2026/08/14 更新

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クワハタ カズアキ
桑畑 和明
KUWAHATA KAZUAKI
所属
物質理工学院 特任准教授
職名
特任准教授
外部リンク

学位

  • 博士(工学) ( 2018年6月 )

研究キーワード

  • 星間分子雲

  • 経路積分法

  • 同位体効果

  • 分子動力学法

  • 量子化学計算

研究分野

  • 自然科学一般 / 生物物理、化学物理、ソフトマターの物理  / 第一原理計算、量子効果

学歴

  • 横浜国立大学   工学府

    2014年10月 - 2018年6月

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経歴

  • 東京科学大学 物質情報卓越コース   特任准教授

    2024年10月 - 現在

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  • 東京工業大学   特任准教授

    2024年4月 - 2024年9月

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  • 日本学術振興会   特別研究員   PD

    2021年4月 - 2024年3月

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  • 横浜市立大学   生命ナノシステム専攻   非常勤講師

    2020年4月 - 2023年3月

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  • 横浜国立大学   大学院工学府   助教

    2019年5月 - 2021年3月

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  • 日本学術振興会   特別研究員   DC2

    2017年4月 - 2019年3月

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所属学協会

  • 分子科学会

    2017年5月

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  • 日本化学会

    2016年12月

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  • 日本物理学会

    2011年12月 - 現在

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論文

  • Origin of heteroatom substitution effects on hyperfine coupling in muoniated radicals: A path-integral molecular dynamics study 査読

    Kazuaki Kuwahata, Shigekazu Ito, Masanori Tachikawa

    The Journal of Chemical Physics   2026年4月

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    担当区分:筆頭著者, 責任著者   掲載種別:研究論文(学術雑誌)  

    DOI: 10.1063/5.0325070

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  • Physically informed neural network potential for a multi-element system 査読

    Masaaki Araidai, Kazuaki Kuwahata, Masanori Tachikawa, Tomofumi Tada

    Science and Technology of Advanced Materials: Methods   2026年3月

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    掲載種別:研究論文(学術雑誌)  

    DOI: 10.1080/27660400.2026.2637919

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  • Nuclear quantum effects on proton sharing in the deprotonated formic acid dimer anion revealed by path-integral molecular dynamics simulations 査読

    Masanari Natsume, Hikaru Tanaka, Kazuaki Kuwahata, Masanori Tachikawa, Taro Udagawa

    STRUCTURAL CHEMISTRY   2026年3月

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    記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)  

    DOI: 10.1007/s11224-026-02761-1

    Web of Science

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  • Microscopic origin of quantum plasticity in small H 3 + (H 2 ) n ( n = 1–3) clusters revealed by path integral molecular dynamics simulations 査読

    Kotomi Nishikawa, Hikaru Tanaka, Kazuaki Kuwahata, Masanori Tachikawa, Taro Udagawa

    Physical Chemistry Chemical Physics   2026年2月

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    掲載種別:研究論文(学術雑誌)   出版者・発行元:Royal Society of Chemistry (RSC)  

    Path integral molecular dynamics simulations reveal the origin of quantum plasticity in small H 3 + (H 2 ) n clusters, showing that nuclear quantum effects facilitate ligand H 2 rotation via elongation of the H 3 + –H 2 distance.

    DOI: 10.1039/d6cp00022c

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  • Muon Species in Frozen D2O Observed with Zero-field Muon Spin Precession 査読

    Amba Datt Pant, Akihiro Koda, Burkhard Geil, Katsuhiko Ishida, Roshan Pudasaini, Kazuaki Kuwahata, Masanori Tachikawa, Stephen P. Cottrell, Jumpei G. Nakamura, Shoichiro Nishimura, Koichiro Shimomura

    Journal of the Physical Society of Japan   2026年1月

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    掲載種別:研究論文(学術雑誌)  

    DOI: 10.7566/JPSJ.95.014603

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  • Theoretical analysis of H/D isotope effect in K 3 H(SO 4 ) 2 and its influence on phase transition temperature 査読

    Yuu Ishii, Kazuaki Kuwahata, Tomomi Shimazaki, Masanori Tachikawa

    Physical Chemistry Chemical Physics   2026年1月

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    担当区分:責任著者   掲載種別:研究論文(学術雑誌)   出版者・発行元:Royal Society of Chemistry (RSC)  

    Because deuterium atoms have a higher activation free energy, they cannot move between the stable structures, whereas hydrogen atoms can move freely due to strong nuclear quantum effects.

