(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
計算機上に、単位ナノ構造物（ナノメートル・サイズの単位構造物）が特異的に示す物性と基本機能、該単位ナノ構造物の集合体構造物が示す機能、ならびにバルク材料が示す機能を、それぞれのプロセス、構造との関係性に着目して複数の軸からなるプロセス空間、構造空間、機能空間に関するデータベースを管理する空間管理手段、構造物の物理量を絶対値で記述した事例のデータベース、および構造に依存しない物性を規格化する標準値のデータベースを管理する記憶管理手段、並びに理論・モデル、計測・評価、シミュレーションに関する要素ライブラリーを管理する管理手段が格納されており、該プロセス空間は、対象システムの非平衡度を平衡からの偏差として定量化し、平衡度を無次元化したプロセス条件（過飽和）軸群、物質の緩和の時定数とシステムにおける冷却の時定数の比で数量化された構造決定（緩和過程）軸群、および装置の幾何形状としての代表長さに対するナノ構造体のサイズの比で数値化された装置条件軸群により画定されてなり、前記機能の中の所望機能を指定する指示が入力されるステップ、該指示が受理され、該機能指示の受理に応じて、前記データベースを用い空間管理手段により特定されたナノ構造物のプロセス空間及び構造空間に基づき該要素ライブラリーの管理手段により、一ないし複数のナノ材料の候補が特定されるステップ、及び特定されたナノ材料候補を提示させるステップとを備えたことを特徴とする材料設計支援方法。
【請求項２】
前記構造空間は、単位ナノ構造物と集合体構造物のそれぞれの構造に関する測定データに基づき、複数の軸からなる空間上に座標点を定め、該座標点はプロセス空間座標と関連付けて画定することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記機能空間は、物性空間と基本機能空間からなり、、物性空間はサイズに関する尺度としてナノ物性とバルク物性の比を含み、基本機能空間は外場からの刺激に対する応答性による尺度を含む多軸空間により画定されることを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
単位ナノ構造物が特異的に示す物性と基本機能、該単位ナノ構造物の集合体構造物が示す機能、ならびにバルク材料が示す機能を、それぞれのプロセス、構造との関係性に着目して複数の軸からなるプロセス空間、構造空間、機能空間に関するデータベースを管理する空間管理手段と、構造物の物理量を絶対値で記述した事例のデータベース、及び構造に依存しない物性を規格化する標準値のデータベースを管理する記憶管理手段、および理論・モデル、計測・評価、シミュレーションに関する要素モデルライブラリーを管理するライブラリー管理手段とを備え、該プロセス空間は、対象システムの非平衡度を平衡からの偏差として定量化し、平衡度を無次元化したプロセス条件（過飽和）軸群、物質の緩和の時定数とシステムにおける冷却の時定数の比で数量化された構造決定（緩和過程）軸群、および装置の幾何形状としての代表長さに対するナノ構造体のサイズの比で数値化された装置条件軸群により画定されてなり、  所望機能が前記機能空間中の座標点あるいは領域で指定されることにより、前記空間管理手段が、ナノ構造物の基本機能の座標点あるいは領域を特定し、且つこれと関係付けられた構造空間及びプロセス空間の座標点あるいは領域を特定し、これを提示させるように構成されたことを特徴とする材料設計支援システム。
【請求項５】
