• Search Research Projects
  • Search Researchers
  • How to Use
  1. Back to previous page

High-order many body correlation analysis of network forming glass based on comprehensive integration of experimental, theoretical and data sciences

Research Project

Project/Area Number 20H04241
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (B)

Allocation TypeSingle-year Grants
Section一般
Review Section Basic Section 61030:Intelligent informatics-related
Research InstitutionTohoku University (2021-2022)
Gifu University (2020)

Principal Investigator

Shiga Motoki  東北大学, 未踏スケールデータアナリティクスセンター, 教授 (20437263)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 小原 真司  国立研究開発法人物質・材料研究機構, 先端材料解析研究拠点, 独立研究者 (90360833)
小林 正人  北海道大学, 理学研究院, 准教授 (40514469)
平田 秋彦  早稲田大学, 理工学術院, 教授(任期付) (90350488)
小野寺 陽平  京都大学, 複合原子力科学研究所, 助教 (20531031)
Project Period (FY) 2020-04-01 – 2023-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2022)
Budget Amount *help
¥18,070,000 (Direct Cost: ¥13,900,000、Indirect Cost: ¥4,170,000)
Fiscal Year 2022: ¥4,680,000 (Direct Cost: ¥3,600,000、Indirect Cost: ¥1,080,000)
Fiscal Year 2021: ¥3,770,000 (Direct Cost: ¥2,900,000、Indirect Cost: ¥870,000)
Fiscal Year 2020: ¥9,620,000 (Direct Cost: ¥7,400,000、Indirect Cost: ¥2,220,000)
Keywordsガラス / 中距離秩序 / 機械学習 / 量子化学 / 大規模系計算 / 中距離構造秩序
Outline of Research at the Start

非晶質材料は電池材料や液晶パネル等の実用材料として必要不可欠である.しかしながら,その不規則な原子配置のために,高性能な材料を合理的に設計することは困難である.本研究では,機械学習と量子化学理論計算の融合により大規模な非晶質構造モデルの構築,非晶質構造に内在する構造秩序の効率的マイニング法および統計解析法を開発する.開発手法を用いて,いくつかの非晶質材料を解析し,構造秩序と物性・材料特性の関係の解明に貢献する.

Outline of Final Research Achievements

We worked on the structural order analysis of network-forming glassy materials such as silica glass. First, large-scale structural models of glassy materials were constructed using based on molecular dynamics, inverse Monte Carlo, and quantum chemistry. Next, we developed a structural order analysis method based on the shape of rings in the networks and local spatial correlations around rings and then quantitatively evaluated the structural order in silica glasses and crystals. We also worked on approaches for evaluating structural order directly from microscopic measurement data such as electron microscopy.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

物質・材料科学において、機械学習などのデータ科学に基づく、データ駆動型の材料設計・探索に対する期待が高まっている。しかしながら、非晶質材料に対しては、構造秩序の研究が発展段階であるため、データ駆動型アプローチで必要となる有効な構造記述子の設計が困難であった。本課題で取り組んだ研究および成果は、ネットワーク形成ガラスの構造記述子の選択肢を増やし、また、計測データ解析を通じて新しい構造記述子の設計に関する方向性を見出せるものとなっている。したがって、本研究課題の成果は、ガラス材料の設計や探索の加速に寄与できると考えている。

Report

(4 results)
  • 2022 Annual Research Report   Final Research Report ( PDF )
  • 2021 Annual Research Report
  • 2020 Annual Research Report
  • Research Products

    (56 results)

All 2023 2022 2021 2020 Other

All Int'l Joint Research (5 results) Journal Article (11 results) (of which Int'l Joint Research: 3 results,  Peer Reviewed: 11 results,  Open Access: 9 results) Presentation (38 results) (of which Int'l Joint Research: 8 results,  Invited: 26 results) Book (2 results)

  • [Int'l Joint Research] University of Bath/Rutherford Appleton Laboratory(英国)

    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Int'l Joint Research] University of Bath/Rutherford Appleton Laboratory(英国)

    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Int'l Joint Research] University of Bath/Rutherford Appleton Laboratory(英国)

    • Related Report
      2020 Annual Research Report
  • [Int'l Joint Research] Institut Laue-Langevin(フランス)

    • Related Report
      2020 Annual Research Report
  • [Int'l Joint Research] Oak Ridge National Laboratory(米国)

