イオン流の非平衡性と集団運動の理解による材料デザイン変革

2024 Fiscal Year Comments on the Screening Results

• Project Area (Abbreviation): イオン渋滞学
• Project/Area Number: 24A201
• Research Category: Grant-in-Aid for Transformative Research Areas (A)
• Area Organizer: 一杉 太郎 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 教授 (90372416)
• Project Period (FY): 2024-04-01 – 2029-03-31

Summary of the Research Project

化学反応を、「物流」という観点から理解できないだろうか? Liイオン電池や全固体電池を充電するときには、正極から電解質を通してイオンを負極に届ける。まさに物流であり、我々研究者はイオンの移動(イオン流)を司る者と言える。しかし、実際には様々な要因でイオン流が滞り、望む性能が発揮できていない。この現象を我々は「イオン渋滞」と捉えた。これは、電池反応、触媒反応、水素吸蔵、結晶成長、さらには種々の物性発現に至るまでの共通課題である。その解決には、都市工学、土木工学、交通工学において発展してきた数理物理である「渋滞学」が活用できることに我々は気がついた。そこで本領域ではイオン流に関わる材料科学・化学・固体物理と渋滞学を融合した「イオン渋滞学」を打ち立て、カーボンニュートラル実現に資する新規材料(電池や触媒等)を創製する。さらに、実験のモデリングから生まれる新しい課題を通じ、数理科学の発展に寄与する。

Outline of Opinions Expressed in the Review Results

電池・固体イオニクスや触媒の新規開発において、高機能発現に重要な因子であるイオンの移動をイオンの集団の流れとして見なし、数理・オペランド観察・ものづくりの3つの最先端手法を駆使しながら、イオンの流れを制御することで新しい高機能材料の開発を目指している。これまで材料開発において使われてこなかった非平衡統計力学に基づく新しい数理手法を活用して、イオン―イオン間の相互作用を組み込んだシミュレーション法を開発するなど、より大きな理論計算を簡易化し、材料設計の指針を容易に得ることが期待できる。集団としてのイオンの流れを理解し制御する手法を見出すことで、新規の高性能機能材料の開発が可能になるとともに新しい学理の創成が可能になると期待できる。