九州大学 研究者情報
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辻 雄太(つじ ゆうた) データ更新日:2019.07.30



主な研究テーマ
グラフ理論に基づく分子伝導性の理論的研究
キーワード:グラフ理論、コンダクタンス、隣接行列、グリーン関数
2017.12.
金属酸化物ー金属クラスター複合体界面における触媒反応の理論的研究
キーワード:酸化セリウム、Niクラスター、メタン、C-H結合活性化
2017.11.
新規エレクトライド物質の探索
キーワード:エレクトライド, データベース, 密度汎関数法, バンド計算,
2018.06.
群知能を利用した結晶構造探索
キーワード:結晶構造探索, 群知能, 密度汎関数法, バンド計算, エレクトライド
2018.05.
触媒の探索のためのインフォマティクス研究
キーワード:インフォマティクス, メタン, 密度汎関数法, 金属表面,
2018.01.
分子ワイヤーにおける量子干渉現象についての理論的研究
キーワード:分子ワイヤ, コンダクタンス, 量子干渉, 分子エレクトロニクス
2018.01.
接着剤樹脂と金属材料との界面での接着相互作用の理論的研究
キーワード:エポキシ樹脂, 金, 接着, 密度汎関数法
2018.01.
接着剤樹脂とh-BNとの界面での接着相互作用の理論的研究
キーワード:エポキシ樹脂, 六方晶窒化ホウ素, 接着, 密度汎関数法
2018.01.
金属酸化物表面での触媒反応に関する理論的研究
キーワード:金属酸化物, メタン, 密度汎関数法, 触媒
2018.01.
従事しているプロジェクト研究
複合アニオンによる触媒活性制御
2019.04~2021.03, 代表者:辻 雄太, 九州大学, 九州大学
本研究では酸化物表面における配位不飽和な金属上での触媒反応を酸化物イオンとは別のアニオンの存在により活性を制御する触媒系の理論的設計を目的としています。具体的には天然ガスの主成分であるメタンの改質のために必要となるC-H結合の活性化をターゲットとしています。複数のアニオンの協奏により、配位不飽和な表面金属サイトのd軌道の準位を制御し、従来の酸化物では見られない触媒活性の制御の実現を目指して理論的な研究に取り組んでいます。
1. アニオン-金属相互作用に伴う電子状態の変化の解析
2. 表面と吸着分子の相互作用に及ぼす異種アニオンの効果の解析
3. 表面化学反応の遷移状態と活性化エネルギーに及ぼす異種アニオンの効果の解析
.
粒子群最適化および進化論的アルゴリズムを利用した結晶構造予測による物質探索
2018.04~2019.03, 代表者:辻 雄太, 九州大学, 九州大学
ある無機化合物の性質を組成式の情報のみ(構成原子の電子配置や電気陰性度など)に基づいて予測することができれば、様々な電気的・磁気的性質を示す化合物の設計が可能となり、従来の機能を超える新材料の開発へとつながるだろう。そこで本研究では、近年触媒や電子デバイスの分野で注目を集めている電子化物(エレクトライド)を例として取り上げ、その結晶構造を粒子群最適化アルゴリズムおよび進化論的アルゴリズムを用いて予測し、第一原理計算によって電子状態を解析することによって、その特性(安定性や仕事関数など)をキャラクタリゼーションする研究スキームを確立する。最終的には組成式ー構造ー物性の間にある相関原理の解明を目指す。.
分子集合体における量子干渉現象の予測と制御
2017.04~2019.03, 代表者:辻 雄太, 九州大学, 九州大学
本研究では、金属電極あるいはナノカーボン電極の間に挟まれた分子集合体における伝導計算を通して、分子集合体内での電荷輸送における量子干渉効果の解明、予測、制御を目指す。
 量子干渉現象とは、伝導電子の量子力学的な位相の重ね合わせにより、伝導電子の振幅が著しく増大したり減衰したりすることである。近年の単分子技術の進展により、単一分子内での電子輸送における量子干渉現象は実験的にも観測されている。
最近では、分子集合体についても量子干渉現象ではないかと思われる実験的結果がいくつか報告されつつある。本研究計画ではこの問題の解決に理論化学の観点からアプローチする。.