    • Related Report
      2020 Annual Research Report
  • [Journal Article] Divide-and-Conquer Linear-Scaling Quantum Chemical Computations2023

    • Author(s)
      H. Nakai, M. Kobayashi, T. Yoshikawa, J. Seino, Y. Ikabata, Y. Nishimura
    • Journal Title

      The Journal of Physical Chemistry A

      Volume: 127 Issue: 3 Pages: 589-618

    • DOI

      10.1021/acs.jpca.2c06965

    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Ring compaction as a mechanism of densification in amorphous silica2023

    • Author(s)
      Salmon Philip S.、Zeidler Anita、Shiga Motoki、Onodera Yohei、Kohara Shinji
    • Journal Title

      Physical Review B

      Volume: 107 Issue: 14 Pages: 144203-144203

    • DOI

      10.1103/physrevb.107.144203

    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Machine Learning for Low-Count Spectrum Image Data Analysis2022

    • Author(s)
      志賀 元紀、武藤 俊介
    • Journal Title

      KENBIKYO

      Volume: 57 Issue: 2 Pages: 65-69

    • DOI

      10.11410/kenbikyo.57.2_65

    • ISSN
      1349-0958, 2434-2386
    • Year and Date
      2022-08-30
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Virtual Angstrom-Beam Electron Diffraction Analysis for Zr80Pt20 Metallic Glasses2022

    • Author(s)
      Hirata Akihiko
    • Journal Title

      Quantum Beam Science

      Volume: 6 Issue: 4 Pages: 28-28

    • DOI

      10.3390/qubs6040028

    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] 量子ビームの相補利用によるガラス・アモルファス材料の構造物性研究2022

    • Author(s)
      小野寺陽平, 平田秋彦
    • Journal Title

      放射光

      Volume: 35 Pages: 274-284

    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Local structure analysis of disordered materials via contrast variation in scanning transmission electron microscopy2022

    • Author(s)
      Kimoto Koji、Shiga Motoki、Kohara Shinji、Kikkawa Jun、Cretu Ovidiu、Onodera Yohei、Ishizuka Kazuo
    • Journal Title

      AIP Advances

      Volume: 12 Issue: 9 Pages: 095219-095219

    • DOI

      10.1063/5.0104798

    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Relationship between diffraction peak, network topology, and amorphous-forming ability in silicon and silica2021

    • Author(s)
      Kohara Shinji、Shiga Motoki、Onodera Yohei、Masai Hirokazu、Hirata Akihiko、Murakami Motohiko、Morishita Tetsuya、Kimura Koji、Hayashi Kouichi
    • Journal Title

      Scientific Reports

      Volume: 11 Issue: 1 Pages: 22180-22180

    • DOI

      10.1038/s41598-021-00965-5

    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] 次元削減法とそのスペクトル解析への応用2021

    • Author(s)
      武藤 俊介, 志賀 元紀
    • Journal Title

      ふぇらむ

      Volume: 26 Pages: 434-442

    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Local structure analysis of amorphous materials by angstrom-beam electron diffraction2020

    • Author(s)
      Hirata Akihiko
    • Journal Title

      Microscopy

      Volume: 70 Issue: 2 Pages: 171-177

    • DOI

      10.1093/jmicro/dfaa075

    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Structural changes during glass formation extracted by computational homology with machine learning2020

    • Author(s)
      Hirata Akihiko、Wada Tomohide、Obayashi Ippei、Hiraoka Yasuaki
    • Journal Title

      Communications Materials

      Volume: 1 Issue: 1 Pages: 98-98

    • DOI

      10.1038/s43246-020-00100-3

    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Structure and properties of densified silica glass: characterizing the order within disorder2020

    • Author(s)
      Y. Onodera, S. Kohara, P. S. Salmon, A. Hirata, N. Nishiyama, S. Kitani, A. Zeidler, M. Shiga, A. Masuno, H. Inoue, et al.
    • Journal Title

      NPG Asia Materials

      Volume: 12 Issue: 1 Pages: 85-85

    • DOI

      10.1038/s41427-020-00262-z

    • NAID

      120006950593

    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Presentation] Medium-range order in amorphous materials2023