    DOI: 10.1039/d5cp02885j

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  • Nuclear quantum and H/D isotope effects on hydrogen-bond symmetrization in lithium hydroxide crystals at high pressure 査読

    Hikaru Tanaka, Kazuaki Kuwahata, Masanori Tachikawa, Taro Udagawa

    The Journal of Chemical Physics   2025年8月

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    掲載種別:研究論文(学術雑誌)  

    DOI: 10.1063/5.0276067

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  • Nuclear quantum effects on intramolecular hydrogen bonds and backbone structures in biuret analogues 査読

    Kotomi Nishikawa, Hikaru Tanaka, Kazuaki Kuwahata, Masanori Tachikawa, Taro Udagawa

    Physical Chemistry Chemical Physics   2025年

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    掲載種別:研究論文(学術雑誌)   出版者・発行元:Royal Society of Chemistry (RSC)  

    Path integral molecular dynamics simulations were employed to investigate intramolecular hydrogen bonds in biuret analogues. The results indicate that the structural fluctuations originate from the quantum effects of the heavy nuclei in the backbone.

    DOI: 10.1039/d5cp02587g

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  • A theoretical study on muoniated N-heterocyclic carbenes using path integral molecular dynamics 査読

    Satoshi Orikono, Kazuaki Kuwahata, Tomomi Shimazaki, Masanori Tachikawa

    The Journal of Chemical Physics   161 ( 18 )   2024年11月

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    担当区分:責任著者   掲載種別:研究論文(学術雑誌)   出版者・発行元:AIP Publishing  

    Several N-heterocyclic carbenes (NHCs) are experimentally observed upon the addition of muonium (Mu), and the hyperfine coupling constants (HFCCs) of muon are measured. Theoretical investigation of Mu has been challenging due to significant quantum effects. Herein, we performed an ab initio path integral molecular dynamics (PIMD) simulation, which accurately considers multi-dimensional quantum effects, to theoretically investigate muoniated 1,3-dihydro-2H-imidazole-2-ylidene (Mu-IY). Our findings indicate that quantum effects have two contradictory contributions: the quantum effect of bond vibrations increases the HFCC values, whereas that of out-of-plane angular vibrations decreases the HFCC values. Moreover, we show that the HFCC values of other NHCs can be predicted without the PIMD simulations by applying the structural changes caused by the quantum effect derived from the PIMD simulations of Mu-IY.

    DOI: 10.1063/5.0234050

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  • Impact of Underlying Insulators on the Crystallinity and Antisite Defect Formation in PVD-MoS2 Films 査読

    Naoki Matsunaga, Shinya Imai, Takanori Shirokura, Yasuhide Mochizuki, Kazuaki Kuwahata, Kazuo Tsutsui, Kuniyuki Kakushima, Hitoshi Wakabayashi

    IEEE Journal of the Electron Devices Society   1 - 1   2024年10月

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    掲載種別:研究論文(学術雑誌)   出版者・発行元:Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE)  

    DOI: 10.1109/jeds.2024.3472062

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  • Dependence of Substituents on UV-vis Spectra and Solvent Effect of Anthocyanins by Quantum Chemical Approach 査読

    Kazuaki KUWAHATA, Yukio KAWASHIMA, Atsushi FUKUSHIMA, Masanori TACHIKAWA, Miyako KUSANO

    Journal of Computer Chemistry, Japan   10   2023 - 0045   2024年10月

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    担当区分:筆頭著者   掲載種別:研究論文(学術雑誌)   出版者・発行元:Society of Computer Chemistry Japan  

    DOI: 10.2477/jccjie.2023-0045

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  • Formation and structure of MuOH in ice studied by muon spin rotation 査読

    Amba Datt Pant, Akihiro Koda, Burkhard Geil, Katsuhiko Ishida, Rajendra Adhikari, Kazuaki Kuwahata, Masanori Tachikawa, Koichiro Shimomura

