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2023 Fiscal Year Annual Research Report

データ記述科学を用いた材料解析とそのイノベーション展開

Planned Research

Project AreaEstablishing data descriptive science and its cross-disciplinary applications
Project/Area Number 22H05109
Research InstitutionHigh Energy Accelerator Research Organization

Principal Investigator

木村 正雄  大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構, 物質構造科学研究所, 教授 (00373746)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 武市 泰男  大阪大学, 大学院工学研究科, 助教 (40636461)
稲田 康宏  立命館大学, 生命科学部, 教授 (60242814)
赤木 和人  東北大学, 材料科学高等研究所, 准教授 (50313119)
岡本 敦  東北大学, 環境科学研究科, 教授 (40422092)
Project Period (FY) 2022-06-16 – 2027-03-31
KeywordsX線顕微鏡 / X線吸収分光 / パーシステントホモロジー / Trigger sites / CFRP / 焼結鉱 / リチウムイオン電池
Outline of Annual Research Achievements

本課題では、(1)材料中の組織や化学状態のX線分光顕微鏡による解明、 (2)得られた多次元データの高次元可視化、 (3)様々な物性値の‘かたち’やその‘うごき’の観点から、材料の機能発現や機能劣化の起点(=“trigger sites”)を特定する数理的アプローチの開発、を進める。今年度は、社会インフラ構造材料の劣化・破壊、およびエネルギー関連材料(電池)の機能発現に加えて、新たな展開領域として地球科学分野の反応解析、を追加した。それぞれの分野での進捗は下記の通り。
・航空機用の構造材料である炭素繊維強化プラスチック(CFRP)について、2022年度に確立した放射光X線顕微鏡による観察を進め、亀裂の発生・進展挙動の最大の支配因子である炭素繊維の配列について、パーシステントホモロジーを用いた位相的データ解析による定量化が可能であることを見いだした。さらに亀裂の‘かたち’とその‘うごき’そのものの数理的記述法についても検討をすすめた。
・化学状態をマッピングするための硬X線分光顕微鏡の空間分解能を1/10に高度化することに成功し、鉄鉱石(Fe-Ca-Oの複合酸化物)の還元に伴う変化を観察するのに必要な高空間分解能化を実現した。
・X線分光顕微鏡を用いて充放電サイクル中のリチウムイオン電池の活物質内の充電相、放電相の‘かたち’の変化をパーシステントホモロジーを用いた位相的データ解析により定量化が可能であることを見いだし、化学種(リチウム)と電子の移動による電気化学反応メカニズムについて検討を進めた。
・海洋底岩石圏の鉱物の生成反応について、様々なX線顕微鏡を用いて化学反応に伴う特徴的な鉱物組織の変化の可視化に成功し、それが過去に起こった反応のメカニズム推定に有力な新情報を提供可能であることを確認した。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

昨年度時点での計画において、5年間の2年目の今年は、初年度に高度化を進めたX線顕微鏡の計測技術を用いて、各材料系で、反応に伴う化学状態や微細組織の‘かたち’の‘うごき’の観察とその位相的データ解析を進めることとなっていた。
計画していた、(a) CFRP内での亀裂発生・進展挙動のX線顕微鏡ビッグデータについてのパーシステントホモロジーを用いた位相的データ解析、(b) 硬X線分光顕微鏡を用いた化学状態のマッピング技術の空間分解能の高度化(1/10を達成)、(c) リチウムイオン電池の活物質内の充電相、放電相の‘かたち’の変化の位相的データ解析、の三項目すべてについて目標とした研究内容を達成することができた。特に(a)については、研究加速のために当該分野の分担者を1名追加し、多次元の‘かたち’の‘うごき’について検討を進める等の目標以上の内容を達成できた。
更に、X線顕微鏡観察とそのビッグデータの位相的データ解析技術の新たな展開領域として地球科学分野へと応用を展開することができ、(d) 海洋底岩石圏の鉱物の生成反のX線顕微鏡観察、を追加で実施することができた(当該分野の研究推進のために分担者を1名追加)。本課題のアプローチが新たな分野へ展開できたことは、提案する研究内容の普遍性・新規性を示していると考え、今後も同分野での研究を継続して推進していく。

