• 研究課題をさがす
  • 研究者をさがす
  • KAKENの使い方
  1. 課題ページに戻る

2018 年度 実施状況報告書

機械学習と第一原理計算を併用した新規機能性人工結晶の創出

研究課題

研究課題/領域番号 17K14803
研究機関国立研究開発法人物質・材料研究機構

研究代表者

高橋 啓介  国立研究開発法人物質・材料研究機構, 統合型材料開発・情報基盤部門, NIMSポスドク研究員 (80759481)

研究期間 (年度) 2017-04-01 – 2021-03-31
キーワード原子クラスター / マテリアルズインフォマティクス / 機械学習 / データ科学 / 触媒 / 第一原理計算 / キャタリストインフォマティクス / 人工結晶
研究実績の概要

原子クラスターを周期的に配置した人工結晶の設計のため、前年度から継続し、独自に開発したベイシンホッピング法とハイスループット第一原理計算を駆使した原子クラスターデータベースの構築を重点的に行った。対象クラスターは主に遷移金属の1元素と2元素のクラスターを中心に、大きいクラスター(原子数20-100)のクラスターも対象にデータ化した。前年度はBCC構造における人工結晶の設計を行ったが、今年度はBCC,HCPさらには2次元の人工結晶の設計を試みた。
特筆べき成果の1つに、グラフェンと2次元窒化ホウ素をそれぞれ2レイヤーにした材料に対して、各レイヤー間に原子クラスターを挟めた人工結晶の設計に成功した。この研究では周期表の元素を網羅的に配置したため、挿入する元素によりグラフェンと2次元窒化ホウ素の電気特性・磁気特性がチューニング可能ということを突き止めた。
もう1つの特筆べき成果に材料組成から結晶構造の予測がある。材料組成から結晶構造の予測は材料科学において長年の大きな不可思議である。そこで結晶構造と材料組成の関係を明らかにするためデータ科学を導入して挑戦した。教師なし学習では原子数が増えるにつれ結晶構造が複雑化するということが認識され、さらに教師あり学習では結晶構造を決定する8個の記述子の特定に成功した。8個の記述子と教師あり学習を用いることにより、「結晶構造から組成の組み合わせの推定」という従来とは真逆のプロセスに成功した。応用として、酸化レニウム(VI)(ReO3)構造を持つ材料は数点しか見つかっていないが、この学習機を用いることにより、ReO3構造を取りうる多くの未発見材料が推定され、第一原理計算による安定性評価と組み合わせ、多くのReO3構造を取りうる未発見材料を発見した。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

機械学習を用いることにより、材料組成から結晶構造を予測する技術を開発しただけでなく、2レイヤーからなる2次元材料と原子クラスターを組み合わせることにより、磁気特性や電気特性がチューニングできるという発見もしたため、今後の研究に大きな発展が期待できる。

今後の研究の推進方策

今後も継続して独自開発したベイシンホッピング法とハイスループット第一原理計算を用いて、1,2,3元素からなる原子クラスターのデータ作成を行う。特に20原子以上の大きいクラスターも対象とする。人工結晶はBCC, FCC, HCPの構造だけでなく、2次元材料と原子クラスターを組み合わせるなどし、今まで提案されてこなかった材料設計を行う。また同時に機械学習を導入し人工結晶の設計指針となる記述子や形成エネルギーの予測記述を開発し、機械学習による人工結晶の設計を推進する。

次年度使用額が生じた理由

当初予定していた海外出張が次年度に延期となったため。また当初購入予定だったCPUが次年度に性能が向上したバージョンが発売されることが発表されたため。

  • 研究成果

    (13件)

すべて 2019 2018 その他

すべて 国際共同研究 (2件) 雑誌論文 (8件) (うち査読あり 8件) 学会発表 (3件) (うち招待講演 3件)

  • [国際共同研究] The University of Western Australia(オーストリア)

    • 国名
      オーストリア
    • 外国機関名
      The University of Western Australia
  • [国際共同研究] IIT Bombay(インド)

    • 国名
      インド
    • 外国機関名
      IIT Bombay
  • [雑誌論文] The Rise of Catalyst Informatics: Towards Catalyst Genomics2019