単位ナノ構造物が特異的に示す物性と基本機能、該単位ナノ構造物の集合体構造物が示す機能、ならびにバルク材料が示す機能を、それぞれのプロセス、構造との関係性に着目して複数の軸からなるプロセス空間、構造空間、機能空間に関するデータベースを管理する空間管理手段と、構造物の物理量を絶対値で記述した事例のデータベース、及び構造に依存しない物性を規格化する標準値のデータベースを管理する記憶管理手段、および理論・モデル、計測・評価、シミュレーションに関する要素モデルライブラリーを管理するライブラリー管理手段とを備え、該プロセス空間は、対象システムの非平衡度を平衡からの偏差として定量化し、平衡度を無次元化したプロセス条件（過飽和）軸群、物質の緩和の時定数とシステムにおける冷却の時定数の比で数量化された構造決定（緩和過程）軸群、および装置の幾何形状としての代表長さに対するナノ構造体のサイズの比で数値化された装置条件軸群により画定されてなり、所望機能が前記機能空間中の座標点あるいは領域で指定されることにより、前記空間管理手段が、ナノ構造物の基本機能の座標点あるいは領域を特定し、且つこれと関係付けられた構造空間及びプロセス空間の座標点あるいは領域を特定し、この特定された各空間の座標点あるいは領域に基づいて前記ライブラリー管理手段が、対応するナノ材料候補群、或いはナノ構造材料群を特定し、これを提示させるように構成されたことを特徴とする材料設計支援システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ナノメートル・サイズ領域における基本物性に基づいて、新規材料のプロセス（形成）、構造、機能の各々を設計するための支援方法および当該設計支援システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、新規材料を開発するための材料設計は、その材料が属する既存の領域別学問、技術体系を中心にし、これに個々の材料種固有のデータベース、理論、シミュレーション、ならびに様々な固有の領域に蓄えられた知識等の支援材料、更には個人の経験知識を加えて開発指針を創設し、これに基づいてなされるのが一般的であった。そのため、領域の異なる個々の材料種、例えば、金属材料、ガラス材料、有機材料、高分子材料などの間では、各々対応する科学・技術の体系や知識については、その体系や用語が異なるために相互利用はほとんどなされていない。材料の設計自体を目的としていないが、数多くの事例と材料プロセスとを、規格化された空間よりなる簡潔な構造を利用して適切にリンクし、材料プロセスの解析や制御に役立てる構造解析システムの例が知られている（特開２００１−２４９９４６）。
【０００３】
一方、ナノメートル・サイズ（以後、ナノスケールという）領域で発現する特異的な物性、機能を利用した新材料設計に関しては、バルク材料設計における、既存の学問・技術の領域内でのマクロスケールの知識や経験による設計方法をそのまま適用することはできない。そのため、バルク材料に要求される機能と、ナノスケール材料（以後ナノ材料という）の基本機能との間の関係付けを意識して、ナノスケール領域に係わる複雑かつ散在している学問的知見や技術を構造化し、理論・モデル化、シミュレーション等によりミクロからマクロまでを繋ぎ、バルク材料の必要とする機能に対応して、ナノ材料の候補が提示されるような設計支援の手法やそれをコンピュータに実装した設計支援システムが望まれている。しかしながら、バルク材料の機能とナノ材料の基本機能に着目して、個別の材料種によらない、ナノ材料のプロセス、構造、機能の設計を支援する方法ならびにこのような支援方法を計算機上に実装したシステムは、未だ知られていない。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、ナノスケール領域に関する知見のみならず、ナノスケールからマクロ構造に至るまでの二次、三次、高次構造等のナノ構造物集合体に関する知見も材料種ごとに無秩序に存在しているため、これらの知見をナノスケールの基本機能（基本物性）を利用した、新たな機能を有する新規材料の設計に役立てることが困難な状況にある。例えば、商品に求められる機能および性能を、ナノスケールの特異的な基本物性を有する新材料とその材料機能を商品に組み込むことで達成しようとする場合、上記知見を利用して、新材料への要求機能から、材料のナノスケールでの基本機能が提示され、さらに、その基本機能を実現するための複数の候補材料構造、候補プロセスを材料種に依存せずに提示し得るような材料設計のための支援方法があれば極めて望ましい。また、ナノスケールの基本機能を利用する材料開発を行う場合、設計者はナノスケール領域での現象の理解に基づく材料開発実験段階から、複雑な因子が支配する材料生産段階へつなぐことを考える必要があり、生産現場にすぐに役立つ知識が提供され、開発期間が短縮されるような、簡便で、合理的かつ実践的な設計支援方法およびシステムも望まれている。