    • Author(s)
      A. Hirata
    • Organizer
      Hierarchical Structure of Materials 2023
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Toward large-scale quantum chemical calculations with annealers: Divide-and-conquer (DC) and annealing + Bayesian-optimization configuration interaction (ABCI) methods2023

    • Author(s)
      M. Kobayashi
    • Organizer
      10th conference of the Asia Pacific Association of Theoretical and Computational Chemistry (APATCC-10)
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] DC-xTB-MD法: 複合欠陥を含む超大規模系の量子分子動力学計算手法の開発2023

    • Author(s)
      藤原孝太郎, 西田叡倫, 小林正人, 武次徹也
    • Organizer
      化学系学協会北海道支部2023年冬季研究発表会
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] Very sharp diffraction peak in oxide glasses and liquids2022

    • Author(s)
      S. Kohara
    • Organizer
      26th International Congress on Glass - ICG 2022
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Structure and dynamics in densified silica glass2022

    • Author(s)
      S. Kohara
    • Organizer
      16th Intenational Conference on the Physics of Non-Crystalline Solids
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] "Probing order within disorder in glasses and liquids by X-ray and neutron diffraction"2022

    • Author(s)
      S. Kohara, Y. Shuseki
    • Organizer
      International Congress on Pure & Applied Chemistry
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] 単成分酸化物ガラスの短・中距離構造2022

    • Author(s)
      小原真司
    • Organizer
      日本セラミックス協会2022年秋季シンポジウム
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] 量子化学計算: 大規模系への展開とこれから2022

    • Author(s)
      小林正人
    • Organizer
      日本コンピュータ化学会 20周年記念シンポジウム
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] Large-scale quantum chemical calculations based on divide-and-conquer (DC) method: Recent developments and future prospects2022

    • Author(s)
      M. Kobayashi
    • Organizer
      T2CoMSA monthly talk
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] 大規模量子化学計算法divide-and-conquer法の現在と展望2022

    • Author(s)
      小林正人
    • Organizer
      2022年度第1回計算科学フォーラム
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] DC-xTB法: 複合欠陥を含む超大規模系の量子化学計算手法の開発2022

    • Author(s)
      藤原孝太郎, 西田叡倫, 小林正人, 武次徹也
    • Organizer
      第24回理論化学討論会
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] 準安定結晶構造探索とパーシステント・ホモロジー解析によるアモルファス構造と結晶構造の橋渡し2022

    • Author(s)
      小林正人, 宮越洸二, 斉田謙一郎, 小野寺陽平, 志賀元紀, 小原真司, 武次徹也
    • Organizer
      シンポジウム「化学反応経路探索のニューフロンティア2022」
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] ガラスの構造秩序解析のためのデータマイニング技術2022

    • Author(s)
      志賀元紀
    • Organizer
      第16回物性科学領域横断研究会
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] 微細構造計測データ解析のための統計的機械学習2022

    • Author(s)
      志賀元紀
    • Organizer
      第37回分析電子顕微鏡討論会
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] オングストロームビーム電子回折による非晶質材料の局所構造解析2022

    • Author(s)
      平田秋彦
    • Organizer
      NIMS先端計測シンポジウム
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] 電子回折と数理モデリングに基づく アモルファス構造解析2022

    • Author(s)
      平田秋彦
    • Organizer
      材料分野における情報計測クラスタ会議
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] 量子ビーム回折でガラスを見る2022

    • Author(s)
      小原真司
    • Organizer
      日本物理学会第77回年次大会
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] 理論・実験・情報科学の融合によるガラスの構造秩序解析2022

    • Author(s)
      志賀元紀
    • Organizer
      第35回日本放射光学会年会・放射光科学合同シンポジウム
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] 物質構造解析のためのインフォマティクス技術2022

    • Author(s)
      志賀元紀
    • Organizer
      第69回応用物理学会春季学術講演会 シンポジウム「応用物理におけるインフォマティクス応用の最前線」
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] 非晶質物質の中距離構造2022

    • Author(s)
      小原真司, 志賀元紀, 小野寺陽平, 正井博和, 平田秋彦, 木村耕治, 林 好一
    • Organizer
      日本セラミックス協会2022年年会
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] 非晶質の隠れた秩序のオングストロームビーム電子回折法による観察2021

    • Author(s)
      平田秋彦
    • Organizer
      第82回応用物理学会秋季学術講演会
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] オングストロームビーム電子回折による 非晶質材料の局所構造解析2021

