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本研究では、材料の表面、粒界、点欠陥、添加元素などのナノ構造情報に基づく合理的な設計指針を構築し、それに基づき従来性能を凌駕する革新的な材料の創製に資する。また、計画班・公募班との情報科学に関する連携研究の成果を通して、ナノ構造情報と情報学的手法を結びつけた材料設計手法の有効性を示す。本年度に実施した内容は以下の通りである。
（１）保護膜性能：高温酸素ポテンシャル勾配下において異なる表面電荷極性を有するアルミナ／ムライトの積層化により、膜全体の酸素遮蔽性と構造安定性が制御できることを見出した。そして、この事象が、アルミナ膜の電子的伝導性の寄与が大きくなるときに発現すること、高酸素分圧に曝される酸化物の表面電荷極性に支配されることを示唆した。また、アルミナ膜について、粒界構造と電子状態の相間を解析することにより、電子的伝導性発現の構造因子を抽出することに成功した。
（２）生体活性能：チタンの酸窒化処理により形成した窒素含有欠陥（正または負の有効電荷）を含むルチル型”酸化チタン表面には、高い水酸化アパタイト形成能が発現する。ドライ条件下の上記表面は窒素含有欠陥と反対の極性を有するが、水溶液中に含浸することで、表面近傍が窒素含有欠陥と同じ極性になることがわかった。さらに、第一原理計算によるルチル結晶中の窒素含有欠陥の形成エネルギ－を推算し、酸化チタン表面の極性発現機構を検討した。
（３）固体イオニクス： Y添加BaZrO3においてドーパントと酸素空孔を三体以上含む構造モデルに対して網羅的な第一原理計算と機械学習による安定固溶状態の探索を行った。Zrサイトの2つのYと酸素空孔が最隣接関係で直線上に配列した三体クラスター、もしくはYと酸素空孔が最隣接と第2隣接関係となる三体クラスターが安定であり、固溶状態は完全な不規則ではなく短距離秩序状態が内包されていることが明らかとなった。
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