    Physical Review B   110 ( 10 )   2024年9月

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    掲載種別:研究論文(学術雑誌)   出版者・発行元:American Physical Society (APS)  

    DOI: 10.1103/physrevb.110.104104

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    その他リンク: http://harvest.aps.org/v2/journals/articles/10.1103/PhysRevB.110.104104/fulltext

  • Nuclear quantum effects on the intramolecular hydrogen bonds in biuret and biguanide 査読

    Kotomi Nishikawa, Hikaru Tanaka, Kazuaki Kuwahata, Masanori Tachikawa, Taro Udagawa

    Physical Chemistry Chemical Physics   26 ( 37 )   24364 - 24369   2024年9月

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    掲載種別:研究論文(学術雑誌)   出版者・発行元:Royal Society of Chemistry (RSC)  

    Path integral molecular dynamics simulations were used to investigate intramolecular hydrogen bonds in biuret and biguanide. Results indicate that π-electrons in the framework are delocalized, regardless of the ease of intramolecular proton transfer.

    DOI: 10.1039/d4cp02047b

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  • Nuclear quantum effects in phase transition between Ice VII and Ice X 査読

    Kazuaki Kuwahata, Masanori Tachikawa

    The Journal of Chemical Physics   160 ( 21 )   2024年6月

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    担当区分:筆頭著者, 責任著者   掲載種別:研究論文(学術雑誌)   出版者・発行元:AIP Publishing  

    The theoretical modeling of high-pressure ice remains challenging owing to the complexity in accurately reflecting its properties attributable to nuclear quantum effects. To explore the nuclear quantum effects of the phase transition between Ice VII and Ice X, we introduce an approach based on ab initio path-integral molecular dynamics. The results indicate that quantum effects facilitate the phase transition, with the observed isotope effects consistent with the experimental outcomes. We demonstrate that quantum effects manifest differently across ice phases: In Ice VII, quantum effects reduce the pressure through the centralization of protons. In contrast, in Ice X, quantum effects increase the pressure owing to the increased kinetic energy of zero-point vibration.

    DOI: 10.1063/5.0205529

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  • Location of the Shared Proton in Proton-Bound Dimer Compound of Hydrogen Sulfate and Formate: Path Integral Molecular Dynamics Study 査読

    Taro Udagawa, Hikaru Tanaka, Kazuaki Kuwahata, Masanori Tachikawa

    The Journal of Physical Chemistry A   2024年2月

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    掲載種別:研究論文(学術雑誌)   出版者・発行元:American Chemical Society (ACS)  

    DOI: 10.1021/acs.jpca.4c00239

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  • Nuclear quantum and H/D isotope effects on aromaticity: path integral molecular dynamics study 査読

    Hikaru Tanaka, Kazuaki Kuwahata, Masanori Tachikawa, Taro Udagawa

    Physical Chemistry Chemical Physics   26 ( 29 )   19934 - 19939   2024年

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    掲載種別:研究論文(学術雑誌)   出版者・発行元:Royal Society of Chemistry (RSC)  

    A path integral molecular dynamics simulation was employed to investigate the aromaticity of benzene. The results indicated that nuclear quantum fluctuations influence bond distances, reducing aromaticity due to changes in specific vibrational modes.

    DOI: 10.1039/d4cp01331j

    PubMed

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  • A path integral molecular dynamics study on the muoniated xanthene-thione molecule. 査読 国際誌

    Kazuaki Kuwahata, Shigekazu Ito, Masanori Tachikawa

    The Journal of chemical physics   159 ( 10 )   2023年9月

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    担当区分:筆頭著者, 責任著者   記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)  

    A positive Mu is a useful tool for investigating the spin density of radical species. The theoretical estimation of its behavior in a molecule requires the inclusion of a quantum effect due to the small mass of muonium. Herein, we performed ab initio a path integral molecular dynamics (PIMD) simulation, which accurately included a multi-dimensional quantum effect, for muoniated 9H-xanthene-9-thione (μXT). Our results showed that the quantum effect significantly increased the hyperfine coupling constant (HFCC) value of μXT, which qualitatively improved the calculated HFCC value, compared to the experimental one. In the PIMD simulation, the bond length between muonium and sulfur in μXT is longer than that between hydrogen and sulfur in a hydrogenated 9H-xanthene-9-thione (HXT), leading to a spin density transfer from XT (9H-xanthene-9-thione) to muonium due to neutral dissociations. Additionally, we found that the S-Mu bond in μXT prefers a structure perpendicular to the molecular plane, where the interaction between Mu and the singly occupied molecular orbital of μXT is the strongest. These structural changes resulted in a larger HFCC value in the PIMD simulation of μXT.

