Development of automated methods for generating chemical reaction networks based on phase space geometry

基于相空间几何生成化学反应网络的自动化方法的开发

• 批准号: 20K15224
• 负责人: 水野 雄太
• 金额: $ 2.75万
• 依托单位: Hokkaido University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
• 财政年份: 2020
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2020-04-01 至 2024-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-20K15224/
• 关键词: 化学反応動力学; 相空間幾何学; 非統計的化学反応; Lie正準変換摂動論; Voronoi分割; 教師あり主成分分析; 第一原理分子動力学法; 化学反応ダイナミクス; 化学反応ネットワーク

本研究課題の目的は，動力学効果を考慮した反応経路図を相空間幾何学と第一原理分子動力学計算に基づき自動作成するプログラムを開発することである．化学反応動力学系の相空間は原子の位置と運動量を軸とする空間であり，分子の運動の様子は相空間内の軌道で表される．動力学効果が顕著な系では，同一の反応性をもつ複数の軌道が束状の構造（＝動力学的反応経路）をなす．相空間の断面をとったとき，反応性軌道の束の断面はReactive Island (RI)とよばれる構造をなす．RIを計算することで，異なる動力学的反応経路の接続関係などの情報を得ることができる．昨年度出版したVoronoi分割を用いたRI計算法は，Voronoi分割によりRIの構造を近似し，その近似RIの境界上の点を初期値とする分子動力学計算により新たな軌道サンプルデータを追加していくことで，効率的にRI境界の近似精度を上げていく計算法である．Voronoi分割を用いたRI計算法をはじめとして，一般にRI構造の計算には次元の呪いの問題がある；大自由度系のRI構造は高次元構造であり，その計算には指数関数的な計算コストがかかる．実在の化学反応系は，いままで相空間幾何学が対象としてきたモデル系に比べると大自由度である．したがって，実在化学反応系の動力学的反応経路図の作成を目指す本研究においては，この次元の呪いの問題を解決する必要がある．そこで今年度は，この次元の呪いを解くために，大自由度系のRI構造の計算のための次元削減法を開発した．本手法では，(1)相空間の断面上で初期値をサンプリングして軌道計算を行い，(2)各初期値に対して軌道計算の結果から反応性のラベルをつけ，(3)この反応性ラベルを考慮して教師あり主成分分析により相空間断面の次元削減を行う．本手法の有効性を多自由度モデル系と実在化学反応系に適用し，有効性を確認した．

The purpose of this research topic の は, dynamic working fruit を consider し た anti 応 経 road 図 を と first principle molecular dynamics calculation phase space geometry に base づ き automatically done す る プ ロ グ ラ ム を open 発 す る こ と で あ る. Chemical anti 応 の department of power phase space は atomic の position と exercise を shaft と す る space で あ り, molecular の movement の others child の は phase space orbit で table さ れ る. The dynamic effect が顕 of the な is で をなす, and the same <s:1> anti応 を で <s:1> <s:1> complex <s:1> orbital が bundle <s:1> structure (= the anti応 path of dynamics) をなす. Phase space の section を と っ た と き, anti 応 sex orbit の の section beam は Reactive Island (RI) と よ ば れ る tectonic を な す. RI を computing す る こ と で, different な る dynamics of 応 経 road の 続 masato is な ど の intelligence を る こ と が で き る. Yesterday published annual し た Voronoi を segmentation using い た は, calculation method of RI Voronoi segmentation に よ り RI の tectonic を approximate し そ の approximate RI の realm を の points on the initial numerical と す る molecular dynamics calculation に よ り new た な orbit サ ン プ ル デ ー タ を additional し て い く こ と で, The approximate accuracy of the にRI realm of efficiency is を and the calculation method of げて く く is である. Voronoi を segmentation using い た を calculation method of RI は じ め と し て, general に の RI structure calculation に は dimensional の 呪 い の problem が あ る; For large degrees of freedom systems, the construction of <s:1> RI, the construction of <s:1> higher dimensions, the construction of であ, the calculation of そ, the calculation of に exponent, the な calculation of コストが, そ, and る. Be in の chemical 応 は, い ま ま で phase space geometry が like と seaborne し て き た モ デ ル department に than べ る と degree で あ る. し た が っ て, be in chemical against 応 is の dynamics against 応 経 road 図 の made を refers す this study に お い て は, こ の dimensional の 呪 い の を solve す る necessary が あ る. そ こ で our は, "こ の dimensional の 呪 い を solution く た め に, large degrees of freedom is の の RI structure calculation の た め の dimensional reduction method を open 発 し た. This technique で は, (1) on the phase space の section on early で numerical を サ ン プ リ ン グ し て orbital を "い, (2) on the initial numerical に し seaborne て orbit calculation results の か ら anti 応 sex の ラ ベ ル を つ け, (3) こ の anti 応 sex ラ ベ ル を consider し て teachers あ り pca に よ り phase space section cut line を う の dimensional. This technique has the efficacy of を multi-degree-of-freedom モデ と system と, which is actually applicable to に in the chemical reaction 応 system, and its efficacy is を confirmed to be た.

项目成果

主成分分析により抽出した少数自由度におけるハミルトン系の構成

主成分分析提取的少自由度哈密顿系统的构建

• 发表时间: 2021
• 作者: 田中綾一;水野雄太;堤拓朗;ミカイルチツベロ;武次徹也;小松崎民樹
• 通讯作者: 小松崎民樹

主成分分析による自由度の削減手法の開発 : [1,3]シグマトロピー転移の類似反応を例に

开发一种使用主成分分析降低自由度的方法：以[1,3] sigmatropic转变的类似反应为例

• 发表时间: 2021
• 作者: 田中綾一;水野雄太;堤拓朗;ミカイルチツベロ;武次徹也;小松崎民樹
• 通讯作者: 小松崎民樹

主成分分析を用いた次元縮約法による化学反応動力学の相空間構造の可視化

使用主成分分析通过降维方法可视化化学反应动力学的相空间结构

• 发表时间: 2022
• 作者: 田中 綾一;水野 雄太;堤 拓朗;チツベロ ミカイル;戸田 幹人;武次 徹也;小松崎 民樹
• 通讯作者: 小松崎 民樹

A Theoretical Study of Organic Reaction Dynamics in a Low Dimensional Space Reduced by Principal Component Analysis

主成分分析法降维低维空间有机反应动力学的理论研究

• 发表时间: 2022
• 作者: Ryoichi Tanaka;Yuta Mizuno;Takuro Tsutsumi;Mikhail Tsitsvero;Mikito Toda;Tetsuya Taketsugu;Tamiki Komatsuzaki
• 通讯作者: Tamiki Komatsuzaki

化学反応の特徴を保ちながら効果的に自由度を縮約する手法の研究

有效降低自由度同时保留化学反应特性的方法研究

• 发表时间: 2022
• 作者: 田中綾一;水野雄太;堤拓朗;ミカイルチツベロ;戸田幹人;武次徹也;小松崎民樹
• 通讯作者: 小松崎民樹