Strategy for Future Research Activity

5年間の3年目となる2024年度は、初年度:X線顕微鏡の計測技術の高度化、2年目:各材料系への展開、に引き続いて、X線顕微鏡観察により得られた 反応に伴う化学状態や微細組織の‘かたち’の‘うごき’の位相的データ解析を進め、反応メカニズムとの関連性を解明していく。具体的には、以下の項目を推進していく。
(1) 材料の機能発現や機能劣化の起点(=“trigger sites”)を理解するために、多次元(=3D組織+エネルギー+反応軸+etc)のビッグデータの可視化技術を高度化する(数理探索班との連携)。(2) CFRPの炭素繊維配列の位相的データ解析を進め、亀裂の起点( “trigger sites”)が発生しやすい領域の特定につなげる。また、亀裂の‘かたち’とその‘うごき’から、亀裂発生のタイミングの数理的解析を進める。
(3) 鉄鉱石(Fe-Ca-Oの複合酸化物)について、X線吸収分光による化学状態マッピングと従来の結晶微細組織の情報複合による、還元反応の“trigger sites”の特定と予測を可能とするアプローチ法の研究を進める。
(4) リチウムイオン電池の活物質について、充放電サイクル中の充電相、放電相の‘かたち’の変化をパーシステントホモロジーを用いた位相的データ解析により、反応活性が高い領域の特徴抽出を行う(データ科学班との連携)
(5) 海洋底岩石圏の鉱物の生成反応について、化学反応に伴う特徴的な鉱物組織の変化の可視化データから、位相的データ解析により反応モードの特定が可能かどうか、実験と合わせて検証を進める。

  • Research Products

    (27 results)

All 2024 2023 Other

All Journal Article (5 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results,  Peer Reviewed: 5 results,  Open Access: 5 results) Presentation (20 results) (of which Int'l Joint Research: 8 results,  Invited: 1 results) Remarks (1 results) Funded Workshop (1 results)

  • [Journal Article] Nano-to macroscale In Situ observation of microcrack formation in carbon fiber-reinforced plastic under loading using synchrotron transmission X-ray microscopy2023

    • Author(s)
      Kimura Masao、Watanabe Toshiki、Oshima Sota、Takeichi Yasuo、Niwa Yasuhiro、Kitazawa Rumi、Ishii Tomohiro、Seryo Yuji、Hojo Masaki
    • Journal Title

      AIP Conf. Procd.

      Volume: 2990 Pages: 020008

    • DOI

      10.1063/5.0169168

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Effect of the compatibilizer on the morphology of a phenoxy-resin/nylon-12 polymer alloy: A scanning transmission x-ray microscopy study2023

    • Author(s)
      Harano Takayuki、Yoshioka Takahiro、Sakurai Shin’ichiro、Ohara Hiroaki、Origuchi Sakura、Mukudai Jun、Takeichi Yasuo、Yamashita Shohei、Takahashi Hiroyuki、Yoshino Hideaki、Adachi Kyoko、Kimura Masao
    • Journal Title

      AIP Conf. Procd.