【０００５】
そこで、本発明者らは、マクロの領域では、金属、ガラス、紙、ガラス、高分子など、見かけの形状、性質で分類されている材料種も、ナノスケール領域では、みかけの材料種の区別は無くなり、いずれも原子、分子の集合体として認識でき、その領域では同一の物質科学の原理が働いていると考え、それに基づいて、この領域の科学・技術の知識や様々な知見を構造化し、材料種によらない材料設計支援のための方法を見出し、当該支援方法を計算機上に実装することを試みた。
すなわち、本発明は、ナノスケール領域における科学・技術の知識や様々な知見を、材料種によらず、同一の概念で関係付けて構造化することにより、商品開発に携わる者や材料開発を行う研究者にとって、材料種に依存しない新材料設計に役立てることが可能で、しかも実践的な設計支援の方法ならびにその支援方法を実装したシステムを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の目的は、計算機上に、単位ナノ構造物（ナノメートル・サイズの単位構造物）が特異的に示す物性と基本機能、該単位ナノ構造物の集合体構造物が示す機能、ならびにバルク材料が示す機能を、それぞれのプロセス、構造との関係性に着目して複数の軸からなるプロセス空間、構造空間、機能空間に関するデータベースを管理する空間管理手段、構造物の物理量を絶対値で記述した事例のデータベース、および構造に依存しない物性を規格化する標準値のデータベースを管理する記憶管理手段、並びに理論・モデル、計測・評価、シミュレーションに関する要素ライブラリーを管理する管理手段が格納されており、該プロセス空間は、対象システムの非平衡度を平衡からの偏差として定量化し、平衡度を無次元化したプロセス条件（過飽和）軸群、物質の緩和の時定数とシステムにおける冷却の時定数の比で数量化された構造決定（緩和過程）軸群、および装置の幾何形状としての代表長さに対するナノ構造体のサイズの比で数値化された装置条件軸群により画定されてなり、前記機能の中の所望機能を指定する指示が入力されるステップ、該指示が受理され、該機能指示の受理に応じて、前記データベースを用い空間管理手段により特定されたナノ構造物のプロセス空間及び構造空間に基づき該要素ライブラリーの管理手段により、一ないし複数のナノ材料の候補が特定されるステップ、及び特定されたナノ材料候補を提示させるステップとを備えたことを特徴とする材料設計支援方法により達成される。
【０００７】
又、本発明の目的は、単位ナノ構造物が特異的に示す物性と基本機能、該単位ナノ構造物の集合体構造物が示す機能、ならびにバルク材料が示す機能を、それぞれのプロセス、構造との関係性に着目して複数の軸からなるプロセス空間、構造空間、機能空間に関するデータベースを管理する空間管理手段と、構造物の物理量を絶対値で記述した事例のデータベース、及び構造に依存しない物性を規格化する標準値のデータベースを管理する記憶管理手段、および理論・モデル、計測・評価、シミュレーションに関する要素モデルライブラリーを管理するライブラリー管理手段とを備え、該プロセス空間は、対象システムの非平衡度を平衡からの偏差として定量化し、平衡度を無次元化したプロセス条件（過飽和）軸群、物質の緩和の時定数とシステムにおける冷却の時定数の比で数量化された構造決定（緩和過程）軸群、および装置の幾何形状としての代表長さに対するナノ構造体のサイズの比で数値化された装置条件軸群により画定されてなり、  所望機能が前記機能空間中の位置あるいは領域で指定されることにより、前記空間管理手段が、ナノ構造物の基本機能の座標点あるいは領域を特定し、且つこれと関係付けられた構造空間及びプロセス空間の座標点あるいは領域を特定し、これを提示させるように構成されたことを特徴とする材料設計支援システムにより達成される。
【０００８】