CREST革新的触媒
2018.01~2020.03, 代表者:吉澤一成, 九州大学, JST
本研究領域は、多様な天然炭素資源をバランスよく活用できる将来の産業基盤の確立に向けて、その根幹をなすメタンをはじめとするアルカンガス資源を従来にない形で有用な化成品・エネルギーに変換するための革新的な触媒の創出を推進します。
 埋蔵量が豊富な天然ガス等に含まれるメタンをはじめとするアルカンガス資源からこれまでにない技術で化成品やエネルギーへの変換が容易にできるようになれば、現代社会が直面する石油依存という問題からの脱却や二酸化炭素排出低減も可能になります。しかし、メタンなどのアルカンガス資源を直接化成品などに変換するプロセスは難度が高く、メタンの改質によって生成する合成ガス(CO+H2)を経由するなどの間接的なプロセスを利用しているのが現状です。
 この高難度な課題を克服することが本研究領域の主眼であり、高度な触媒技術を生み出す新しい取り組みを推進します。そのためには、近年進化しているデータ科学、計算科学、計測技術などと連携することによって、これまでに蓄積された触媒に関する経験知を非連続的に飛躍させることが重要です。
 本研究領域では、特に難度が高いメタンを反応基質とする研究を基軸に据えます。エタンやプロパン等の低級アルカンを反応基質とする反応については、既知の手法に比較して圧倒的に高活性・高選択性を目指す革新的な触媒研究を対象とします。
 将来的に、化学産業における天然ガス等の資源の新たな活用を切り開き、ひいては新たな産業基盤の確立につながる、本格的にして世界をリードできる触媒研究を推進します。.
研究業績
主要原著論文
1. Yuta Tsuji, Aleksandar Tsekov Staykov, Kazunari Yoshizawa, Orbital views of molecular conductance perturbed by anchor units, Journal of the American Chemical Society, 10.1021/ja111021e, 133, 15, 5955-5965, 2011.04, [URL], Site-specific electron transport phenomena through benzene and benzenedithiol derivatives are discussed on the basis of a qualitative Hückel molecular orbital analysis for better understanding of the effect of anchoring sulfur atoms. A recent work for the orbital control of electron transport through aromatic hydrocarbons provided an important concept for the design of high-conductance connections of a molecule with anchoring atoms. In this work the origin of the frontier orbitals of benzenedithiol derivatives, the effect of the sulfur atoms on the orbitals and on the electron transport properties, and the applicability of the theoretical concept on aromatic hydrocarbons with the anchoring units are studied. The results demonstrate that the orbital view predictions are applicable to molecules perturbed by the anchoring units. The electron transport properties of benzene are found to be qualitatively consistent with those of benzenedithiol with respect to the site dependence. To verify the result of the Hückel molecular orbital calculations, fragment molecular orbital analyses with the extended Hückel molecular orbital theory and electron transport calculations with density functional theory are performed. Calculated results are in good agreement with the orbital interaction analysis. The phase, amplitude, and spatial distribution of the frontier orbitals play an essential role in the design of the electron transport properties through aromatic hydrocarbons..
2. Yuta Tsuji, Roald Hoffmann, Frontier orbital control of molecular conductance and its switching, Angewandte Chemie - International Edition, 10.1002/anie.201311134, 53, 16, 4093-4097, 2014.04, [URL], For transmission of electrons through a π system, when the Landauer theory of molecular conductance is viewed from a molecular orbital (MO) perspective, there obtains a simple perturbation theoretic dependence, due to Yoshizawa and Tada, on a) the product of the orbital coefficients at the sites of electrode attachment, and b) the MO energies. The frontier orbitals consistently and simply indicate high or low transmission, even if other orbitals may contribute. This formalism, with its consequent reinforcement and/or interference of conductance, accounts for the (previously explained) difference in direct vs. cross conjugated transmission across an ethylene, as well as the comparative ON/OFF ratios in the experimentally investigated dimethyldihydropyrene and dithienylethene-type single-molecule switches. A strong dependence of the conductance on the site of attachment of the electrodes in a π system is an immediate extrapolation; the theory then predicts that for some specified sites the switching behavior will be inverted; i.e. the "open" molecular form of the switch will be more conductive. The phase and amplitude of the frontier molecular orbitals at the sites that are connected to electrodes play an essential role in determining transmission of electrons through a π system. When applied to two diarylethene switches, theory then predicts that for some specified sites the switching behavior will be inverted; that is, the "open" molecular form of the switch will be more conductive..
