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Construction of a platform for visualization of microscopic non-equilibrium states using super ptychography

Research Project

Project/Area Number 23H05403
Research Category

Grant-in-Aid for Specially Promoted Research

Allocation TypeSingle-year Grants
Review Section Science and Engineering
Research InstitutionTohoku University

Principal Investigator

高橋 幸生  東北大学, 国際放射光イノベーション・スマート研究センター, 教授 (00415217)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) DAM HieuChi  北陸先端科学技術大学院大学, 先端科学技術研究科, 教授 (70397230)
星野 大樹  東北大学, 国際放射光イノベーション・スマート研究センター, 准教授 (20569173)
石黒 志  東北大学, 国際放射光イノベーション・スマート研究センター, 助教 (20752455)
Project Period (FY) 2023-04-01 – 2030-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2024)
Budget Amount *help
¥627,900,000 (Direct Cost: ¥483,000,000、Indirect Cost: ¥144,900,000)
Fiscal Year 2025: ¥86,970,000 (Direct Cost: ¥66,900,000、Indirect Cost: ¥20,070,000)
Fiscal Year 2024: ¥167,570,000 (Direct Cost: ¥128,900,000、Indirect Cost: ¥38,670,000)
Fiscal Year 2023: ¥58,110,000 (Direct Cost: ¥44,700,000、Indirect Cost: ¥13,410,000)
Keywords放射光 / コヒーレント回折イメージング / X線光子相関分光 / データ科学
Outline of Research at the Start

放射光コヒーレントX線を用いたナノ構造可視化技術である「タイコグラフィ」の時間分解能を遥かに凌駕する「超タイコグラフィ」のスキームを実証し、バルク機能性材料の内部に埋もれたナノスケール微細構造・化学状態変化の動画撮像を実現する。そして、不均一な粘弾性を示すタイヤゴム、不均一にイオン輸送する蓄電固体材料など様々な実用材料に応用することで、微視的非平衡状態可視化のためのプラットフォームを構築する。

Outline of Annual Research Achievements

初年度の令和5年度は、超タイコグラフィのスキームの実証に向けて、下記研究項目について研究を推進した。
(1)ダイナミックCDIの高度化
ダイナミックCDI用の高精度三角形開口の作製を行った。具体的には、両面研磨された白金箔あるいは窒化ケイ素膜に成膜された白金箔に対して集束イオンビーム加工を施すことによって作製し、その形状精度をSEM観察ならびに放射光コヒーレント回折強度パターンよって評価した。また、令和6年度に予定している次世代画像検出器CITIUSの導入に向けて、理化学研究所が所有するプロトタイプのCITIUS検出器を用いたコヒーレント回折強度パターン計測システムを開発した。これを用いたタイコグラフィ計測で~10nm分解能、0.01ラジアンの位相感度を達成した。また、NanoTerasuでのテンダーX線利用を向けて、真空対応の全反射集光鏡システムを設計・製作し、動作確認まで行った。
(2)ダイナミックCDIとXPCSとの連携計測・解析技術の開発
ポリビニルアルコール水溶液中に分散した金コロイド粒子の運動について、ダイナミックCDIと XPCSとで得られたデータに対して、人工知能の一つである機械学習の技術を採用した解析を実施した。これにより、数百ナノメートルの範囲ではブラウン運動が存在し、マイクロメートルの範囲では二つの運動モード、すなわち狭い領域に拘束された運動と異方的な拡散運動が存在することを見出した。また、CDIやXPCSを用いた電池材料、高分子材料、金属材料などの解析に関するテスト実験を行ない、CDIとXPCSの時空間スケールの融合について検討した。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

当初予定していた計画を順調に進めることができた。ダイナミックCDIの高度化として、理化学研究所が所有するプロトタイプのCITIUS検出器を用いたコヒーレント回折強度パターン計測システムを開発し、これを用いたダイナミックCDIのテスト測定に成功した。また、ダイナミックCDIとXPCSとの連携計測・解析技術として、人工知能の一つである機械学習の技術を採用した解析を行い、ポリビニルアルコール水溶液中に分散した金コロイド粒子の運動について、数百ナノメートルからマイクロメートルまでの広い空間スケールでの解析に成功した。

