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インフォマティクスと構造データを活用した高分子材料の機能予測研究

研究課題

研究課題/領域番号 18H03850
研究種目

基盤研究(A)

配分区分補助金
応募区分一般
審査区分 中区分26:材料工学およびその関連分野
研究機関国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構

研究代表者

前川 康成  国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 高崎量子応用研究所, 副所長 (30354939)

研究分担者 川勝 年洋  東北大学, 理学研究科, 教授 (20214596)
小泉 智  茨城大学, 理工学研究科(工学野), 教授 (00343898)
大和田 謙二  国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 関西光科学研究所 放射光科学研究センター, グループリーダー (60343935)
趙 躍  国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 高崎量子応用研究所 先端機能材料研究部, 上席研究員 (30450307)
大道 正明  国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 高崎量子応用研究所 先端機能材料研究部, 主幹研究員 (10625453)
廣木 章博  国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 高崎量子応用研究所 先端機能材料研究部, 主幹研究員 (10370462)
研究期間 (年度) 2018-04-01 – 2022-03-31
研究課題ステータス 完了 (2021年度)
配分額 *注記
43,680千円 (直接経費: 33,600千円、間接経費: 10,080千円)
2021年度: 8,580千円 (直接経費: 6,600千円、間接経費: 1,980千円)
2020年度: 9,230千円 (直接経費: 7,100千円、間接経費: 2,130千円)
2019年度: 11,960千円 (直接経費: 9,200千円、間接経費: 2,760千円)
2018年度: 13,910千円 (直接経費: 10,700千円、間接経費: 3,210千円)
キーワード高分子電解質膜 / 燃料電池 / 放射線グラフト重合 / マテリアルズ・インフォマティクス / 機械学習 / 中性子小角散乱 / 粗視化分子動力学シミュレーション / インフォマティクス / 高分子材料 / 機能予測 / X線小角散乱
研究成果の概要

本研究では、放射線グラフト重合で作製した高分子機能性材料の導電性などの機能予測に、ランダムフォレスト法が適していることを見出した。機能性に影響を及ぼす重要なパラメータを解明することで、機能向上のための材料設計指針を得ることができた。また、量子ビームを用いた高分子機能性材料の構造解析により、機能性発現の構造的要因を明らかにするとともに、機能予測のための構造データを取得することができた。更に、粗視化分子動力学シミュレーションにより構造の可視化、及び数値化に成功し、本シミュレーションが構造データの拡充に有用であることを示した。

研究成果の学術的意義や社会的意義

高分子機能材料は、無機材料に比べ、機能性を支配する組成、化学構造や階層構造など特徴パラメータが多いため、機械学習の適用が困難とされてきたが、本研究において、高分子機能性材料の機能予測手法の構築、機能発現の構造因子解明などの成果を上げたことは、学術的に意義がある。また、高分子機能性材料にインフォマティクスを活用できることを示したことで、日本が得意とする機能性材料の研究開発の更なる国際競争力強化をもたらすと期待される。

報告書

(5件)
  • 2021 実績報告書   研究成果報告書 ( PDF )
  • 2020 実績報告書
  • 2019 実績報告書
  • 2018 実績報告書
  • 研究成果

    (42件)

すべて 2021 2020 2019 2018

すべて 雑誌論文 (10件) (うち国際共著 5件、 査読あり 10件) 学会発表 (32件) (うち国際学会 8件)

  • [雑誌論文] Three-Component Domains in the Fully Hydrated Nafion Membrane Characterized by Partial Scattering Function Analysis2021

    • 著者名/発表者名
      Zhao Yue、Yoshimura Kimio、Motegi Toshinori、Hiroki Akihiro、Radulescu Aurel、Maekawa Yasunari
    • 雑誌名

      Macromolecules

      巻: 54 号: 9 ページ: 4128-4135

    • DOI

      10.1021/acs.macromol.1c00587

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Coarse-grained molecular dynamics simulation to reproduce phase-separated structures in graft-type polymer electrolyte membranes2021

    • 著者名/発表者名
      Okushima Shun、Hasegawa Shin、Kawakatsu Toshihiro、Maekawa Yasunari
    • 雑誌名

      Polymer

      巻: 230 ページ: 124036-124036

    • DOI

      10.1016/j.polymer.2021.124036

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Synthesis and Characterization of 4‐Vinylimidazolium/Styrene‐Cografted Anion‐Conducting Electrolyte Membranes2021

