| Project Area | Supra-ceramics: Molecule-driven frontier of inorganic materials |
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| Project/Area Number |
22H05146
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Transformative Research Areas (A)
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Review Section |
Transformative Research Areas, Section (II)
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| Research Institution | Japan Fine Ceramics Center |
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Principal Investigator |
桑原 彰秀 一般財団法人ファインセラミックスセンター, その他部局等, 主席研究員 (30378799)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
前園 涼 東京科学大学, 物質理工学院, マネジメント教授 (40354146)
辻 雄太 九州大学, 総合理工学研究院, 准教授 (80727074)
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| Project Period (FY) |
2022-06-16 – 2027-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2025)
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| Budget Amount *help |
¥110,760,000 (Direct Cost: ¥85,200,000、Indirect Cost: ¥25,560,000)
Fiscal Year 2025: ¥20,410,000 (Direct Cost: ¥15,700,000、Indirect Cost: ¥4,710,000)
Fiscal Year 2024: ¥19,760,000 (Direct Cost: ¥15,200,000、Indirect Cost: ¥4,560,000)
Fiscal Year 2023: ¥19,370,000 (Direct Cost: ¥14,900,000、Indirect Cost: ¥4,470,000)
Fiscal Year 2022: ¥31,330,000 (Direct Cost: ¥24,100,000、Indirect Cost: ¥7,230,000)
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| Keywords | 第一原理計算 / 分子ユニット / マテリアルインフォマティクス / 表面構造 / セラミック材料 / マテリアルズ・インフォマティクス / 点欠陥 / フォノン / 遺伝的アルゴリズム / 表面 / 触媒 / 材料インフォマティクス |
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| Outline of Research at the Start |
本研究課題では第一原理計算を用いて超セラミックスにおける特異な構造多様性とその電子状態の解析を行い、超セラミックスにおける分子イオンの特徴的な安定配位構造や格子振動状態、表面と分子間の反応挙動を解明する。B班（解析）内で実験チームと連携しながら、実験スペクトルの理論解釈やハイスループット物質探索と材料設計を実施し、得られた知見をA班（合成）、C班（物性・機能）にフィードバックすることで材料開発を推進する。特に、マテリアルズインフォマティクス（MI）や人工知能（AI）を駆使することで、結晶と分子が協奏する超セラミックス材料の構造と機能の支配因子を捉え、その学理を構築する。
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| Outline of Annual Research Achievements |
超セラミックス材料の構造解析と物質変換反応の計算機シミュレーション（桑原）： 様々な超セラミックス材料における点欠陥形成挙動について系統的かつ網羅的な第一原理計算を行った。分子ユニットを有する超セラミックス材料においても、分子ユニットを一つの「分子サイト」とみなして配位欠損や追加の配位子形成を「分子状欠陥」として取り扱うことで、セラミック材料における「欠陥化学」に基づいた定量的な解析が有用であることが確認された。特に、超セラミックス材料では分子ユニットを内包することから、雰囲気中の分子の影響を加味した第一原理計算が有効である。超セラミックス材料における特異な逐次相転移や熱膨張挙動は分子ユニットと周囲の結晶構造フレームワーク、あるいは分子ユニット同士の相互作用によってもたらされることが、有限温度での分子動力学計算による振動状態解析によって明らかにすることに成功した。また、ハイスループット第一原理計算の自動化手法を確立し、超セラミックスデータベースの構築が進展している。
超セラミックス材料のデータ駆動型物質探索と合成可能性予測（前園）：当面の課題としていた遺伝的アルゴリズムによる結晶構造探索は、方法論的な基盤確立を終え、広く協働に供することのできるプロダクトランのレベルに至り、領域内の実験研究者との協働も含め多くの原著成果に至っている。
超セラミックス表面の反応と物性の理論的研究（辻）：ZnOナノワイヤ表面にODPA（オクタデシルホスホン酸）を修飾し、そのアルキル鎖がカルボン酸塩の脱離エネルギーを低減させることをDFT計算により解明した。これにより、触媒被毒化が抑制され、センサー応答の回復が促進されるメカニズムが理論的に示された。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
超セラミックス材料の構造解析と物質変換反応の計算機シミュレーション（桑原）：昨年度のCa添加YPO4に加えて、Mg2+やZn2+などのアクセプター添加ScPO4における点欠陥形成エネルギーの網羅計算を実施し、ScPO4の系でもリン酸水素イオン(HPO4)2-の形成を通じたプロトン伝導性発現の可能性があることを見出した。(NH4)3MF7 (M = Ge, Ti, Sn)における特異な固相-固相の逐次相転移挙動についてnTP一定の第一原理分子動力学計算によって分子ユニットの振動モードと格子定数変化の相関を明らかにした。またシアナミド化合物の熱膨張挙動の機械学習ポテンシャル分子動力学計算による解析を行い、(NCN)-の分子ユニットの振動状態を明らかにした。結晶構造のcifファイルの入力から各物性値の第一原理計算を自動処理するプログラムが完成し、超セラミックス材料データベースの構築を進めながら、領域内での公開に向けてGUIの整備を行った。
超セラミックス材料のデータ駆動型物質探索と合成可能性予測（前園）：データ科学的構造探索では6報、計算熱力学で2報、量子機械学習などで5報の原著論文成果を挙げている。実験研究者への計算科学技術移転がよく進み、密度汎関数法を用いた物性解析に関する15報の共著論文は、殆どが協働先研究者の実務によるものである。解説記事としては、ブックチャプタ2報、学会誌記事1報の成果を挙げた。
超セラミックス表面の反応と物性の理論的研究（辻）：酸素発生反応は、水電解のエネルギーボトルネックである。我々は、IrO2の異なる結晶相（Pbcn, C2/m, P42/mnm）および各表面（110, 100, 001）のOER活性を密度汎関数法（DFT）で解析した。計算結果により、各結晶相と表面の反応エネルギーと活性化障壁の違いを評価し、高活性相と表面が実験結果と一致することを確認した。
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| Strategy for Future Research Activity |
超セラミックス材料の構造解析と物質変換反応の計算機シミュレーション（桑原）：
プロトン伝導性リン酸塩については一部のアクセプター添加系については水蒸気分圧の制御によって固溶限が上昇する可能性が第一原理計算の結果から示唆されたことを踏まえて、超セラミックス領域内の実験グループによる検証実験を行う予定である。(NH4)+ユニットの振動と相転移挙動については別のペロブスカイト系超セラミックス材料でも特異な固相固相相転移挙動を示す系が実験グループで確認されたので、共同で解析を進める。超セラミックスデータベースを領域内メンバーに公開し、集合知による新奇超セラミックス材料合成を推進する。
超セラミックス材料のデータ駆動型物質探索と合成可能性予測（前園）：構造探索の方面では、エネルギー値を評価関数とした遺伝的アルゴリズム、群知能アルゴリズムで成果を固めてきたが、機械学習ポテンシャルを駆使して物性値そのものを評価関数とするような探索に成果が出始めている。量子機械学習などの協働も進んでおり、データ駆動型による、より高速で実用的な物質探索研究を推進する。
超セラミックス表面の反応と物性の理論的研究（辻）：水電解における酸素発生反応の効率化を目指し、これまでのIrO2の結晶相および面方位に関する理論的知見を基に、さらなる活性相および構造の探索を進める。具体的には、遷移金属酸化物やスピネル構造を対象に、第一原理計算および機械学習ポテンシャルを活用し、反応エネルギーおよび活性化障壁の評価を行う。
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