[スポンサーリンク]

一般的な話題

計算化学:DFT計算って何?Part II

[スポンサーリンク]

 

近年、DFT計算により実験結果をサポートする論文が増えて来ています。実験屋さんでも計算化学についての知識を持つことは必須となりつつあります。

しかし、DFTって何なのでしょうか?DFT計算が一般的になりつつある昨今、「DFT計算って何?」という基本的な質問をしにくい雰囲気があると思います。

周りの人に思い切って聞くことができず、夜中にこっそりWikipediaで調べてみても「密度汎関数法」と書いてあるだけで「???」な感じです。そう、計算化学を分かりやすく説明しているウェブサイト、教科書はあまりないのです。計算化学が一部の人にしか普及しないのは、難しいとかではなく、バイブル的な教科書が存在しないためだと個人的には思っています。

 

前回の「汎関数って何?」という記事のpart IIに当たる今回の記事では、量子化学計算のかんたんな歴史から説明し、次の記事(PartIII)と併せて、初心者の人でもDFT計算が何かを理解できるようにしようと思います。

今回の記事でも細かいところは省略していくので、詳細を知りたい勉強熱心な読者の方は一番下の参考図書を読んで下さいね!

 

量子力学の発展

量子化学歴史

前回の記事に書いたように、「物質の性質、反応性は、その物質の電子状態が分かれば予測できる」という考えに基づき、有機化学者は量子化学計算を行なっています。電子状態を知る=シュレーディンガー方程式を解くということになっています。

 

このシュレーディンガー方程式ですが、1926年に発表されています。さらにシュレーディンガー方程式に相対論を盛り込んだディラック方程式は1928年に発表されています。

この時期は量子力学が一気に進展したときで、ハートリー法(1928年Hartree)、スレーター行列式(1929年Slater)、ハートリーフォック法(1930年Fock, Slater)、分子軌道法(1926年Hund、1927年Mulliken)、メラープリセット摂動法(1934年Moller, Plesset)、TDHF法(1930年Dirac)LDA交換汎関数(1930年Dirac)など、まだまだ書ききれないくらい多くの理論が生み出されました。この時期のキーワードは、「実際の分子中のシュレーディンガー方程式をどのように解いたら良いのだろうか?」でした。

 

余談ですが、量子力学の歴史を勉強していると、さまざまな理論の提唱、開発で大きな貢献をしているDirac、、、天才過ぎだろって思ってしまいます。Diracは、ノーベル賞の受賞を「有名になるのが嫌だ」という理由で辞退しようとして、周りの人達に全力で止められたという少し変わった人なのですが、、、すごい人ですね。

 

さて、量子力学の歴史の説明に戻ります。この後、「分子の中の電子運動の波動関数をどのように解釈すればよいか?」ということをキーワードにし、混成軌道モデル(1928年Pauling)、遷移状態理論(1935年Eyring)、LCMO近似(1929年Lennard-Jones、1938年Coulson)、化学反応原理(1936年Bell、1938年Evans, Polanyi)などが発表されました。

 

ここまで、いろいろな理論を羅列してきましたが、要約すると

「シュレーディンガー方程式を厳密に解くのは不可能→近似的に解く理論の開発が1930年前後に盛んに行なわれた」

です。

 

DFT (密度汎関数法)の歴史

さて、ここまで紹介した理論は「シュレーディンガー方程式を解くことは難しいので近似的に解いてしまおう!」という感じでした。それに対し、DFTは「裏技的にハミルトニアンを求めてしまおう!」みたいなイメージです。

DFT

DFTの基礎理論となるトーマス・フェルミ理論は1927年に発表されました。簡単に言うと電子密度だけでハミルトニアン演算子を表わすことが出来ますよ!という理論です。

 

しかし、この理論には解の一意性や汎関数の存在を保証する物理的な裏付けは何も無く、また化学結合すら全く再現できないため、1960年まで忘れ去られていました。現在では皆が使っているDFTも、当時は「使えないな、コレ」みたいな感じだったんですね。

 

1964年、トーマス・フェルミ理論のコンセプトの正しさを物理的に裏付ける定理が提案されました。ホーエンベルグ・コーン定理です。これは下記の2つの定理からなっています。

1.外場ポテンシャルは電子密度で決定される。

2.あらゆる電子密度について、常にエネルギーの変分原理が成り立つ。

 

しかし、第一定理の証明で電子密度が波動関数と一対一対応すると仮定していることが若干問題であり、これはV表現可能性問題と呼ばれています。1979年レヴィは制限つき探索法を提案してこの問題を解決しました。また、第二定理の証明においてもN表現可能性問題という問題がありました。

 

コーン・シャム方程式

前回の記事ではDFT計算=コーン・シャム方程式のような書き方をしたため、「トーマス・フェルミ理論?」「ホーエンベルグ・コーン定理?」と頭の中が混乱しているかもしれませんが、ここからいよいよコーン・シャム方程式が登場します。

Kohn-Sham2

ホーエンベルグ・コーン定理によりトーマス・フェルミ理論の正しさが立証されましたが、実際の電子状態の計算はまだ出来ませんでした。この定理に基づく計算法は、翌年1965年に発表されたコーン・シャム方程式を用いることによりやっと可能になりました。