更に、本発明の目的は、単位ナノ構造物が特異的に示す物性と基本機能、該単位ナノ構造物の集合体構造物が示す機能、ならびにバルク材料が示す機能を、それぞれのプロセス、構造との関係性に着目して複数の軸からなるプロセス空間、構造空間、機能空間に関するデータベースを管理する空間管理手段と、構造物の物理量を絶対値で記述した事例のデータベース、及び構造に依存しない物性を規格化する標準値のデータベースを管理する記憶管理手段、および理論・モデル、計測・評価、シミュレーションに関する要素モデルライブラリーを管理するライブラリー管理手段とを備え、該プロセス空間は、対象システムの非平衡度を平衡からの偏差として定量化し、平衡度を無次元化したプロセス条件（過飽和）軸群、物質の緩和の時定数とシステムにおける冷却の時定数の比で数量化された構造決定（緩和過程）軸群、および装置の幾何形状としての代表長さに対するナノ構造体のサイズの比で数値化された装置条件軸群により画定されてなり、所望機能が前記機能空間中の位置あるいは領域で指定されることにより、前記空間管理手段が、ナノ構造物の基本機能の座標点あるいは領域を特定し、且つこれと関係付けられた構造空間及びプロセス空間の座標点あるいは領域を特定し、この特定された各空間の座標点あるいは領域に基づいて前記ライブラリー管理手段が、対応するナノ材料候補群、或いはナノ構造材料群を特定し、これを提示させるように構成されたことを特徴とする材料設計支援システムにより達成される。
【０００９】
本発明によれば、複数の軸からなる機能空間において、材料の所望機能に対応する値あるいは領域から、ナノ材料の基本機能の値あるいは領域を特定し、さらに、複数の軸からなる構造空間、プロセス空間の、それぞれ関係づけられた領域を参照することにより、その基本機能を実現するための複数の候補材料構造、候補プロセスが提示されることにより、材料種によらないナノ材料設計の指針を得ることが可能となる。
【００１０】
本発明の好ましい実施態様において、前記プロセス空間は、対象システムの非平衡度を平衡からの偏差として定量化し、平衡度を無次元化したプロセス条件（過飽和）軸群、物質の緩和の時定数とシステムにおける冷却の時定数の比で数量化された構造決定（緩和過程）軸群、および装置の幾何形状としての代表長さに対するナノ構造体のサイズの比で数値化された装置条件軸群により画定される。このような軸から構成される座標軸空間に特定のプロセスで製造されたナノ構造体をプロットすることにより、ナノ構造体の状態（結晶か非晶質、核発生か成長等）の表示が可能となる。
【００１１】
又、好ましい態様における前記構造空間は、単位ナノ構造物と集合体構造物のそれぞれの構造に関する測定データに基づき、複数の軸からなる空間上に座標点を定め、該座標点はプロセス空間座標と関連付けて画定され、前記機能空間は、物性空間と基本機能空間からなり、、物性空間はサイズに関する尺度としてナノ物性とバルク物性の比を含み、基本機能空間は外場からの刺激に対する応答性による尺度を含む多軸空間により画定される。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明において、主として設計の対象とするナノ材料系とプロセスの対象の範囲を図１に示す。
材料系としては、金属、酸化物、有機物、高分子などであり、それらがマトリックス集合体を構成する。これらに共通する性質は、マトリックスは均一ではなく、相分離にともなうナノ粒界構造やミクロ相分離、スピノーダル分解ナノ構造などを有することである。
用いられるプロセスは様々であるが、分子からの合成プロセス、薄膜作成方法としてのCVDや塗布、更には成型加工プロセスなどである。共通性の高いプロセス技術としては、界面制御や分散制御が挙げられる。従来、個別材料種においては、そのプロセスや構造に対し、それぞれの学問分野での固有の定義があり、材料種を超えて共通性を認識するよりもむしろ、それぞれが異なる分野として認識されてきた。本発明における材料設計支援方法およびそのシステムでは、分野別に用いられていた用語の意味の共通性や関連性を明らかにし、シソーラスやオントロジーなどを利用して記述し、計算機に実装する。また、異なる様々なプロセスにおける共通性を、ナノ構造が生成するメカニズムに基づいて記述された数理モデル群を要素モデルライブラリに格納する。