    DOI: 10.1063/5.0159207

    PubMed

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  • Nuclear quantum and H/D isotope effects on intramolecular hydrogen bond in curcumin. 査読 国際誌

    Taro Udagawa, Hinata Yabushita, Hikaru Tanaka, Kazuaki Kuwahata, Masanori Tachikawa

    Physical chemistry chemical physics : PCCP   25 ( 23 )   15798 - 15806   2023年6月

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    記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)  

    Curcumin and its derivatives possess intramolecular low-barrier hydrogen bonds for intramolecular proton transfer. The π-delocalization in the OCCCO framework of the hydrogen bond in these compounds is reorganized concomitantly with the proton transfer. To characterize the hydrogen bond and π-delocalization, we performed path integral molecular dynamics simulations, revealing that although the proton migration and reorganization of the π-delocalized structure showed a positive correlation, the correlation was weak.

    DOI: 10.1039/d3cp01821k

    PubMed

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  • Muon Spin Rotation (μSR) for Characterizing Radical Addition to C=S in Xanthene-9-thione and Thioxanthene-9-thione 査読

    Shigekazu Ito, Hikaru Akama, Kenji M. Kojima, Iain McKenzie, Kazuaki Kuwahata, Masanori Tachikawa

    Bulletin of the Chemical Society of Japan   96 ( 5 )   461 - 464   2023年5月

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    掲載種別:研究論文(学術雑誌)   出版者・発行元:The Chemical Society of Japan  

    DOI: 10.1246/bcsj.20230081

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  • Direct Elucidation of the Vibrationally Averaged Structure of Benzene: A Path Integral Molecular Dynamics Study. 査読 国際誌

    Taro Udagawa, Hikaru Tanaka, Tsuneo Hirano, Kazuaki Kuwahata, Masanori Tachikawa, Masaaki Baba, Umpei Nagashima

    The journal of physical chemistry. A   127 ( 4 )   894 - 901   2023年2月

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    記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)  

    Path integral molecular dynamics (PIMD) simulations for C6H6, C6D6, and C6T6 have been carried out to directly estimate the distribution of projected C-H(D,T) bond lengths onto the principal axis plane. The average values of raw C-H(D,T) bond lengths obtained from PIMD simulations are in the order of ⟨RC-H⟩ > ⟨RC-D⟩ > ⟨RC-T⟩ due to the anharmonicity of the potential energy curve. However, the projected C-H(D,T) bond lengths are almost the same as those reported by Hirano et al. [J. Mol. Struct. 2021, 1243, 130537]. Our PIMD simulations directly and strongly support the explanation by Hirano et al. for the experimental observations that almost the same projected C-H(D) bond lengths are found for C6H6 and C6D6. The PIMD simulations also predicted the same projected bond lengths for C6T6 as those of C6H(D)6. In addition to the previous local mode analysis, the present PIMD simulations predicted, for benzene isotopologues, that the vibrationally averaged structure is planar but non-flat.