コーン・シャム方程式では、運動エネルギーの計算に電子密度の汎関数ではなく、ハートリーフォック法と同様の独立近似の定式を利用しています。このことにより化学・固体物性の定量的な計算が可能となり、DFTの急速な拡大につながりました。

しかし、このことにより、トーマス・フェルミ理論で当初提唱された純粋なDFTと現在使われているDFT計算はイコールではなくなりました。つまり、多くの人が知らないでいるのですが、「DFT理論=コーン・シャム方程式」は厳密には違います。

ここまでを簡単にまとめると、

「1927年にDFT理論が提唱される→実用性なし→1964年にホーエンベルグ・コーン定理により証明される→1965年にコーン・シャム方程式が発表され実際の系に使えるようになった」

です。

ざっと1930年から1980年まで説明しましたが、長くなりましたので、続きは次回の記事で書きたいと思います。

 

参考図書

[amazonjs asin=”4061532804″ locale=”JP” title=”密度汎関数法の基礎 (KS物理専門書)”]

 

Avatar photo

ゼロ

投稿者の記事一覧

女の子。研究所勤務。趣味は読書とハイキング ♪
ハンドルネームは村上龍の「愛と幻想のファシズム」の登場人物にちなんでま〜す。5 分後の世界、ヒュウガ・ウイルスも好き!

関連記事

  1. 自動フラッシュ精製システムにリモート化オプション!:Selekt…
  2. 自己治癒するセラミックス・金属ーその特性と応用|オンライン|
  3. ケイ素置換gem-二クロムメタン錯体の反応性と触媒作用
  4. 太陽ホールディングスってどんな会社?
  5. 化学者のためのWordマクロ -Supporting Infor…
  6. 材料開発における生成AIの活用方法
  7. 有機反応を俯瞰する ー芳香族求電子置換反応 その 1
  8. 2つの触媒反応を”孤立空間”で連続的に行う

注目情報

ピックアップ記事

  1. ローカル環境でPDFを作成する(Windows版)
  2. ピエトロ・ビギネリ Pietro Biginelli
  3. 【書評】ストラウブ化学数学 / MATHEMATICAL METHODS for MOLECULAR SCIENCE
  4. 「銅触媒を用いた不斉ヒドロアミノ化反応の開発」-MIT Buchwald研より
  5. ホットキーでクールにChemDrawを使いこなそう!
  6. 生命由来の有機分子を見分ける新手法を開発
  7. 金属内包フラーレンを使った分子レーダーの創製
  8. プラテンシマイシン /platensimycin
  9. 2002年ノーベル化学賞『生体高分子の画期的分析手法の開発』
  10. IASO R7の試薬データベースを構造式検索できるようにしてみた

関連商品

ケムステYoutube

ケムステSlack

月別アーカイブ

2015年7月
月 火 水 木 金 土 日
 12345
6789101112
13141516171819
20212223242526
2728293031  

注目情報

最新記事

光前駆体法の活用によって、ヘプタセンで初の一重項分裂を観測!

第725回のスポットライトリサーチは、京都大学大学院 理学研究科化学専攻 有機元素化学研究室(山田研…

【スタッフ・寄稿募集】Chem-Stationで、化学を「伝える側」になりませんか?

Chem-Station(ケムステ)は2000年に開設された国内最大の化学ポータルサイトです。大学・…

第17回大津会議―とある参加者の記録―

2026年9月28日~29日に開催された第17回大津会議についての、とある参加者の記録です。この記事…

第17回大津会議 -Otsu Conference- 2026 開催報告 ~新体制で紡ぐ「有機合成の夢」~

第17回大津会議が2026年9月28日(月)〜9月29日(火)びわ湖大津プリンスホテルにて開催されま…

有機合成化学協会誌2026年10月号:医薬品プロセス開発・σ芳香族性・含窒素複素環・メロテルペノイド二量体・高歪み化合物

有機合成化学協会が発行する「有機合成化学協会誌」2026年10月号がオンラインで公開されています。…

時代は水だ! セメントのように水と混ぜるだけで成形・硬化できる「水硬性」高分子

第724回のスポットライトリサーチは、東京科学大学物質理工学院(大塚研究室)博士前期課程2年の徳満玲…

複雑さを設計して、結晶の動きをプログラムする

第723回のスポットライトリサーチは、高知工科大学大学院工学研究科(林研究室) 博士後期課程3年の樋…

ハロゲンの力で強力な結合を切断!天然物クマリンから医薬品・機能性材料原料のクマラノン類へ

第 722 回のスポットライトリサーチは、立命館大学大学院薬学研究科薬学専攻 精密合…

観察を写真で残す!カメラ内蔵リアクタ EasyMax 102i を使ってみた

反応の温度も、攪拌(かくはん)も、滴下も、サンプリングもいまや自動で記録される時代になりました。とこ…

ケムステ人気新着記事 トップ 5【2026年9月版】

2026年9月にケムステでは21本の新しい記事を公開しました。この記事では、その新着記事の中から、ペ…

実験器具・用品を試してみたシリーズ

スポットライトリサーチムービー

PAGE TOP