【００１３】
材料の空間スケールは要求機能を発現する材料によって異なるが、通常１nmから１００μm、場合により１nmから１０μmとし、ナノ単位構造とそれらの集合体としてのナノ集合体構造に分ける。つまり、ナノ構造からメゾ構造に至る高次構造を対象とする。この空間スケールは物性や機能の発現スケールに応じて、きめ細かく分類する。さらに、数理モデルにおいても、時空間マルチスケールを使える形式で体系化する。
【００１４】
本発明における材料設計支援方法は、知識基盤プラットフォームの形で計算機上に実装され、利用される。例えば、ナノ材料を組み込んだ商品開発をする際には、まず、ナノ材料の基本機能の設計が必要になる。発光デバイスを例にとると、輝度が高く、量子効率が高く、印加電圧が低く、寿命が長い、などが基本機能や特性として挙げられる。これらは、相互関係があり、トレードオフの関係を一般に示す。とにかく良く光る材料に絞り込んだら、次にこの材料をどんなプロセスで製造するのが好ましいか、いくつかの候補が必要になる。通常は幅広いその分野の知識基盤をベースに、研究者の感と経験で選択するが、本発明では、計算機上で研究者と対話型で、このような基本機能の設計を行えるプラットフォームを用意する。例えば、要求機能に対し、一次、二次データベースから類似のプロセス・構造・機能のケースが示される。特定の目標数値を達成するために、推論エンジンを働かせ、仮想的に候補材料や候補プロセスが構造を伴って示される。
【００１５】
[知識基盤プラットフォーム]
上記知識基盤プラットフォームは、図２に示される構成から成る。大きくデータ層、情報層、知識層からなる。特許情報や既存の文献情報を一次データベースに格納する。一次データベースは、網羅的に集められたものではなく、プロセス、構造、機能の観点からタグによって整理・分類されており、タグ構造は、ＸＭＬ（ｅXtended Markup Language）によって実装される。
情報層と知識層にまたがる、枠で囲んだ「知識の構造化」が本発明の基本概念である。各多軸空間の定義と作成、及び空間を行き来するモデリングエンジンや推論エンジンは独立しつつ連携している。構造化されないデータベースや単なるリレーショナルなデータベースのみでは、推論エンジンが有効に作動しない。つまり、多軸空間にデータ点を座標として打つことにより、その部分集合体はナノ材料の「状態」を表すことが可能になる。この部分集合間の関連づけが、空間を行き来して推論することを可能にする。未知の事象に対し、座標点の属する部分集合の属性からそれなりの推定を行うことができる。
【００１６】
情報層には理論・モデル、計測・評価、シミュレーション等に関する各種の要素モデルからなるライブラリを格納する。具体的には、プロセス要素モデルとして、例えば核発生モデル、核凝集モデル、界面モデルなど共通性の高い要素モデルから成る。機能要素モデルも同様で、例えば力学物性に対しては、構成方程式モデル、ミクロレオロジーモデル、界面モデルなどである。特定の材料種における知識の体系化では、特定のプロセスに対するシミュレーションモデルを作成することが多い。この際にも、本発明におけるプロセス要素モデル・ライブラリーが役に立つ。ライブラリーに格納された各種要素モデルは、その目的に応じてモデリングエンジンを含めた管理手段により複数組合せ利用する。また、理論・モデル、計測・評価、シミュレーションに関するモデルは、これらを重層化して透過することにより、互いに補完するように管理することも出来る。動力学等の理論に関する要素モデルは、使用される目的に応じて、時間スケール、空間スケールによって階層化される。代数方程式レベルから、常微分方程式から偏微分方程式に至るものであり、プロセス・構造に関するマルチスケールモデル、構造・機能に関するマルチスケールモデルとしてライブラリ化される。
【００１７】
知識層は構造化された知識を、使用目的に応じて作動するプラットフォームからなる。すなわち、材料設計者は、このプラットフォーム上で材料設計を行う。以下に、知識の構造化を利用した機能設計の詳細を説明する。
[空間の定義]
