
  • 電荷密度
  • 静電ポテンシャル

QMERA1
QMERAで計算したRu(H)2(ジホスフィン) (ジアミン) 複合体。
QMERAでは、この系を効率良く計算できます。ごくわずかな原子だけを量子力学で処理するため、高速かつ正確な計算ができます。

QMERA2
QMERAを使用した、カーボンナノチューブにおけるStone-Wales欠陥形成エネルギの調査

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