水の赤外光物性を定量的に計算可能な手法を開発~地球大気や星間空間の水の構造解明に貢献~

2025-12-10 東京大学,埼玉大学科学技術振興機構

東京大学・埼玉大学・JST の研究グループは、水や氷の赤外光物性を定量的に計算できる新しい量子古典混合法を開発した。従来手法は赤外スペクトルの形状は再現できても、複素屈折率や吸収断面積など縦軸の絶対値を扱えず、微粒子・薄膜など界面効果の強い水の構造解析には限界があった。本研究では誘電体の線形応答理論にもとづき手法を再構築し、複素誘電率の実部・虚部を同時に計算可能としたほか、「局所場補正」を導入することで精度が大幅に向上した。分子動力学計算による水の OH 伸縮振動領域の計算結果は実験値とよく一致し、手法の定量性が確認された。これにより、雲粒子や氷星間塵など地球大気・宇宙に存在する水の微粒子や薄膜の赤外スペクトルを理論的に予測できる基盤が整い、地球科学・天文学に大きく貢献することが期待される。

水の赤外光物性を定量的に計算可能な手法を開発~地球大気や星間空間の水の構造解明に貢献~
量子古典混合法による水の複素屈折率の計算結果と実験値との比較

<関連情報>

複素屈折率の定量的計算のための拡張量子/古典混合アプローチ An Extended Mixed Quantum/Classical Approach for Quantitative Calculation of Complex Refractive Index

Ian F. Mochida,Tetsuyuki Takayama,Shoichi Yamaguchi,Tetsuya Hama
The Journal of Physical Chemistry Letters  Published: December 10, 2025
DOI:https://doi.org/10.1021/acs.jpclett.5c02887

Abstract

The mixed quantum/classical approach of Skinner and co-workers has been widely used to calculate the line shapes of the infrared spectra of water (H2O), but less attention has been paid to the use of this approach in quantitatively calculating spectral intensity, thereby limiting direct comparisons of calculated and experimental spectra. Here, we extend this theoretical framework to facilitate direct computation of the full complex refractive index of water, replacing the normalized ordinate used in previous studies. Our results for the OH stretching region of H2O capture both the shapes and intensities of the experimental spectra. They reveal that inclusion of the local field effect is crucial to the accurate reproduction of spectral intensity. This extended approach enables new areas of analysis of the bulk, thin-film, and cluster spectra of water.

1700応用理学一般
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