      Volume: 2990 Pages: 020013

    • DOI

      10.1063/5.0168123

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Geological records of transient fluid drainage into the shallow mantle wedge2023

    • Author(s)
      Yoshida Kazuki、Oyanagi Ryosuke、Kimura Masao、Pl?mper Oliver、Fukuyama Mayuko、Okamoto Atsushi
    • Journal Title

      Science Advances

      Volume: 9 Pages: eade6674

    • DOI

      10.1126/sciadv.ade6674

    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Oxidation-induced nanolite crystallization triggered the 2021 eruption of Fukutoku-Oka-no-Ba, Japan2023

    • Author(s)
      Yoshida Kenta、Miyake Akira、Okumura Shota H.、Ishibashi Hidemi、Okumura Satoshi、Okamoto Atsushi、Niwa Yasuhiro、Kimura Masao、Sato Tomoki、Tamura Yoshihiko、Ono Shigeaki
    • Journal Title

      Scientific Reports

      Volume: 13 Pages: 7117

    • DOI

      10.1038/s41598-023-34301-w

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Micromechanism of Heterogeneous Reduction of Iron Ore Sinters Investigated by Synchrotron X-Ray Multimodal Analysis2023

    • Author(s)
      Takeichi Yasuo、Murao Reiko、Kimura Masao
    • Journal Title

      ISIJ International

      Volume: 63 Pages: 2017~2022

    • DOI

      10.2355/isijinternational.isijint-2023-215

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Presentation] XAFSスペクトルの不確実性の定量化と計測最適化2024

    • Author(s)
      伊藤 優成, 武市 泰男, 日野 英逸, 小野 寛太
    • 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] 5次元データ可視化システムの開発2024

    • Author(s)
      木村正雄,城戸大貴,渡邊稔樹,石現,丹羽尉博,内本喜晴
    • 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] PF 軟X線顕微分光ビームライン(BL-19A/B)の高度化と応用研究2024

    • Author(s)
      山下翔平、武市泰男、木村正雄
    • 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] Finding “trigger sites” of reactions among heterogeneous materials from X-ray microscopic big data using persistent homology2024

    • Author(s)
      Masao Kimura, Ippei Obayashi, Daiki Kido, Yasuhiro Niwa, Xichan Gao, Kazuto Akagi
    • Organizer
      TMS 2024, 153rd Annual Meeting
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] マルチスケールX線顕微法のデジタルツイン解析による高度化2024

    • Author(s)
      木村正雄、城戸大貴、石田貴也、西川琢斗、杉村悠樹、稲田康宏、伊藤優成、武市泰男、Mayrene Uy、丹羽尉博、石井友弘、山下翔平、渡邊稔樹、吉田一貴、吉田健太、岡本敦
    • Organizer
      2023年度量子ビームサイエンスフェスタ
  • [Presentation] 軟X線顕微分光のマルチモード分析に向けた取り組み2024

    • Author(s)
      山下翔平、若林大佑、武市泰男、木村正雄
    • Organizer
      2023年度量子ビームサイエンスフェスタ
  • [Presentation] Nano- to macroscale in situ observation of cracking and deformation2023

    • Author(s)
      M. Kimura
    • Organizer
      The Advanced Tehchnology in Experimental Mechanics and International DIC Society Joint Conference 2023
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Hydrogen Production in the Oceanic Lithosphere: Implications from the Oman Ophiolite2023

    • Author(s)
      Kazuki Yoshida, Atsushi Okamoto, Ryosuke Oyanagi, Masakazu Fujii, Yasuhiro Niwa, Yasuo Takeichi, Shuhei Tanaka, Masao Kimura
    • Organizer
      JpGU(Japan Geoscience Union Meeting) 2023
  • [Presentation] Evolution of 3-D pore structures in feldspar replacement: Insights from hydrothermal experiments and repeated X-ray tomography2023

    • Author(s)
      Shuhei Fujiwara, Atsushi Okamoto, Masaoki Uno, Kazuki Yoshida, Tomohiro Ishii, Masao Kimura
    • Organizer
      JpGU(Japan Geoscience Union Meeting) 2023
  • [Presentation] Redox state of iron during serpentinization of the crust-mantle transition zone to the upper mantle section of the Oman Ophiolite2023

