化学反応をプログラミングで解く

前田 理 教授　MAEDA Satoshi／理論化学研究室

ひたすら電子のシュレディンガー方程式を解く、これに尽きます

私たちの研究室では、シュレディンガー方程式という量子力学の方程式を解いて、原子や分子の挙動を調べています。シュレディンガー方程式が見つかったのは1926年なのですが、当時はそれを解いて実際の化学反応を計算することが難しかったんです。それが100年ほどかけて解法とコンピュータの発展とともにずいぶんと解けるようになり、現実的な化学反応のシミュレーションが可能になってきました。

私が研究を始めた2000年代前半は、方程式の解をどううまく使って化学反応を記述するかといった理論開発がまだ不十分な時代でした。東北大学大学院の化学専攻に入った時、プログラミングやアルゴリズムを考えることが好きだった私の適性を指導教員の先生が見出して、この分野へと導いてくれて、やってみたらハマったというのがきっかけです。

原子核の動きから化学反応を割り出す

化学式を想像してみると、静止した原子核の配置をイメージするかもしれませんが、実際には原子核は動いています。その配置の変化に応じたエネルギーの推移を考慮しなければ化学反応の探索はできません。

つまり、反応させたい分子の組み合わせが決まったら、それらの中の原子核の動きを調べるわけです。このとき、電子の運動は原子核の運動とは切り離して取り扱い、電子のシュレディンガー方程式の解が原子核の配置に対して一意に定まると近似します。

一旦原子核の配置を決めれば、電子のシュレディンガー方程式は電子がどのように原子核の周りを運動しているかを表す方程式ですから、電子の運動がわかり、分子全体のエネルギーが導き出せます。原子核の配置を変えると、電子の運動の様子も変わります。すると分子全体のエネルギーも変わります。

このように原子核の配置を変えながら、異なる原子核配置での電子のシュレディンガー方程式を繰り返し解いていき、分子が安定し、反応する時のエネルギーが一番低くなる原子核の配置を探っていきます。

理論化学でも様々なアプローチがあります

理論化学といっても、計算プログラムを使って反応のシミュレーションをする人、アルゴリズムを探求しさらに効率を上げようとする人、数式に立ち戻り理論の開発をする人など、アプローチは様々です。

２、３年前までは、実験の人と一緒に「実験でこんな反応があったけどどのように反応しているのか知りたい」といった実際の反応のメカニズムを調べる研究が多かったのですが、最近では、実験前に「これとこれを混ぜたらどうなるか？」といった反応の予測を実験の人にフィードバックして実験の数を減らす研究が盛んになってきています。

私たちが進めているERATOのプロジェクトでは、シミュレーションの結果として得られる反応経路ネットワークをデータベース化し、その解析によって新反応を提案するAIを構築する研究をしています。また、私が代表を務めているWPI-ICReDDという北大の国際的な分野横断型のプロジェクトでは、計算科学、情報科学、実験科学を融合し、化学反応の発見の仕方を革新する研究を進めています。