化学は、化学物質の性質や構造、物質相互間の化学反応を研究する自然化学の一部門とされ、「生活に有用な分子や材料を設計したい」という目的のもとで、研究や開発が進められています。化学研究には、実際の薬品や材料を使って実験を行う方法もありますが、今回はそれらを使わず、数式やコンピュータを使って実験を行い、分子の性質を調べる「計算化学」という方法を紹介します。まず、計算化学のメリットは、分子をコンピュータの中で手軽に組み立てて、手早く対象の性質を調べることができる点です。また、計算対象の大きさに制限はありますが、爆発物などの実験が難しい分子を調べることができるのも利点です。次に、計算化学でよく使われる手法として、材料の硬さや熱の伝導率、融点や沸点などの情報を得ることのできる「分子動力学法」(原子の運動に着目した手法)をはじめ、分子自体の詳細な性質や、分子結合の化学反応の様子、光吸収スペクトルなどを調べる「量子化学」(電子の運動に着目した手法)があります。この授業では実際に学生に、pHによって色の変わるフェノールフタレイン溶液を例に、塩基性~中性~酸性での色の変化を、量子化学計算を使ってパソコン上でモデル化する作業に取り組んでもらいました。電子や原子核の振る舞いを決めている「自然法則」(物理法則)が基礎にあり、それを数値的に解いていくことで、分子の性質が調べられることを実感してもらい、量子力学や物理化学への興味のきっかけとなることを願っています。

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田代 基慶准教授理工学部 応用化学科 理論・計算化学研究室

  • 専門:理論・計算化学、化学反応動力学、原子分子物理
  • 掲載内容は、取材当時のものです