    • 著者名/発表者名
      Hamada Takashi、Yoshimura Kimio、Takeuchi Kota、Watanabe Shun、Zhao Yue、Hiroki Akihiro、Hagiwara Tokio、Shishitani Hideyuki、Yamaguchi Susumu、Tanaka Hirohisa、Radulescu Aurel、Ohwada Kenji、Maekawa Yasunari
    • 雑誌名

      Macromolecular Chemistry and Physics

      巻: 222 号: 11 ページ: 2100028-2100028

    • DOI

      10.1002/macp.202100028

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Hydrophobic Effect on Alkaline Stability of Graft Chains in Ammonium‐type Anion Exchange Membranes Prepared by Radiation‐Induced Graft Polymerization2021

    • 著者名/発表者名
      Hamada Takashi、Zhao Yue、Yoshimura Kimio、Radulescu Aurel、Ohwada Kenji、Maekawa Yasunari
    • 雑誌名

      ChemistrySelect

      巻: 6 号: 33 ページ: 8879-8888

    • DOI

      10.1002/slct.202102045

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Alkaline fuel cells consisting of imidazolium-based graft-type anion exchange membranes: Optimization of fuel cell conditions to achieve high performance and durability2021

    • 著者名/発表者名
      Mahmoud Ahmed Mohamed Ahmed、Yoshimura Kimio、Maekawa Yasunari
    • 雑誌名

      Journal of Membrane Science

      巻: 620 ページ: 118844-118844

    • DOI

      10.1016/j.memsci.2020.118844

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] A long side chain imidazolium-based graft-type anion-exchange membrane: novel electrolyte and alkaline-durable properties and structural elucidation using SANS contrast variation2020

    • 著者名/発表者名
      Zhao Yue、Yoshimura Kimio、Mahmoud Ahmed Mohamed Ahmed、Yu Hwan-Chul、Okushima Shun、Hiroki Akihiro、Kishiyama Yoshihiro、Shishitani Hideyuki、Yamaguchi Susumu、Tanaka Hirohisa、Noda Yohei、Koizumi Satoshi、Radulescu Aurel、Maekawa Yasunari
    • 雑誌名

      Soft Matter

      巻: 16 号: 35 ページ: 8128-8143

    • DOI

      10.1039/d0sm00947d

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Imidazolium-Based Anion Exchange Membranes for Alkaline Anion Fuel Cells: Interplay between Morphology and Anion Transport Behavior2019

    • 著者名/発表者名
      Zhao Yue、Yoshimura Kimio、Takamatsu Harufumi、Hiroki Akihiro、Kishiyama Yoshihiro、Shishitani Hideyuki、Yamaguchi Susumu、Tanaka Hirohisa、Koizumi Satoshi、Radulescu Aurel、Appavou Marie-Sousai、Maekawa Yasunari
    • 雑誌名

      Journal of The Electrochemical Society

      巻: 166 号: 8 ページ: F472-F478

    • DOI

      10.1149/2.0431908jes

    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Alkaline durable 2-methylimidazolium containing anion-conducting electrolyte membranes synthesized by radiation-induced grafting for direct hydrazine hydrate fuel cells2019

    • 著者名/発表者名
      K. Yoshimura, A. Hiroki, H. C. Yu, Y. Zhao, H. Shishitani, S. Yamaguchi, H. Tanaka, and Y. Maekawa
    • 雑誌名

      J. Membr. Sci.

      巻: 573 ページ: 403-410

    • DOI

      10.1016/j.memsci.2018.12.002

    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Reverse relationships of water uptake and alkaline durability with hydrophilicity of imidazolium-based grafted anion-exchange membranes2018

    • 著者名/発表者名
      K. Yoshimura, Y. Zhao, A. Hiroki, Y. Kishiyama, H. Shishitani, S. Yamaguchi, H. Tanaka, S. Koizumi, J. Houston, A. Radulescu, M.-S.Appavou, D. Richter, Y. Maekawa
    • 雑誌名

      Soft Matter

      巻: 14 号: 45 ページ: 9118-9831

    • DOI

      10.1039/c8sm01650j

    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Small angle neutron scattering study on the morphology of imidazolium-based grafted anion-conducting fuel cell membranes2018

    • 著者名/発表者名
      Y. Zhao, K. Yoshimura, H. C. Yu, Y. Maekawa, A. Hiroki, Y. Kishiyama, H. Shishitani, S. Yamaguchi, H. Tanaka, S. Koizumi, M. Appavou, J. Houston, A. Radulescu, and D. Richter
    • 雑誌名

      Physica B

      巻: 551C ページ: 203-207

    • DOI

      10.1016/j.physb.2018.01.064

    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [学会発表] 機械学習法による放射線グラフト電解質膜に適した高分子基材の特性評価2021