Strategy for Future Research Activity

今後の予定として、超タイコグラフィのスキームの実証に向けて、以下の要素技術開発を行う。
(1)ダイナミックCDIの高度化と逐次的像再構成法の開発
NanoTerasuに導入した真空対応の全反射集光鏡システムを立ち上げ、テンダーX線の集光ビーム形成のテスト実験を行う。また、次世代画像検出器CITIUSを導入し、高輝度テンダーX線を用いたダイナミックCDI計測システムを構築する。また、逐次的像再構成法として、時系列測定していることを考慮した深層ニューラルネットワークを用いた像再生法を開発する。そして、昨年度取得した金コロイド粒子の実験データに適用することでその有効性を検討する。
(2)ダイナミックCDIとXPCSとの連携計測・解析技術の開発
SPring-8において、CDIやXPCSを用いた電池材料、高分子材料、金属材料などの解析に関するテスト実験を行なう。そして、CDIとXPCSの時空間スケールの融合解析技術の開発を行う。具体的には、深層学習の一つ技術である敵対的生成ネットワークと強化学習技術を用いてXPCS フィッティング解析を連携して行うことで、動画イメージの時間分解能向上を目指す。

Report

(3 results)
  • 2023 Abstract ( PDF )   Comments on the Screening Results   Annual Research Report
  • Research Products

    (36 results)

All 2024 2023 Other

All Journal Article (8 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results,  Peer Reviewed: 8 results,  Open Access: 7 results) Presentation (27 results) (of which Int'l Joint Research: 9 results,  Invited: 16 results) Remarks (1 results)

  • [Journal Article] X-ray ptychographic and fluorescence microscopy using virtual single-pixel imaging based deconvolution with accurate probe images2023

    • Author(s)
      Abe Masaki、Ishiguro Nozomu、Uematsu Hideshi、Takazawa Shuntaro、Kaneko Fusae、Takahashi Yukio
    • Journal Title

      Optics Express

      Volume: 31 Issue: 16 Pages: 26027-26027

    • DOI

      10.1364/oe.495733

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  • [Journal Article] High-resolution and high-sensitivity X-ray ptychographic coherent diffraction imaging using the CITIUS detector2023

    • Author(s)
      Takahashi Yukio、Abe Masaki、Uematsu Hideshi、Takazawa Shuntaro、Sasaki Yuhei、Ishiguro Nozomu、Ozaki Kyosuke、Honjo Yoshiaki、Nishino Haruki、Kobayashi Kazuo、Hiraki Toshiyuki Nishiyama、Joti Yasumasa、Hatsui Takaki
    • Journal Title

      Journal of Synchrotron Radiation

      Volume: 30 Issue: 5 Pages: 989-994

    • DOI

      10.1107/s1600577523004897

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    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Coupling x-ray photon correlation spectroscopy and dynamic coherent x-ray diffraction imaging: Particle motion analysis from nano-to-micrometer scale2023

    • Author(s)
      Takazawa Shuntaro、Dao Duc-Anh、Abe Masaki、Uematsu Hideshi、Ishiguro Nozomu、Hoshino Taiki、Dam Hieu Chi、Takahashi Yukio
    • Journal Title

      Physical Review Research

      Volume: 5 Issue: 4

    • DOI

      10.1103/physrevresearch.5.l042019

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    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Dynamic behaviours of epoxy resin thin films during the curing process2023

    • Author(s)
      Hoshino Taiki、Okamoto Yasushi、Yamamoto Atsushi、Masunaga Hiroyasu
    • Journal Title

      Soft Matter

      Volume: 19 Issue: 18 Pages: 3267-3272

    • DOI

      10.1039/d2sm01500e

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      Hoshino Taiki、Nakayama Masanari、Hosokawa Yoshihiro、Mochizuki Kohei、Kajiyama Satoshi、Kohmura Yoshiki、Kato Takashi
    • Journal Title