前述のように、知識の構造化は、プロセス−構造−機能の観点で、プロセス空間と構造空間、さらに機能空間と構造空間を繋ぐことが基本となる。そのために、まずそれぞれの空間を定義する。
［プロセス空間］：
プロセス空間として、図３に一例を示すように、プロセス条件軸、構造決定軸、装置条件軸などが挙げられる。さらに具体的に、プロセス条件軸としては対象とするシステムの非平衡度を平衡からの偏差として定量化し、平衡度で無次元化する。構造決定軸は物質の緩和の時定数とシステムにおける冷却の時定数の比をとる。装置条件軸は装置の幾何形状としての代表長さに対する、ナノ構造体のサイズとの比をとる。このようなプロセス空間上に、特定のプロセスで製造されたナノ構造体の座標点を計算する。この結果を集約すると、ナノ構造体の状態（結晶か非晶質、核発生か成長など）を表示することが可能になる。
【００１８】
［構造空間］：構造空間として、図４に示す如く、ナノ単位構造空間とナノ集合体構造空間に分けて、TEM写真やAFM像、X線などの実験データから構造空間上に座標点を決める。この構造空間座標点はプロセス空間座標と関係付けられており、２次RDBとして格納される。
［機能空間］：機能空間として、物性空間と基本機能空間に分ける。物性空間はナノ物性としての基本である、サイズに対しナノ物性とバルク物性の比で表す。図５に示す如く、基本機能空間は外場（刺激）に対する応答性を表す。発光機能の場合には印加電圧に対する電流特性や発光強度が機能になる。
【００１９】
［モデリングエンジンを用いた空間間の関係付け]
ナノ単位構造の形成からナノ集合体構造の形成問題は、空間的に一様な、時間的に一定の条件で、マルチスケールモデルとして定式化する。実験データによっては、空間的時間的分布の大きな場合があるが、これは製造条件が拡散律速のために、空間非一様になる結果である。これを表現するために、マクロ場と連成し、時空間的変化を取り入れる。この結果、マクロ場の操作条件や幾何形状がナノ集合構造形成に反映される。ライブラリーに格納されている様々な階層からなるプロセス要素モデルや機能要素モデルを組み合わせ、管理手段としてのモデリングエンジンを用いて、実験では得られていない空間上の座標が予測される。
【００２０】
［推論エンジンを用いた候補材料や候補プロセスの予測］
推論エンジンは、要素モデル群に併設されている１種の管理手段であり、基本機能から最終的に候補材料や候補プロセスを推論する。この関係を図６に示す。この逆問題を解くために、ナノ構造からミクロ構造に至る正方向問題（順問題）をまず整理し、最適化問題に帰着させる。プロセス・構造・機能はそれぞれの空間上で整理され座標点として定義されている。これにより、多軸空間間の関係は１：１対応ではなく、ゾーン対応に拡張できる。これにより、汎用性の高いニューラルネットワークなどの手法が、逆問題を解くツールとして使用できるようになる。
【００２１】
［物性設計と機能設計］
まず、ナノスケールに発現する特異な物性を、ナノ単位構造との関係から把握する。すなわち、ナノ単位構造物性とナノ集合体構造物性を把握する。
ナノ単位構造物性の予測：
ナノ構造が示す特異な物性に対し、バルク材料に比較してのサイズ効果が整理され、バルク物性とナノ界面構造からナノ単位構造物性が予測される。
ナノ集合体構造物性：
ナノ単位構造から成るナノ集合体構造の物性を予測する。ナノ集合体構造はナノ単位構造には見られない、協同現象としての特異な物性を示す場合がある。ナノ単位構造の動径分布と物性の関係を整理し、理論に基づいたモデリングを行う。
【００２２】
本発明における材料設計支援方法論では、基礎的な物性と機能が関連付けられる。産業が必要とするのは製品の機能であるが、それは人間の価値観が関係し、限定した機能ではない。一般に基本機能、代表機能、製品機能と階層化するならば、本発明においては基本機能の設計に限定する。ただし、知識基盤プラットフォームには、製品機能設計につなげるための、オントロジーに基づく機能の表現と定義づけされたライブラリーが用意される。ナノ単位構造と基本機能、ナノ集合構造と基本機能、マクロ構造と基本機能との相関については、外場を変化させた時の材料の応答をモデリングすることにより予測する。
【００２３】