    • Author(s)
      Kazuki Yoshida, Atsushi Okamoto, Ryosuke Oyanagi, Masakazu Fuji, Yasuhiro Niwa, Yasuo Takeichi, Shuhei Tanaka, Masao Kimura
    • Organizer
      17th International Symposium on Water-Rock Interaction
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Transient fluid flow in the subduction zone setting: Implications from the Oman Ophiolite2023

    • Author(s)
      Kazuki Yoshida, Ryosuke Oyanagi, Masao Kimura, Oilver Plumper, Mayuko Fukuyama, Atsushi Okamoto
    • Organizer
      17th International Symposium on Water-Rock Interaction
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Evolution of 3-D pore structures in feldspar replacement by brine: Insights from hydrothermal experiments and repeated X-ray tomography2023

    • Author(s)
      Shuhei Fujiwara, Atsushi Okamoto, Masaoki Uno, Kazuki Yoshida, Tomohiro Ishii, Masao Kimura
    • Organizer
      17th International Symposium on Water-Rock Interaction
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Integrated analysis using rock magnetism and synchrotron radiation for magnetite within abyssal serpentinized peridotites2023

    • Author(s)
      Masakazu Fujii, Kazuki Yoshida, Atsushi Okamoto, Kenta Yoshida, Ryosuke Oyanagi, Yasuhiro Niwa, Masao Kimura
    • Organizer
      17th International Symposium on Water-Rock Interaction
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Heterogeneous reduction of iron ore sinters investigated by using synchrotron X-ray microanalyses2023

    • Author(s)
      Y. Takeichi, Y. Niwa, R. Murao, M. Kimura
    • Organizer
      26TH CONGRESS AND GENERAL ASSEMBLY OF THE INTERNATIONAL UNION OF CRYSTALLOGRAPHY
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] リチウムイオン電池の充放電サイクルで得られたX線顕微分光データのパーシステントホモロジー解析2023

    • Author(s)
      城戸大貴,渡邊稔樹,石現,丹羽尉博,内本喜晴,木村正雄
    • Organizer
      第26回XAFS討論会
  • [Presentation] ギガピクセルイメージングXAFS による焼結鉱の還元状態の評価2023

    • Author(s)
      武市泰男, 伊藤優成 , 丹羽尉博 , 木村正雄 , 小野寛太
    • Organizer
      第26回XAFS討論会
  • [Presentation] 長石の熱水変質に伴う3次元空隙構造の幾何学的特徴の考察2023

    • Author(s)
      藤原秀平, 岡本敦, 宇野正起, 吉田一貴, 石井友弘, 木村正雄
    • Organizer
      日本地質学会第130年学術大会
  • [Presentation] オマーンオフィオライト下部地殻―上部マントルの蛇紋岩化によるFe(III)の空間分布:マルチスケール観察からの考察2023

    • Author(s)
      吉田一貴、岡本 敦、大柳良介、藤井昌和、丹羽 尉博、武市 泰男、木村 正雄
    • Organizer
      日本地質学会第130年学術大会
  • [Presentation] X 線吸収分光スペクトルの不確実性の定量化と計測最適化への応用2023

    • Author(s)
      伊藤 優成, 武市 泰男, 日野 英逸, 小野 寛太
    • Organizer
      第84回応用物理学会秋季学術講演会
  • [Presentation] Finding “trigger sites” of reactions among the heterogeneity of materials by using X-ray microscopy and persistent homology analysis2023

    • Author(s)
      Masao Kimura, Ippei Obayashi, Daiki Kido, Yasuhiro Niwa, Toshiki Watanabe, Yasuo Takeichi, Xichan Gao, Kazuto Akagi, Yasuaki Hiraoka
    • Organizer
      MRM2023/IUMRS-ICA2023
    • Int'l Joint Research
  • [Remarks] Material Science Project at IMSS,KEK

    • URL

      https://sip-sm4i.kek.jp/

  • [Funded Workshop] TDA week 20232023

URL: 

Published: 2024-12-25  

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