3. Yuta Tsuji, Ramis Movassagh, Supriyo Datta, Roald Hoffmann, Exponential Attenuation of Through-Bond Transmission in a Polyene
Theory and Potential Realizations, ACS Nano, 10.1021/acsnano.5b04615, 9, 11, 11109-11120, 2015.11, [URL], An exponential falloff with separation of electron transfer and transport through molecular wires is observed and has attracted theoretical attention. In this study, the attenuation of transmission in linear and cyclic polyenes is related to bond alternation. The explicit form of the zeroth Green's function in a Hückel model for bond-alternated polyenes leads to an analytical expression of the conductance decay factor β. The β values calculated from our model (βCN values, per repeat unit of double and single bond) range from 0.28 to 0.37, based on carotenoid crystal structures. These theoretical β values are slightly smaller than experimental values. The difference can be assigned to the effect of anchoring groups, which are not included in our model. A local transmission analysis for cyclic polyenes, and for [14]annulene in particular, shows that bond alternation affects dramatically not only the falloff behavior but also the choice of a transmission pathway by electrons. Transmission follows a well-demarcated system of π bonds, even when there is a shorter-distance path with roughly the same kind of electronic matter intervening..
4. Yuta Tsuji, Roald Hoffmann, Mikkel Strange, Gemma C. Solomon, Close relation between quantum interference in molecular conductance and diradical existence, Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 10.1073/pnas.1518206113, 113, 4, E413-E419, 2016.01, [URL], An empirical observation of a relationship between a striking feature of electronic transmission through a π-system, destructive quantum interference (QI), on one hand, and the stability of diradicals on the other, leads to the proof of a general theorem that relates the two. Subject to a number of simplifying assumptions, in a π-electron system, QI occurs when electrodes are attached to those positions of an N-carbon atom N-electron closed-shell hydrocarbon where the matrix elements of the Green's function vanish. These zeros come in two types, which are called easy and hard. Suppose an N+2 atom, N+2 electron hydrocarbon is formed by substituting 2 CH2 groups at two atoms, where the electrodes were. Then, if a QI feature is associated with electrode attachment to the two atoms of the original N atom system, the resulting augmented N+2 molecule will be a diradical. If there is no QI feature, i.e., transmission of current is normal if electrodes are attached to the two atoms, the resulting hydrocarbon will not be a diradical but will have a classical closed-shell electronic structure. Moreover, where a diradical exists, the easy zero is associated with a nondisjoint diradical, and the hard zero is associated with a disjoint one. A related theorem is proven for deletion of two sites from a hydrocarbon..
5. Yuta Tsuji, Prasad L.V.K. Dasari, S. F. Elatresh, Roald Hoffmann, N. W. Ashcroft, Structural Diversity and Electron Confinement in Li4N
Potential for 0-D, 2-D, and 3-D Electrides, Journal of the American Chemical Society, 10.1021/jacs.6b09067, 138, 42, 14108-14120, 2016.10, [URL], In pursuit of new lithium-rich phases and potential electrides within the Li-N phase diagram, we explore theoretically the ground-state structures and electronic properties of Li4N at P = 1 atm. Crystal structure exploration methods based on particle swarm optimization and evolutionary algorithms led to 25 distinct structures, including 23 dynamically stable structures, all quite close to each other in energy, but not in detailed structure. Several additional phases were obtained by following the imaginary phonon modes found in low-energy structures, as well as structures constructed to simulate segregation into Li and Li3N. The candidate Li4N structures all contain NLin polyhedra, with n = 6-9. They may be classified into three types, depending on their structural dimensionality: NLin extended polyhedral slabs joined by an elemental Li layer (type a), similar structures, but without the Li layer (type b), and three-dimensionally interconnected NLin polyhedra without any layering (type c). We investigate the electride nature of these structures using the electron localization function and partial charge density around the Fermi level. All of the structures can be characterized as electrides, but they differ in electronic dimensionality. Type-a and type-b structures may be classified as two-dimensional (2-D) electrides, while type-c structures emerge quite varied, as 0-D, 2-D, or 3-D. The calculated structural variety (as well as detailed models for amorphous and liquid Li4N) points to potential amorphous character and likely ionic conductivity in the material..
主要総説, 論評, 解説, 書評, 報告書等
主要学会発表等
1. Yuta Tsuji, Kazunari Yoshizawa, Frontier Orbital Perspective for Electron Transport in Alternant and Nonalternant Hydrocarbons
, ICPAC 2018, 2018.03, The wave-particle duality of electrons gives rise to quantum interference (QI) in single
molecular devices. A significant challenge to be addressed in molecular electronics is to
further develop chemical intuition to understand and predict QI features. In this study, an
orbital rule is markedly ameliorated so that it can capture the manifestation of QI not only in
alternant hydrocarbons but also in nonalternant ones. The orbital-based prediction about the
occurrence of QI in a nonalternant hydrocarbon shows good agreement with experimental
results. A simple perturbation theoretic line of reasoning suggests that frontier orbital phase
and splitting play a pivotal role in QI phenomena..