以下に、ナノ単位構造形成に関して、相分離プロセス（界面の成長、核発生、スピノーダル分解、均一固化など）と形成されるナノ構造が共通のモデルで判定できること、文献情報においても材料種によらず対応する実例が得られることを示す。
一般に均一系からの相分離の現象として、急冷から無限にゆっくりした温度変化に対し、（１）均一固化（２）スピノーダル分解（３）均一核発生（４）界面の成長もしくは単一核の成長と変化するものと考えられる。材料種に注目すると、具体例としては、金属のプラズマ溶射では、（１）（２）（３）に、高分子、ナノガラスでは、（２）が中心になり、気相、低粘度液相でのナノ粒子は（３）（４）に対応すると概ね整理できる。すなわち、急激な温度変化や高粘度媒体中の緩やかな物質移動になるほど（１）に、逆に低粘度・希薄な系で速やかな物質移動とゆっくりとした温度変化では（４）に近づくと考えられる。このような現象の整理を、系の変化速度（物質移動がないとしたときの過飽和度の変化）と、物質移動の二つの要素で整理した判定モデルで考える。
【００２４】
ここで、２成分系からなる系において、単位ナノ構造が決まるまでに、各過程によって相分離できるかどうか、物質移動にかかる時間τ＝ｌ2／Ｄ（図７）で判定することを考える。
τp：ナノ単位構造が決まるまでのプロセス時間
τi：界面への物質移動時定数
τn：核への物質移動時定数
τs：スピノーダル分解での物質移動時定数
τs＜τn  （スピノーダル領域）
と表し、組成を横軸に、温度あるいは、圧力を縦軸に示した、相図において、ある温度（または圧力）における自由エネルギー変化（過飽和度）を考慮すると、緩和速度の増大に対して
τp1  ＞  τi  ＞  τp2  ＞  τn  ＞τp3  ＞  τs  ＞  τp4
（装置界面成長）  （核発生・成長）  （スピノーダル分解）    （均一固化）
の一般化が可能で、材料の種類に依存した詳細なシミュレーションを行わなくても、実際の系がどのような現象に対応しているのかを判定することができる。
【００２５】
さらに、上の２成分系の場合を、均一系からの相分離におけるナノ単位構造形成全般に拡張して考えると、図８に示すように、過飽和度、系の変化速度、界面自由エネルギーの３軸で、各構造と対応をつけることができる。例えば現実の系を例にとると、ミセルの構造は、界面活性剤の濃度で整理できる。この場合、速度情報は必要なく、平衡だけで多様な構造を実現している。一方、通常の相分離では、速度過程を考えないと多様な構造が説明できない。両者の違いは、界面自由エネルギーを考慮すると、次のように理解することができる。すなわち、通常の相分離では、界面自由エネルギーが不利なので、平衡状態ではなるべく大きな相に分離し、界面積を極小にしようとする。一方、ミセルでは、界面自由エネルギーが負で、界面を形成した方が有利なので、界面積が最大の微細構造をとる。界面活性剤の量と、ミセル内部に入る液体の体積のバランスから、多様な構造が平衡論的に決まるようになる。
【００２６】
以上のような、軸による整理は、単なる判定モデルとして使うだけではなく、いろいろな発想を得ることにも利用できる。例えば、上述のミセルの例をとれば、一般にミセル化を行う際には物質移動の速い系（低粘度および／または攪拌）で行われるが、これを、物質移動が律速とならずに平衡に達しているとみなせば、「逆に速度論的な制約を加えればどのような構造が現れるだろうか」という発想が生まれる契機になる。
以上、ナノ単位構造に関する、プロセス−構造の判定モデルにおいては、
過飽和度（過飽和比）＝実際の濃度を平衡濃度で規格化
緩和速度            ＝各過程の相分離時間を、プロセス時間で規格化
（各過程とは、界面の成長、核発生からの核の成長、スピノーダル分解をさす）
という規格化された、パラメータを用いることで、希薄な溶液系でのナノ粒子合成から、溶融金属まで、粘度等の物性や、相分離時間の絶対値が異なる現象を、材料種に係わらず、一括して扱うことが可能となる。この事は、図９，及び図１０に示すように、高分子、ガラス・セラミック、金属の異質材料においてもナノ構造では、極めて近い構造を形成することからも明らかである。
