Elucidation of the formation mechanism of complex glasses by in-situ PDF analysis and machine-learning modeling

• Project Area: Supra-ceramics: Molecule-driven frontier of inorganic materials
• Project/Area Number: 23H04642
• Research Category: Grant-in-Aid for Transformative Research Areas (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Transformative Research Areas, Section (II)
• Research Institution: Japan Synchrotron Radiation Research Institute
• Principal Investigator: 山田 大貴 公益財団法人高輝度光科学研究センター, 回折・散乱推進室, 研究員 (50873684)
• Project Period (FY): 2023-04-01 – 2025-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥5,460,000 (Direct Cost: ¥4,200,000、Indirect Cost: ¥1,260,000); Fiscal Year 2024: ¥2,730,000 (Direct Cost: ¥2,100,000、Indirect Cost: ¥630,000); Fiscal Year 2023: ¥2,730,000 (Direct Cost: ¥2,100,000、Indirect Cost: ¥630,000)
• Keywords: 錯体ガラス / PDF解析 / 放射光 / 超セラミックス / 二体分布関数解析 / 高エネルギーX線全散乱法 / 二体分布関数 / 有機-無機多孔体

Outline of Research at the Start

「in-situ PDF法と機械学習構造モデリングの協奏による錯体ガラスの形成メカニズムの解明」を目指し研究を実施する。近年構造材料やイオン伝導材料としての応用を見据えて、MOF (Metal-Organic Framework)ガラスが注目を集めている。本研究では、放射光測定と先端的な非晶質モデリング手法を用いてMOFガラスの構造の特徴を解釈することで、MOFのガラス形成能に寄与する因子は何か」という“超セラミックス材料の生成機構”の核心の問いを解明する。

Outline of Annual Research Achievements

構造材料やイオン伝導材料としての応用を見据えて、“超セラミックス”材料の１つであるMOF (Metal-Organic Framework)ガラスが注目を集めている。このMOFガラスの形成機構を解析する有力な手法として二体分布関数 (PDF) 解析があるが、放射光測定に適した実験装置群の構築および非晶質構造解析そのものの難しさから、反応下でのMOFガラスの形成過程をin -situ PDFにより直接観察するような研究は未だ限定的である。この課題を解決するため、様々なin situ測定環境を構築し、なおかつ非経験的で精度の高い非晶質モデリング手法を用いてその構造の特徴を解釈することで、MOFのガラス形成能に寄与する因子は何か」という“超セラミックス材料の生成機構”の核心の問いを解明することを目指し研究を進めている。
本年度は、温度可変雰囲気での高速PDF測定を実現し様々な組成の超セラミックス材料を測定すべく、新しい測定システムを構築することに注力した。具体的には、サンプルチェンジャや高温/低温吹き付け装置、そしてこれらのサンプル環境と連携した2台の2次元検出器を用いた新しい測定システム（ハイスループットPDF測定装置）を構築した。本システムで使用される二次元CdTe検出器 (LAMBDA CdTe 750K) は広くこれまで使用されてきたフラットパネル型検出器と比べピクセルサイズが小さく、光子計数型であり短時間で高統計データの取得が可能である。これにより温度変化等のPDF測定が容易に実施可能になるとともに既存の装置での測定と比較して最大100倍の測定の高速化が実現しすでに多くの超セラミックス材料の測定を実施、いくつかの成果が創出されている。

Current Status of Research Progress

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

Reason

本年度は、温度可変雰囲気での高速PDF測定を実現し様々な組成の超セラミックス材料を測定すべく、新しい測定システムを構築することに注力した。具体的には、サンプルチェンジャや高温/低温吹き付け装置、そしてこれらのサンプル環境と連携した2台の2次元検出器を用いた新しい測定システム（ハイスループットPDF測定装置）を構築した。本システムで使用される二次元CdTe検出器 (LAMBDA CdTe 750K) は広くこれまで使用されてきたフラットパネル型検出器と比べピクセルサイズが小さく、光子計数型であり短時間で高統計データの取得が可能である。これにより温度変化等のPDF測定が容易に実施可能になるとともに既存の装置での測定と比較して最大100倍の測定の高速化が実現しすでに多くの超セラミックス材料の測定を実施、いくつかの成果が創出されていること、また本測定に関する論文化の準備も進めていることから順調であると判断できる。

Strategy for Future Research Activity

今後の研究の推進としては、高速PDF測定を用いて更なる超セラミックスの微細構造解析を実施し“超セラミックス”の生成・劣化に関わる知見を集積することを目指す。具体的には新しく構築した高速測定システムを用いた様々な超セラミックス材料の構造解析を一層進めるとともに、メカノケミカル反応過程での構造解析システムの構築を進め新たなin situ測定を実現する。

Research Products

• [Journal Article] イオン伝導ガラス中のリチウムイオン輸送環境の解明 (2024)
  • Author(s): 山田大貴、尾原幸治
  • Journal Title: クリーンエネルギー Volume: 33 Pages: 41-50
• [Journal Article] Creating glassy states of dicarboxylate-bridged coordination polymers (2023)
  • Author(s): Fan Zeyu、Wei Yong-Sheng、Das Chinmoy、Kanamori Kazuyoshi、Yamada Hiroki、Ohara Koji、Horike Satoshi
  • Journal Title: Chemical Communications Volume: 59 Issue: 96 Pages: 14317-14320
  • DOI: 10.1039/d3cc04518h
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Heterogenous CO2 Reduction Photocatalysis of Transparent Coordination Polymer Glass Membranes Containing Metalloporphyrins (2023)
  • Author(s): Izu Hitoshi、Tabe Hiroyasu、Namiki Yuji、Yamada Hiroki、Horike Satoshi
  • Journal Title: Inorganic Chemistry Volume: 62 Issue: 29 Pages: 11342-11349
  • DOI: 10.1021/acs.inorgchem.3c00700
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Formation of Porosity toward Acetylene upon Vitrification of Non-porous Photochromic Coordination Polymer Crystals (2023)
  • Author(s): Fan Zeyu、Wei Yong-Sheng、Tabe Hiroyasu、Nakatani Tomotaka、Das Chinmoy、Yamada Hiroki、Horike Satoshi
  • Journal Title: Chemistry of Materials Volume: 35 Issue: 10 Pages: 3859-3866
  • DOI: 10.1021/acs.chemmater.2c03510
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 高エネルギーX線全散乱測定データと機械学習ポテンシャルを組み合わせた逆モンテカルロ法による非晶質構造解析 (2023)
  • Author(s): 山田大貴、尾原幸治
  • Journal Title: セラミックス Volume: 58 Pages: 668-671
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 高エネルギーX 線全散乱測定データと機械学習ポテンシャルを組み合わせた逆モンテカルロ法による非晶質構造解析 (2024)
  • Author(s): 山田大貴
  • Organizer: ニューガラスセミナー
  • Invited
• [Presentation] BL04B2におけるハイスループットPDF測定装置の開発 (2024)
  • Author(s): 山田大貴, 下野聖矢, 河口彰吾, Tseng Jochi
  • Organizer: 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
• [Presentation] 超セラミックス材料の局所構造解明に資する高エネルギーX線全散乱測定システム及び構造解析手法の開発 (2023)
  • Author(s): 山田大貴, Tseng Jochi, 下野聖矢, 尾原幸治
  • Organizer: 第36回日本セラミックス協会秋季シンポジウム