研究紹介

バトンゾーン研究推進プログラム

中村特別研究室

特別招聘研究員 中村 振一郎 (Ph.D.)
中村 振一郎 (Ph.D.)

最終目的 光合成の初期過程はMnクラスター錯体によって2分子の水から1分子の酸素が発生する水の酸化反応です。光合成研究が躍進した現代でもこの分子レベルの作用機序は依然として未踏のまま残されています。これを量子力学に則って解明します。そしてその原理を用いた新たなナノサイズ電極をデザインし実証します。
研究の概要 現代文明の究極の課題は、光合成や視物質など生物系で実現されており、人工創造物がまだ到達できていない、美しくかつ高効率の材料を手にすることです。その実体は化学的エネルギーを極限的な高効率で力学的エネルギーに変換するナノ構造体です。一方、シリコンテクノロジーに代表される現代の工業製品は、負うている恩恵の大きさをけして忘れてはなりませんが、エネルギー源は化石燃料であり、部分的には高効率であっても原材料からの精製運搬、高価な精密加工と高精度化のための制御、そして廃棄物処理まで考えると系全体では生体に到底及ばず、排出されたエントロピーの増加という難問を抱えています。
この究極課題に立ち向かう着実な一歩として“光合成を可能にする生体ナノ領域場の研究”という課題を研究します。これは徹底的に生物に学ぶという基礎研究です。生物を生かして機能させている原理は、生体複雑系に特有な非決定論的な原理であり、現在の物質文明の人工的機械デバイスを律している決定論的な原理と根本的なところが違っています。生物は構造的な曖昧さやゆらぎを積極的に活用して機能しています。機械にとっては構造的なゆらぎはノイズであり、誤差の要因です。今後の環境とエネルギー問題そして健康にかかる問題の根本的な解決を目指すなら、35億年以上の進化によって鍛えられた営みという生存(営業)実績を持つ生物のこのような原理に学ばねばならないのです。
近年の単分子レベル計測技術の進歩、カオスやゆらぎ理論の飛躍的進展、計算科学技術の相転移的変容、これらの恩恵を受けつつ、信号処理・計算科学と実験科学が融合し、光合成初期過程の等価回路たる人工的ナノ構造電極の設計を目指します。
本研究室は、上記の公開テーマとともに民間企業にのみ存在する超難問を、企業と共同で研究しています

研究主分野

数物系科学

研究関連分野

複合領域 / 数物系科学 / 化学 / 工学 / 生物学 / 農学

キーワード

  • 量子化学
  • 産業界に必要な実践的計算科学・分子科学
  • 電極および電池材料
  • 光機能材料の設計・触媒設計
  • 推測統計学・Bayes統計

主要論文

  1. Kayo Koike, Kazuhiro Yamamoto, Satoshi Ohara, Tomoka Kikitsu, Kazunari Ozasa, Shinichiro Nakamura, Masakazu Sugiyama, Yoshiaki Nakano and Katsushi Fujii.:
    "Effects of NiO-loading on n-type GaN photoanode for photoelectrochemical water splitting using different aqueous electrolytes"
    Int. J. Hydrogen Energ., 42, 9493-9499 (2017).
  2. Noriko Fujinaga, Naoki Nishikawa, Ryo Nishimura, Kengo Hyodo, Seiji Yamazoe, Yuko Kojima, Kazuki Yamamoto, Tsuyoshi Tsujioka, Masakazu Morimoto, Satoshi Yokojima, Shinichiro Nakamura and Kingo Uchida.:
    "Photoinduced topographical changes on microcrystalline surfaces of diarylethenes"
    CrystEngComm, 18, 7229-7235 (2016).
  3. Eri Hatano, Masakazu Morimoto, Kengo Hyodo, Nobuhiro Yasuda, Satoshi Yokojima, Shinichiro Nakamura and Kingo Uchida.:
    "Photosalient Effect of a Diarylethene with a Perfluorocyclohexene Ring"
    Chem. Eur. J., 22, 12680 – 12683 (2016).
  4. Ryuji Hirayama, Atsushi Shiraki, Makoto Naruse, Shinichiro Nakamura, Hirotaka Nakayama,
    Takashi Kakue, Tomoyoshi Shimobaba and Tomoyoshi Ito.:
    "Optical Addressing of Multi-Colour Photochromic Material Mixture for Volumetric Display"
    Sci. Rep., 6, 31543 (2016).
  5. Ryo Nishimura, Kengo Hyodo, Haruna Sawaguchi, Yoshiaki Yamamoto, Yoshimune Nonomura, Hiroyuki Mayama, Satoshi Yokojima, Shinichiro Nakamura and Kingo Uchida.:
    "Fractal Surfaces of Molecular Crystals Mimicking Lotus Leaf with Phototunable Double Roughness Structures"
    J. Am. Chem. Soc., 138, 10299−10303 (2016).
  6. Makoto Hatakeyama, Koji Ogata, Katsushi Fujii, Vittal K. Yachandra, Junko Yano and Shinichiro Nakamura.:
    "Structural Changes in the S3 State of the Oxygen Evolving Complex in Photosystem II"
    Chem. Phys. Lett., 651, 243-250, (2016).
  7. Yusuke Noda, Kaoru Ohno and Shinichiro Nakamura.:
    "Momentum-dependent band spin splitting in semiconducting MnO2 : A density functional calculation"
    Phys. Chem. Chem. phys.,18, 13294-13303 (2016).
  8. Kazuki Takase, Kengo Hyodo, Masakazu Morimoto, Yuko Kojima, Hiroyuki Mayama, Satoshi Yokojima, Shinichiro Nakamura and Kingo Uchida.:
    "Photoinduced reversible formation of a superhydrophilic surface by crystal growth of diarylethene"
    Chem. Commun., 52, 6885-6887 (2016).
  9. Koji Ogata, Taichi Yuki, Makoto Hatakeyama, Waka Uchida and Shinichiro Nakamura:
    "All-Atom Molecular Dynamics Simulation of Photo system ⅡEmbedded in Thylakoid Membrane"J. Am. Chem. Soc., 135, 15670-15673 (2013).
  10. Kingo Uchida, Naoki Nishikawa, Norikazu Izumi, Seiji Yamazoe, Hiroyuki Mayama, Yuko Kojima, Satoshi Yokojima, Shinichiro Nakamura, Kaoru Tsujii and Masahiro Irie:
    "Phototunable Diarylethene Microcrystalline Surfaces: Lotus and Petal Effects upon Wetting"
    Angew. Chem., Int. Ed., 49, 5942-5944 (2010).

メンバーリスト

主宰者

中村 振一郎
特別招聘研究員

メンバー

緒方 浩二
研究員
畠山 允
研究員
諫田 克哉
研究員
宮﨑 敦子
研究員
内山 茂
リサーチアソシエイト
藤平 正道
客員主管研究員
佐藤 祐一
客員主管研究員
田邉 國士
客員主管研究員
後藤 武生
客員主管研究員
内田 欣吾
客員研究員
大野 かおる
客員研究員
立川 仁典
客員研究員
藤井 克司
客員研究員
横島 智
客員研究員