    • 著者名/発表者名
      Takahashi Keisuke、Takahashi Lauren、Miyazato Itsuki、Fujima Jun、Tanaka Yuzuru、Uno Takeaki、Satoh Hiroko、Ohno Koichi、Nishida Mayumi、Hirai Kenji、Ohyama Junya、Nguyen Thanh Nhat、Nishimura Shun、Taniike Toshiaki
    • 雑誌名

      ChemCatChem

      巻: 11 ページ: 1146~1152

    • DOI

      10.1002/cctc.201801956

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Creating Machine Learning-Driven Material Recipes Based on Crystal Structure2019

    • 著者名/発表者名
      Takahashi Keisuke、Takahashi Lauren
    • 雑誌名

      The Journal of Physical Chemistry Letters

      巻: 10 ページ: 283~288

    • DOI

      10.1021/acs.jpclett.8b03527

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Functionalized Single-Atom-Embedded Bilayer Graphene and Hexagonal Boron Nitride2018

    • 著者名/発表者名
      Takahashi Keisuke、Takahashi Lauren
    • 雑誌名

      ACS Applied Electronic Materials

      巻: 1 ページ: 2~6

    • DOI

      10.1021/acsaelm.8b00036

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Committee machine that votes for similarity between materials2018

    • 著者名/発表者名
      Nguyen Duong-Nguyen、Pham Tien-Lam、Nguyen Viet-Cuong、Ho Tuan-Dung、Tran Truyen、Takahashi Keisuke、Dam Hieu-Chi
    • 雑誌名

      IUCrJ

      巻: 5 ページ: 830~840

    • DOI

      10.1107/S2052252518013519

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Rapid estimation of activation energy in heterogeneous catalytic reactions via machine learning2018

    • 著者名/発表者名
      Takahashi Keisuke、Miyazato Itsuki
    • 雑誌名

      Journal of Computational Chemistry

      巻: 39 ページ: 2405~2408

    • DOI

      10.1002/jcc.25567

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Unveiling Hidden Catalysts for the Oxidative Coupling of Methane based on Combining Machine Learning with Literature Data2018

    • 著者名/発表者名
      Takahashi Keisuke、Miyazato Itsuki、Nishimura Shun、Ohyama Junya
    • 雑誌名

      ChemCatChem

      巻: 10 ページ: 3223~3228

    • DOI

      10.1002/cctc.201800310

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Redesigning the Materials and Catalysts Database Construction Process Using Ontologies2018

    • 著者名/発表者名
      Takahashi Lauren、Miyazato Itsuki、Takahashi Keisuke
    • 雑誌名

      Journal of Chemical Information and Modeling

      巻: 58 ページ: 1742~1754

    • DOI

      10.1021/acs.jcim.8b00165

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Uncovering Periodicity and Hidden Trends Responsible for Predicting the Magnetic Moment of Body Centered Cubic Crystal2018

    • 著者名/発表者名
      Takahashi Keisuke
    • 雑誌名

      ChemPhysChem

      巻: 19 ページ: 1593~1598

    • DOI

      10.1002/cphc.201800141

    • 査読あり
  • [学会発表] キャタリストインフォマティクスの動向とメタン酸化触媒への適用2018

    • 著者名/発表者名
      1)髙橋啓介
    • 学会等名
      第4回キャタリストインフォマティクスシンポジウム
    • 招待講演
  • [学会発表] マテリアルズインフォマテイックスの概要と2次電池・太陽電池材料開発への応用2018

    • 著者名/発表者名
      髙橋啓介
    • 学会等名
      第71回光機能材料研究会講演会「データサイエンス・マテリアルズインフォマティクス・人工知能の進展と機能材料創製」
    • 招待講演
  • [学会発表] マテリアルズインフォマティクスによる材 料設計の実例と触媒科学への展開と挑戦2018

    • 著者名/発表者名
      髙橋啓介
    • 学会等名
      第121回触媒討論会 特別シンポジウム
    • 招待講演

URL: 

公開日: 2019-12-27  

サービス概要 検索マニュアル よくある質問 お知らせ 利用規程 科研費による研究の帰属

Powered by NII kakenhi