    • Author(s)
      平田秋彦
    • Organizer
      電気学会・電子材料研究会
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] 非晶質物質の中距離構造2021

    • Author(s)
      小原真司
    • Organizer
      日本セラミックス協会2021年秋季大会
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] 高温高圧下におけるシリカガラスの中距離構造変化2021

    • Author(s)
      小原真司
    • Organizer
      第62回高圧討論会
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] Automated Reaction Path Search and Informatics2021

    • Author(s)
      Masato Kobayashi
    • Organizer
      EU-Japan Workshop on HPC-Based Material Sciences
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] 微細構造計測データ解析のための統計的機械学習2021

    • Author(s)
      志賀元紀
    • Organizer
      近畿化学協会コンピュータ化学部会 公開講演会
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] 分光スペクトル解析のための統計的機械学習2021

    • Author(s)
      志賀元紀, 武藤俊介
    • Organizer
      日本顕微鏡学会 第77回学術講演会
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] スペクトルイメージング解析のための統計的機械学習2021

    • Author(s)
      志賀元紀
    • Organizer
      第6回兵庫県マテリアルズ・インフォマティクス講演会
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] 微細構造計測データ解析のための統計的機械学習2021

    • Author(s)
      志賀元紀
    • Organizer
      第12回材料系ワークショップ
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] リング形状に基づくネットワーク形成ガラスの構造秩序解析2021

    • Author(s)
      志賀元紀, 平田秋彦, 小野寺陽平, 正井博和, 小原真司
    • Organizer
      第62回ガラスおよびフォトニクス材料に関する研究討論会
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] 永久高密度アモルファスシリカライトのトポロジー解析2021

    • Author(s)
      小原 真司, 小野寺 陽平, 脇原 徹, 正井博和, 増野敦信, 志賀元紀, 大林一平
    • Organizer
      日本セラミックス協会2021年年会
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] SiO2結晶のパーシステント・ホモロジー・データベース - ガラス構造との比較2021

    • Author(s)
      宮越洸二, 小林正人, 斉田謙一郎, 小野寺陽平, 志賀元紀, 小原真司, 武次徹也
    • Organizer
      日本化学会第101春季年会
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] パーシステンス・ダイヤグラムを用いた準安定結晶とガラスの「穴」の比較2021

    • Author(s)
      宮越洸二, 小林正人, 斉田謙一郎, 小野寺陽平, 志賀元紀, 小原真司, 武次徹也
    • Organizer
      第23回理論化学討論会
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] スペクトラムイメージデータのノイズ処理と信号抽出の最近の進展2021

    • Author(s)
      志賀元紀
    • Organizer
      顕微鏡計測インフォマティックス研究部会第2回研究会
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] パーシステントホモロジーと機械学習を用いたガラス形成における局所構造変化の抽出2020

    • Author(s)
      平田秋彦
    • Organizer
      日本応用数理学会第17回 研究部会連合発表会
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] オングストロームビーム電子回折による非晶質物質の構造解析2020

    • Author(s)
      平田秋彦
    • Organizer
      日本物理学会第76回年次大会
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] Understanding diffraction patterns of glassy, liquid and amorphous materials via persistent homology analyses.2020

    • Author(s)
      S. Kohara
    • Organizer
      THERMEC'2020
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] 化学結合トポロジーに基づく非晶質の多体相関解析2020

    • Author(s)
      志賀元紀, 平田秋彦, 小原真司, 小野寺陽平
    • Organizer
      日本セラミックス協会第33回秋季シンポジウム
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Invited
  • [Book] Atomistic Simulations of Glasses: Fundamentals and Applications2022

    • Author(s)
      Chapter 3: S. Kohara, L. Pusztai (Editor: Jincheng Du, Alastair N. Cormack)
    • Total Pages
      531
    • Publisher
      Wiley-American Ceramic Society
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Book] 図説 表面分析ハンドブック2021

    • Author(s)
      29. 1節 志賀元紀, 青柳里果(日本表面真空学会編)
    • Total Pages
      576
    • Publisher
      朝倉書店
    • ISBN
      9784254201703
    • Related Report
      2021 Annual Research Report

URL: 

Published: 2020-04-28   Modified: 2024-01-30  

Information User Guide FAQ News Terms of Use Attribution of KAKENHI

Powered by NII kakenhi