| 研究領域 | データ記述科学の創出と諸分野への横断的展開 |
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| 研究課題/領域番号 |
22H05109
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| 研究種目 |
学術変革領域研究(A)
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| 配分区分 | 補助金 |
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| 審査区分 |
学術変革領域研究区分(Ⅱ)
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| 研究機関 | 大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構 |
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研究代表者 |
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)
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| 研究分担者 |
岡本 敦 東北大学, 環境科学研究科, 教授 (40422092)
武市 泰男 大阪大学, 大学院工学研究科, 助教 (40636461)
赤木 和人 東北大学, 材料科学高等研究所, 准教授 (50313119)
稲田 康宏 立命館大学, 生命科学部, 教授 (60242814)
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| 研究期間 (年度) |
2022-06-16 – 2027-03-31
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| 研究課題ステータス |
交付 (2025年度)
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| 配分額 *注記 |
203,190千円 (直接経費: 156,300千円、間接経費: 46,890千円)
2025年度: 37,440千円 (直接経費: 28,800千円、間接経費: 8,640千円)
2024年度: 37,180千円 (直接経費: 28,600千円、間接経費: 8,580千円)
2023年度: 36,530千円 (直接経費: 28,100千円、間接経費: 8,430千円)
2022年度: 54,080千円 (直接経費: 41,600千円、間接経費: 12,480千円)
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| キーワード | X線顕微法 / 放射光 / 電池 / 鉱物 / パーシステントホモロジー / X線顕微鏡 / X線吸収分光 / Trigger sites CFRP / CFRP / 二次電池 / リチウムイオン電池 / 海洋底岩石圏 / 構造材料 / Trigger sites / 焼結鉱 / ＣＦＲＰ |
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| 研究開始時の研究の概要 |
材料のマクロ特性の変化（例えば、電池の機能劣化、構造材料の破壊）は、材料内で均一に進行するのでは無く、様々な不均一化が進行して、あるタイミングに何らかの起点（trigger sites）から突然進行するケースが多い。
そこで本課題では、X線分光顕微鏡を用いて材料中の微細組織と化学状態の不均一状態を可視化する高度計測技術を確立する。それを材料に適用して不均一状態の可視化を行い、その「かたち」や「うごき」の抽出を、基礎研究班、データ科学班、数理探索班、等と連係して進める。これにより、計測のビッグデータから材料のマクロ特性を決めるtrigger sitesを特定し、材料開発にフィードバックする。
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| 研究実績の概要 |
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。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りき裂の起点(trigger sites) を特定する方法を提案することができた(論文化)。
・X線分光顕微鏡による化学状態マッピングデータについて、数億本のスペクトルデータから、材料中の化学状態のセグメンテーション（割り付け）が数時間で可能になった（予めX線吸収分光のデータベースから事前確率分布を求め、それをベースにしてボロノイ分割＆クラスタリングを行う）(論文化)。
・X線分光顕微鏡を用いて二次電池の電気化学ポテンシャルの変化（充放電サイクル）に伴う金属の化学状態をその場(in situ)観察を実施した。最近注目されている塩化物の酸化還元反応：MCl2=M+2Cl (M=Co, Ni, Cu) について、温度と電気化学ポテンシャルの2つの外場による反応のメカニズム解明に取り組み、熱化学的転換と電気化学的転換の関係性を明らかにした(論文化)。
・岩石―流体反応に関して、X線顕微鏡による新たな観察法の開発に取り組んだ。その結果、プレートの沈み込み帯の短期的な流体移動の痕跡を上盤マントルで発見することに成功した(論文化)。これは、沈み込み帯における地震活動と流体との関係を示唆するものであり、プレート境界地震のメカニズムの解明に貢献できると期待される。
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| 現在までの達成度 |
現在までの達成度
1: 当初の計画以上に進展している
理由
昨年度時点での計画において、5年間の3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。各項目での目標に対する進捗状況以下の通りであり、総合的に判断して、当初の計画以上に進展している
<テーマ1> X線分光顕微鏡による多次元データのVR可視化とデータ次元圧縮→中間以降に取り組む予定の「多次元データ可視化」を前倒しでとりくみ、実際のシステム構築まで完了できた(論文化)。中間目標である「空間(2D)+エネルギーの3Dビッグデータ解析」を、ボロノイ分割とクラスタリング法の組み合わせアプローチで目標達成(論文化)。
<テーマ2> 鉄系酸化物の還元プロセス および CFRPのき裂発生のtrigger sitesの特定→「鉄系酸化物の三次元 trigger sites」については手法論を確立(論文化)。「CFRPのき裂発生」についてもPHを用いたTDAでのtrigger sitesの特定に成功(論文4)。両材料系で中間目標以上の成果を得ている。
<テーマ3> 活物質内の化学状態マルチスケールマッピング→技術的困難さや故障等のトラブルのためX線顕微鏡による観察法の高度化が予定よりやや遅れたが技術確立を行い測定の目処がたった。その一方で充放電サイクルでのin situ観察により熱化学的転換と電気化学的転換の関係性を明らかにすることに成功(論文化)。
<テーマ4> 海洋底岩石圏の鉱物の水との反応の可視化→今年度の新規追加項目であるが、プレートの沈み込み帯の短期的な流体移動の痕跡を上盤マントルで発見することに成功した(論文化)。今後は、X線顕微鏡により得られた微細組織の‘かたち’の位相的データ解析に取り組んで行く。
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| 今後の研究の推進方策 |
5年間の4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、3年目：各材料系でのX線顕微鏡データの位相的データ解析への着手、に引き続いて、位相的データ解析により得られた 反応に伴う化学状態や微細組織の‘かたち’の‘うごき’について、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）のビッグデータからの情報抽出技術を高度化する（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を特定し、材料の余寿命予測への展開を検討する。
(3) 鉄鉱石の水素還元について、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。
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