    • 著者名/発表者名
      澤田真一、前川康成、坂本有希子、船津公人
    • 学会等名
      第18回放射線プロセスシンポジウム
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] 構造機能相関解明に向けた放射線グラフト重合高分子膜のナノイメージング2021

    • 著者名/発表者名
      茂木俊憲、廣木章博、前川康成
    • 学会等名
      第18回放射線プロセスシンポジウム
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] 散逸粒子動力学法によるグラフト型高分子電解質膜の構造最適化2021

    • 著者名/発表者名
      阿部聖賢、茂木俊憲、吉村公男、廣木章博、前川康成
    • 学会等名
      令和3年度日本化学会関東支部群馬地区研究交流発表会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] 放射線グラフト重合法による全固体二次電池用高分子電解質材料の創製研究2021

    • 著者名/発表者名
      坂本有希子、吉村公男、廣木章博、前川康成
    • 学会等名
      令和3年度日本化学会関東支部群馬地区研究交流発表会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] 機械学習に基づくグラフト型電解質膜の電気化学特性評価2020

    • 著者名/発表者名
      澤田真一、田中健一、船津公人、前川康成
    • 学会等名
      第69回高分子討論会
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [学会発表] 溶媒アニールによるポリエーテルエーテルケトン膜のモルフォロジー制御と放射線グラフト重合反応加速機構2020

    • 著者名/発表者名
      長谷川 伸、廣木章博、吉村公男、ザオユエ、町田晃彦、大和田謙二、前川康成
    • 学会等名
      第69回高分子討論会
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [学会発表] 機械学習に基づくグラフト型電解質膜の機能性評価2020

    • 著者名/発表者名
      坂本有希子、澤田真一、廣木章博、前川康成
    • 学会等名
      第10回CSJ化学フェスタ2020
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [学会発表] アルカリ耐性アニオン伝導電解質膜の創製2020

    • 著者名/発表者名
      髙松治文、吉村公男、廣木章博、前川康成
    • 学会等名
      令和2年度日本化学会関東支部群馬地区研究交流発表会
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [学会発表] 機械学習に基づくグラフト型電解質膜の機能性評価2020

    • 著者名/発表者名
      坂本有希子、澤田真一、廣木章博、前川康成
    • 学会等名
      令和2年度日本化学会関東支部群馬地区研究交流発表会
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [学会発表] フッ素系高分子基材へのビニルモノマーの放射線グラフト重合:機械学習に基づく重合予測2020

    • 著者名/発表者名
      阿部聖賢、廣木章博、前川康成
    • 学会等名
      令和2年度日本化学会関東支部群馬地区研究交流発表会
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [学会発表] アルカリ耐性アニオン伝導電解質膜の創製研究2020

    • 著者名/発表者名
      髙松治文、吉村公男、廣木章博、前川康成
    • 学会等名
      第63回放射線化学討論会
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [学会発表] Crosslinking Effects of Anion-conducting Polymer Electrolyte Membranes on their Properties2020

    • 著者名/発表者名
      A. Hiroki, S. Okushima, K. Yoshimura, Y. Zhao, H. Shishitani, S. Yamaguchi, Y. Maekawa
    • 学会等名
      IMSTEC2020
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Small-angle Scattering Study for Developing Alkaline Durable Imidazolium-Based Grafted Anion Exchange Membranes for Pt-Free Fuel Cells2019

    • 著者名/発表者名
      Y. Zhao
    • 学会等名
      32nd European Crystallographic Meeting
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] The First Durable Imidazolium-based Radiation Grafted Anion Exchange Membranes for Alkaline Fuel cells: The Impact of Water Management2019

    • 著者名/発表者名
      A. M. A. Mohamed, K. Yoshimura, A. Hiroki, Y. Maekawa
    • 学会等名
      236th ESC Meeting
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Structural Designs of Alkaline Durable Imidazolium-Containing Anion Conducting Membranes Prepared by Radiation-Induced Grafting for Pt-Free Fuel Cells2019

    • 著者名/発表者名
      K. Yoshimura, Y. Zhao, A. Mahmoud, A. Hiroki, H. Shishitani, S. Yamaguchi, H. Tanaka, and Y. Maekawa
    • 学会等名
      2019 MRS Fall Meeting
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 粗視化分子動力学法を用いた高分子電解質膜のイオンチャネル構造の解析2019

    • 著者名/発表者名
      奥島駿、前川康成、川勝年洋
    • 学会等名
      第68回高分子学会年次大会
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
  • [学会発表] イミダゾリウム基を有する放射線グラフト型アニオン伝導膜の電解質膜特性と階層構造の関係2019