    DOI: 10.1021/acs.jpca.2c07197

    PubMed

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  • A path integral molecular dynamics study on the NH4+ rotation in NH4+⋯XH2 (X = Be or Mg) dihydrogen bond systems. 査読 国際誌

    Taro Udagawa, Amane Kinoshita, Kazuaki Kuwahata, Masanori Tachikawa

    Physical chemistry chemical physics : PCCP   24 ( 28 )   17295 - 17302   2022年7月

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    記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)  

    The nuclear quantum effects (NQEs) in dihydrogen bond (DHB) complexes, i.e., NH4+⋯BeH2 and NH4+⋯MgH2, have been investigated using multicomponent quantum mechanics (MC_QM) calculations and path integral molecular dynamics (PIMD) simulation. The MC_QM method considers the NQEs, whereas PIMD considers both the NQEs and the thermal effects. The linear C3v structure is maintained in the optimized structures obtained by the static MP2 and MC_MP2 calculations, whereas the average structures obtained by the PIMD simulation are nonlinear. The strong DHB interaction in NH4+⋯MgH2 suppresses the fluctuation in the Hδ+NMg and Hδ-MgN angles, and hence, the NH4+ rotation did not occur in the simulation of NH4+⋯MgH2. The analysis of the radius of gyration revealed that the nuclear quantum fluctuation in the perpendicular direction is suppressed by the formation of the DHB complex, whereas that in the parallel direction is slightly enhanced in both the Hδ+ and Hδ- nuclei.

    DOI: 10.1039/d2cp01999j

    PubMed

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  • Low-Barrier Hydrogen Bond in Fujikurin A–D: A Computational Study 査読

    Hikaru Tanaka, Kazuaki Kuwahata, Masanori Tachikawa, Taro Udagawa

    ACS Omega   7 ( 16 )   14244 - 14251   2022年4月

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    掲載種別:研究論文(学術雑誌)  

    DOI: 10.1021/acsomega.2c00857

    Web of Science

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  • Competitive nuclear quantum effect and H/D isotope effect on torsional motion of H2O2: An ab initio path integral molecular dynamics study 査読

    Taro Udagawa, Kazuaki Kuwahata, Masanori Tachikawa

    COMPUTATIONAL AND THEORETICAL CHEMISTRY   1208   2022年2月

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    記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)  

    DOI: 10.1016/j.comptc.2021.113542

    Web of Science

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  • Atomic mass dependence of the nuclear quantum effect in NH4+(H2O) 査読

    Kazuaki Kuwahata, Masanori Tachikawa

    Chemical Physics   553   111381 - 111381   2022年1月

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    担当区分:筆頭著者   記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)   出版者・発行元:Elsevier {BV}  

    DOI: 10.1016/j.chemphys.2021.111381

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  • Path Integral Molecular Dynamics Study on NH4+ (H2O) 査読

    Kazuaki Kuwahata, Masanori Tachikawa

    FEW-BODY SYSTEMS   62 ( 4 )   2021年12月

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    担当区分:筆頭著者, 責任著者   記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)  

    DOI: 10.1007/s00601-021-01689-y

    Web of Science

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  • MXene Phase with C-3 Structure Unit: A Family of 2D Electrides 査読

    Soungmin Bae, William Espinosa-Garcia, Yoon-Gu Kang, Noriyuki Egawa, Juho Lee, Kazuaki Kuwahata, Mohammad Khazaei, Kaoru Ohno, Yong-Hoon Kim, Myung Joon Han, Hideo Hosono, Gustavo M. Dalpian, Hannes Raebiger

    ADVANCED FUNCTIONAL MATERIALS   31 ( 24 )   2021年6月

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    記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)  

    DOI: 10.1002/adfm.202100009

    Web of Science

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  • Nuclear Quantum Effect on the Geometry of NH4+(H2O) 査読

    Kazuaki Kuwahata, Masanori Tachikawa

    BULLETIN OF THE CHEMICAL SOCIETY OF JAPAN   93 ( 12 )   1558 - 1563   2020年12月

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    担当区分:筆頭著者, 責任著者   記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)  

    DOI: 10.1246/bcsj.20200120

    Web of Science

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  • Application of Quantum Chemical Calculation for Prediction of Ultraviolet-vis Spectrum of Plant Self-protective Metabolites Produced by UV-B Irradiation 査読

    Kazuaki Kuwahata, Yui Sakuma, Yukio Kawashima, Atsushi Fukushima, Umpei Nagashima, Miyako Kusano, Masanori Tachikawa

    JOURNAL OF COMPUTER CHEMISTRY-JAPAN   18 ( 2 )   108 - 114   2019年

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    担当区分:筆頭著者   記述言語:日本語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)  