その他の優れた研究業績
2018.04, 原子をノード、結合をエッジと見なせば分子はグラフと考えることができる。そのため、分子の性質をグラフに基づいて理解することは興味深い研究課題である。本研究では単一分子の伝導性における量子効果と分子をグラフとしてみた場合の歩数の間に密接な関係があり、高伝導性のためには奇数歩の経路の存在が重要であることを明らかにした。(Chem. Rev. 2018, 118, 4887-4911).
2018.10, 単分子の伝導性と単分子のジラジカル性の間に重要な相関を発見し、分子鎖超に応じて伝導性が増加するという現象をジラジカル性の観点から理解することを可能にした。(Nano Lett. 2018, 18, 7298-7304).
2019.03, 原子価結合理論に基づき、交差共役したポリエンの電子状態について解析を行い、分子エレクトロニクスとの関係を明らかにした。(J. Am. Chem. Soc. 2019, 141, 6030-6047).
2017.01, フロンティア軌道理論と非平衡グリーン関数法に基づき、分子ワイヤーにおける電荷輸送過程の基礎的研究を行った(J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 5955).
2015.08, 分子接合における電極―π骨格―電極構造とジラジカルにおけるスピン―π骨格―スピン構造との類似性に着目し、コペンハーゲン大学のSolomon教授らと共同研究を行い、量子干渉とジラジカル性およびそのスピン多重度との間に重要な相関があることを明らかにした(Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A., 2016, 113, E413).
学会活動
所属学会名
アメリカ化学会
日本コンピュータ化学会
理論化学研究会
分子科学会
日本化学会
学会大会・会議・シンポジウム等における役割
2018.09.10~2018.09.13, 第12回分子科学討論会2018福岡, 実行委員.
2018.11.01~2018.11.02, 第51回酸化反応討論会2018(福岡), 実行委員.
2018.06.15~2018.06.16, 第2回統合物質創製化学研究推進機構(IRCCS)若手の会, 九大側窓口.
学術論文等の審査
年度 外国語雑誌査読論文数 日本語雑誌査読論文数 国際会議録査読論文数 国内会議録査読論文数 合計
2018年度 10        10 
2017年度 31        31 
その他の研究活動
海外渡航状況, 海外での教育研究歴
サンノゼ州立大学, UnitedStatesofAmerica, 2017.03~2017.03.
サンノゼ州立大学, UnitedStatesofAmerica, 2017.02~2017.02.
コペンハーゲン大学, Denmark, 2015.08~2015.08.
コペンハーゲン大学, Denmark, 2015.07~2015.07.
コーネル大学, UnitedStatesofAmerica, 2013.05~2016.03.
受賞
福井謙一奨励賞, 京都大学福井謙一記念研究センター, 2017.01.
BCSJ賞, 日本化学会, 2012.06.
未来分子システム科学リサーチプロポーザル賞, 九州大学グローバルCOEプログラム, 2012.02.
Fujitsu Poster Prize, 7th Congress of the International Society for Theoretical Chemical Physics, 2011.09.
九州大学学生表彰, 九州大学, 2009.03.
研究資金
科学研究費補助金の採択状況(文部科学省、日本学術振興会)
2019年度~2020年度, 新学術領域研究, 代表, 複合アニオンによる触媒活性制御.
2018年度~2019年度, 新学術領域研究, 代表, 粒子群最適化および進化論的アルゴリズムを利用した結晶構造予測による物質探索.
2017年度~2019年度, 若手研究(B), 代表, 分子集合体における量子干渉現象の予測と制御.
日本学術振興会への採択状況(科学研究費補助金以外)
2014年度~2015年度, 海外特別研究員, 代表, 分子スピントロニクスの実現に向けた開殻π共役系における量子輸送に関する理論的研究.
2011年度~2013年度, 特別研究員, 代表, 生体分子デバイスの構築に向けた生体内電子移動に関する理論的研究.
学内資金・基金等への採択状況
2017年度~2017年度, QRプログラム、わかばチャレンジ, 代表, 群知能と第一原理計算による結晶構造ポテンシャル面探索による新規電子化物の設計.

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