      Nanoscale Advances

      Volume: 5 Issue: 14 Pages: 3646-3654

    • DOI

      10.1039/d3na00183k

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    • Author(s)
      Hirosawa Kazu、Iwama Tatsuhiro、Sakamoto Naoki、Masunaga Hiroyasu、Hoshino Taiki
    • Journal Title

      Physical Review Materials

      Volume: 7 Issue: 4 Pages: 045605-045605

    • DOI

      10.1103/physrevmaterials.7.045605

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  • [Journal Article] Towards understanding structure - property relations in materials with interpretable deep learning2023

    • Author(s)
      Vu Tien-Sinh、Ha Minh-Quyet、Nguyen Duong-Nguyen、Nguyen Viet-Cuong、Abe Yukihiro、Tran Truyen、Tran Huan、Kino Hiori、Miyake Takashi、Tsuda Koji、Dam Hieu-Chi
    • Journal Title

      npj Computational Materials

      Volume: 9 Issue: 1 Pages: 1-12

    • DOI

      10.1038/s41524-023-01163-9

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  • [Journal Article] Machine learning-derived reaction statistics for 3D spectroimaging of copper sulfidation in heterogeneous rubber/brass composites2023

    • Author(s)
      Matsui Hirosuke、Muramoto Yuta、Niwa Ryusei、Kakubo Takashi、Amino Naoya、Uruga Tomoya、Ha Minh-Quyet、Dinh Duy-Tai、Dam Hieu-Chi、Tada Mizuki
    • Journal Title

      Communications Materials

      Volume: 4 Issue: 1 Pages: 88-88

    • DOI

      10.1038/s43246-023-00413-z

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    • Author(s)
      高橋幸生
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  • [Presentation] Virtual singleーpixel imagingに基づくX線タイコグラフィー蛍光顕微法の提案2024

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      阿部真樹、石黒志、上松英司、高澤駿太郎、金子房恵、高橋幸生
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  • [Presentation] 超タイコグラフィによる微視的・非平衡状態の可視化2024

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      高橋幸生
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      上松英司、石黒志、川合航右、阿部真樹、高澤駿太郎、佐々木雄平、大川成、大久保將史、高橋幸生
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      第37回日本放射光学会年会・放射光科学合同シンポジウム
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  • [Presentation] 次世代画像検出器CITIUSを備えた高分解能X線タイコグラフィ装置の開発と応用2024

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      大川成、石黒志、阿部真樹、上松英司、高澤駿太郎、佐々木雄平、尾崎恭介、西野玄記、小林和生、平木俊幸、城地保昌、初井宇記、高橋幸生
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      高澤駿太郎、阿部真樹、上松英司、佐々木雄平、石黒志、高橋幸生
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      石黒志
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      第37回日本放射光学会年会・放射光科学合同シンポジウム
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      第37回日本放射光学会年会・放射光科学合同シンポジウム
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      Yukio Takahashi
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      The third edition of the International Forum on Detectors for Photon Science
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      星野大樹
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      星野大樹
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      星野大樹
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      第7回ゼオライトセミナー
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      星野 大樹, 三上 喬弘, 本城嘉章, 尾﨑恭介, 平木俊幸, 西野玄記, 城地保昌, 初井宇記, 加藤隆史
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      第37回日本放射光学会年会・放射光科学合同シンポジウム
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      Sanibel Symposium 2024
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      高橋幸生
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      高橋幸生
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      高橋幸生
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      Yukio Takahashi
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      Yukio Takahashi
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      星野大樹, 岡本泰志, 山本渥史, 増永啓康
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      星野 大樹、三上 喬弘、本城嘉章、尾﨑恭介、平木俊幸、西野玄記, 城地保昌、初井宇記、加藤隆史
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      Tien-Sinh Vu, Shuntaro Takazawa, Yukio Takahashi, and Hieu-Chi Dam
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      So Ishikawa and Hieu-Chi Dam
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      International Conference on Materials for Advanced Technologies
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    • Int'l Joint Research
  • [Remarks] 高橋幸生研究室

    • URL

      https://www2.tagen.tohoku.ac.jp/lab/takahashi-y/html/index.html

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Published: 2023-04-13   Modified: 2025-04-17  

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