    DOI: 10.2477/jccj.2019-0002

    Web of Science

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  • Carbon Monoxide Hydrogenation on Ice Surfaces 査読

    Kazuaki Kuwahata, Kaoru Ohno

    CHEMPHYSCHEM   19 ( 11 )   1382 - 1389   2018年6月

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    担当区分:筆頭著者   記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)  

    DOI: 10.1002/cphc.201701346

    Web of Science

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  • Signatures of Quantum-Tunneling Diffusion of Hydrogen Atoms on Water Ice at 10 K 査読

    K. Kuwahata, T. Hama, A. Kouchi, N. Watanabe

    PHYSICAL REVIEW LETTERS   115 ( 13 )   2015年9月

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    担当区分:筆頭著者   記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)  

    DOI: 10.1103/PhysRevLett.115.133201

    Web of Science

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  • Role of quantum tunneling for the formation of H2O by reaction of H-2 with OH on interstellar grains 査読

    Yasuhiro Oba, Naoki Watanabe, Tetsuya Hama, Kazuaki Kuwahata, Hiroshi Hidaka, Akira Kouchi

    ABSTRACTS OF PAPERS OF THE AMERICAN CHEMICAL SOCIETY   247   2014年3月

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    記述言語:英語  

    Web of Science

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  • Diffusion of hydrogen atom on amorphous solid water: Thermal or tunneling? 査読

    Naoki Watanabe, Kazuaki Kuwahata, Tetsuya Hama, Akira Kouchi

    ABSTRACTS OF PAPERS OF THE AMERICAN CHEMICAL SOCIETY   247   2014年3月

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    記述言語:英語  

    Web of Science

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  • THE MECHANISM OF SURFACE DIFFUSION OF H AND D ATOMS ON AMORPHOUS SOLID WATER: EXISTENCE OF VARIOUS POTENTIAL SITES 査読

    Tetsuya Hama, Kazuaki Kuwahata, Naoki Watanabe, Akira Kouchi, Yuki Kimura, Takeshi Chigai, Valerio Pirronello

    ASTROPHYSICAL JOURNAL   757 ( 2 )   2012年10月

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    記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)  

    DOI: 10.1088/0004-637X/757/2/185

    Web of Science

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  • WATER FORMATION THROUGH A QUANTUM TUNNELING SURFACE REACTION, OH + H-2, AT 10 K 査読

    Y. Oba, N. Watanabe, T. Hama, K. Kuwahata, H. Hidaka, A. Kouchi

    ASTROPHYSICAL JOURNAL   749 ( 1 )   67   2012年4月

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    記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)  

    DOI: 10.1088/0004-637X/749/1/67

    Web of Science

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受賞

  • ① 第24回DV-xα研究協会奨励賞

    2019年9月   DV-xα研究協会   経路積分分子動力学法を用いたNH4+(H2O)

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共同研究・競争的資金等の研究課題

  • 重水素学のための基礎理論構築

    研究課題/領域番号:26H00489  2026年4月 - 2031年3月

    日本学術振興会  科学研究費助成事業  学術変革領域研究(A)

    宇田川 太郎, 北 幸海, 桑畑 和明

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    担当区分:研究分担者 

    配分額:82030000円 ( 直接経費:63100000円 、 間接経費:18930000円 )

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  • 経路積分法と汎用機械学習ポテンシャルの融合で拓くハイエントロピー合金創成

    研究課題/領域番号:26K01614  2026年4月 - 2029年3月

    日本学術振興会  科学研究費助成事業  基盤研究(B)

    桑畑 和明

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    担当区分:研究代表者 

    配分額:18330000円 ( 直接経費:14100000円 、 間接経費:4230000円 )

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  • 水素吸蔵材料開発に向けた経路積分法と機械学習の融合プログラムの開発

    研究課題/領域番号:23K13827  2023年4月 - 2026年3月

    日本学術振興会  科学研究費助成事業 若手研究  若手研究

    桑畑 和明

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    担当区分:研究代表者 

    配分額:4680000円 ( 直接経費:3600000円 、 間接経費:1080000円 )

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  • 星間分子雲における重水素体濃縮機構解明のための新しい量子化学計算手法の開発