    • 著者名/発表者名
      吉村公男、Hwan-Chul Yu、Yue Zhao、廣木章博、猪谷秀幸、岸山佳央、山口進、田中裕久、前川康成
    • 学会等名
      第62回放射線化学討論会
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
  • [学会発表] ポリエーテルエーテルケトン膜の放射線グラフト重合を促進させるモルホロジー制御2019

    • 著者名/発表者名
      長谷川伸、廣木章博、吉村公男、ザオユエ、町田 晃彦、大和田 謙二、綿貫 徹、前川 康成
    • 学会等名
      第68回高分子討論会
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
  • [学会発表] 機械学習に基づくグラフト型電解質膜の電気化学特性評価2019

    • 著者名/発表者名
      澤田真一、田中健一、船津公人、前川康成
    • 学会等名
      第68回高分子討論会
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
  • [学会発表] 粗視化分子動力学法とクラスター解析を組み合わせた電解質膜イオンチャネル構造の解析2019

    • 著者名/発表者名
      奥島駿、前川康成、川勝年洋
    • 学会等名
      第68回高分子討論会
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
  • [学会発表] 量研(QST)におけるマテリアルズ・インフォマティクス研究2019

    • 著者名/発表者名
      前川康成
    • 学会等名
      第9回CSJ化学フェスタ2019
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
  • [学会発表] 機械学習で放射線グラフト重合は予測できるのか?2019

    • 著者名/発表者名
      大道正明
    • 学会等名
      第9回CSJ化学フェスタ2019
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
  • [学会発表] 高分子電解質膜のイオン伝導性を機械学習で予測する2019

    • 著者名/発表者名
      澤田真一
    • 学会等名
      第9回CSJ化学フェスタ2019
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
  • [学会発表] 機械学習による放射線グラフト電解質膜の導電率予測2019

    • 著者名/発表者名
      澤田真一、田中健一、船津公人、前川康成
    • 学会等名
      Future Trend in Polymer Science 2018
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
  • [学会発表] 粗視化分子動力学法を用いた固体高分子電解質膜のアモルファス領域の構造解析2019

    • 著者名/発表者名
      奥島駿、前川康成、川勝年洋
    • 学会等名
      Future Trend in Polymer Science 2018
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
  • [学会発表] Properties of anion-conducting electrolyte membranes based on ETFE membrane and crosslinked graft polymers for fuel cells2018

    • 著者名/発表者名
      A. Hiroki, K. Yoshimura, Y. Zhao, H. Shishitani, S. Yamaguchi, and Y. Maekawa
    • 学会等名
      Advanced Energy Materials 2018
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] The Relationship between Membrane Properties and Hierarchical Structure of Radiation Grafted Anion Conducting Membranes2018

    • 著者名/発表者名
      K. Yoshimura, Y. Zhao, A. Hiroki, H. Shishitani, S. Yamaguchi and Y. Maekawa
    • 学会等名
      Advanced Energy Materials 2018
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Imidazolium-Based Grafted Anion Exchange Membranes: (3) Interplay between the Morphology and Anion Transport Behavior2018

    • 著者名/発表者名
      Y. Zhao, K. Yoshimura, A. Hiroki, Y. Kishiyama, H. Shishitani, S. Yamaguchi, H. Tanaka, Y. Maekawa
    • 学会等名
      AiMES 2018
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Scattering study of structure-property relationships of grafted anion exchange membranes2018

    • 著者名/発表者名
      Y. Zhao, K. Yoshimura, A. Hiroki, Y. Maekawa
    • 学会等名
      SAS2018
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 粗視化分子動力学法を用いた固体高分子電解質膜のアモルファス領域における界面の構造解析2018

    • 著者名/発表者名
      奥島駿、前川康成、川勝年洋
    • 学会等名
      物理学会
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
  • [学会発表] グラフト型アニオン伝導電解質膜のアルカリ耐性と階層構造の関係2018

    • 著者名/発表者名
      吉村公男、ザオユエ、廣木章博、猪谷秀幸、山口進、前川康成
    • 学会等名
      第28回MRS-J年次大会
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
  • [学会発表] 架橋構造導入により改質したアニオン伝導性高分子電解質膜の化学的安定性2018

    • 著者名/発表者名
      廣木章博、吉村公男、ザオユエ、猪谷秀幸、山口進、前川康成
    • 学会等名
      第28回MRS-J年次大会
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書

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公開日: 2018-04-23   更新日: 2023-01-30  

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