    研究課題/領域番号:21J00806  2021年4月 - 2024年3月

    日本学術振興会  科学研究費助成事業 特別研究員奨励費  特別研究員奨励費

    桑畑 和明

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    担当区分:研究代表者 

    配分額:4810000円 ( 直接経費:3700000円 、 間接経費:1110000円 )

    本研究課題では、星間分子雲における分子生成において発現する特異的な同位体効果を解明するために、経路積分分子動力学法とONIOM法を組み合わせることで低温氷表面における化学反応の同位体効果を解明することを目標としている。
    2021年度は準備計算として有機物生成に重要なアンモニウムイオンと水分子の相互作用に関する量子効果を調べた。その結果、水素原子を重水素に変えると相互作用が強くなるが、原子核をさらに重くしていくと相互作用がよわくなることがわかった。NH原子間の伸縮における量子効果はアンモニウムイオンと水分子の相互作用を強める働きがあるのに対し、HNO変角振動における量子効果は相互作用を弱めるという2種類の競合する量子効果があり、この微妙なバランスにより相互作用の強さが決定されることを明らかにした。これらは星間空間において観測される同位体効果を解明する手掛かりになると考えられる。
    本年度はまた共同研究により過酸化水素における分子内回転に対する量子効果も調べた。その結果、低温では量子効果により回転運動が促進されるが、高温になると回転が抑制されることがわかった。この原因は低温においては分子内回転方向における量子効果が優位に働いているが、高温になるとOH伸縮方向の量子効果が顕在化し、このOH伸縮方向のゼロ点振動が回転を抑制することを明らかにした。
    これらの成果を第一著者としてまとめた2報を含めて計3報の査読付き国際誌に報告した。

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  • 氷表面における炭素,窒素,酸素原子の吸着・拡散活性化エネルギーの第一原理計算

    研究課題/領域番号:17J00199  2017年4月 - 2019年3月

    日本学術振興会  科学研究費助成事業 特別研究員奨励費  特別研究員奨励費

    桑畑 和明

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    担当区分:研究代表者 

    配分額:1700000円 ( 直接経費:1700000円 )

    本研究課題では星間分子雲における分子生成の解明するために、氷表面における原子の吸着エネルギーを高精度手法を用いて算出し、実験のみからでは得られない物理情報を獲得することを目的にしている。前年度までに氷表面のモデリングは完了したため、作成された氷表面に対するH原子の吸着エネルギーの構造依存性および量子効果、またO原子の吸着エネルギーを調べた。
    構造依存性は水分子の配列が規則的である結晶氷に比べて不規則であるアモルファス氷においては吸着エネルギーの平均値が高く、分布もより広がったものになった。原子核の量子効果を考慮した場合には吸着エネルギーが低くなった。また同位体効果を調べるために、D原子でも吸着エネルギーを計算した。その結果、D原子の吸着エネルギーはH原子よりも大きくなった。量子効果を考慮した場合にはゼロ点振動エネルギーによりポテンシャルエネルギーが高くなったために吸着エネルギーが低くなったと考えられる。特に質量の小さいH原子の方がゼロ点振動の影響が大きくなり、D原子に比べて吸着エネルギーが小さくなったと考えられる。
    O原子を吸着させた場合は一部の水分子の結合が切れてラジカルの生成が確認された。低温環境である分子雲においてもO原子結合によってラジカルが生成されれば大きな有機分子生成に大きく寄与すると考えられる。
    以上より私の研究は星間分子雲における有機分子等の生成に大きく貢献したものと自負している。

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担当経験のある科目(授業)

  • 物質情報基礎・物質情報発展

    2024年4月 - 現在 機関名:東京科学大学

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  • プラクティススクール

    2024年4月 - 現在 機関名:東京科学大学

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  • マテリアルズシミュレーション

    2024年4月 - 現在 機関名:東京科学大学

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  • プログラミング特論

    2022年4月 - 2023年3月 機関名:横浜市立大学

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  • コンピュータ演習

    2021年4月 - 2023年3月 機関名:横浜市立大学

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  • 力と運動(古典力学)

    2020年4月 - 2023年3月 機関名:横浜市立大学

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