同様に、単位構造から高次構造形成に関するプロセス−構造の判定についても、ナノ粒子の場合をを例にとると、図１１に示すように、粒子間相互作用を駆動力で規格化することで、オーダーの異なる相互作用や、駆動力を一括して取り扱うことが可能となる。
【００２７】
実社会で材料を合成する、もしくは材料で商品を作成する場合には、その構造や物性を物理量の絶対値で扱うことが必要となる。しかしながら、基準となる物理量の絶対値を標準値データベースから引用あるいはそこから換算し、基準値で規格化すれば、例えば、
・強いクーロン相互作用で凝集している構造を、強い駆動力である超音波振動で分散する。
・弱いファンデルワールス力で凝集している構造が、弱い駆動力である熱振動で分散する。
という、現象の本質・共通項を抽出できる。
そこで、特にナノ材料の合成プロセスから、その機能化までを扱う際、大まかな現象の本質を扱う際には、規格化された空間上を行き来し、学習ないし発想を練ることが可能となる。また、例えば希薄溶液系でスピノーダル分解が起きないという事実も、希薄溶液系では拡散係数が大きい為に、核発生・成長による相分離が終わらないうちにスピノーダル分解させるプロセスが存在しないという理由によることが規格化することで理解される。
【００２８】
逆に、ここでの拡散係数という一つの物理量の絶対値を決定すれば、要求されるプロセス時間という他方の物理量を決定することができ、どのプロセスなら現実に実現可能かという判断にも繋がる。すなわち、具体的な設計等を行う場合には、物理量を絶対値として扱う必要が生じるが、ミクロとマクロを繋ぐ、理論・モデル、計測・評価、シミュレーションという3つ要素モデルライブラリーに入ることで、定量化が可能となる。以上の単位構造、高次構造の例をもとに各空間の軸の１例を図１２に示した。
このように、プロセス−構造−機能空間上では、物理量を規格化して表現することで、抽象化を行い、絶対値に依存しない現象の本質を整理できるが、一方、事実情報やシミュレーションでは絶対値が必要になり、この場合、物性等の物理量の絶対値を蓄積していく必要がある。物理量を絶対値で記載した事例に関する構造依存の情報データベースとは別に、構造に依存しない物性を規格化する標準値のデータベースを絶対値ベースで管理する。この場合、実際には、標準値はバルク物性を中心に決めら、絶対値で管理されるのが一般的である。また、標準値と絶対値を相互変換するための手段は、システムの構成に応じて要素モデルライブラリ或いは標準値データベースに格納されている。
【００２９】
個々の事例では、構造依存の物性が示されるが、事例としては物性の絶対値を記述しながら、空間上に整理する場合には、標準値で規格化して、座標を与えることにする。理論・シミュレーションでは、絶対値ベースのシミュレーションもあり、規格化させたシミュレーションもある。空間と対応付ける場合には、前者では標準値データベースと組み合わせて相対値（規格化）と絶対値を換算でき、後者の場合はそのまま使用して繋がる。アウトプットやインプットについても、同様に相対値（規格化）と絶対値の換算を行う。このような管理を行うことで、規格化抽象化することによる一般化の利点を活かしながら、絶対値の厳密な定量的な取り扱いもできる。
【００３０】
以下に、本発明の知識の構造化プラットフォームを用いた商品開発設計の手順を、発光ダイオードの例により説明する。
「蛍光灯に代わる省エネ型の発光ダイオードを、ナノ粒子の基本機能を利用して開発する」というケースである。この場合、原理的に化合物半導体の組成を変えてバンドギャップを変化させることが容易に考えられ、通常の開発者であれば、ガリウム、砒素、アルミニウムなどの組成を変化させるのが、一般的である。しかしながら、商品開発を行う場合、材料の安全性やコストの問題を考慮する必要性があり、考慮すべき因子は多数で、かつそれぞれの因子は多くの場合トレードオフの関係にある。従って、開発者は、技術的課題を挙げ、優先順位を決めて、研究開発方針を決定し、研究計画を立てることは容易ではない。このケースでナノテクノロジーを用いた商品開発を企画する場合、以下の手順が、知識の構造化プラットフォーム利用の一例である。
【００３１】
（１） 端末を通して、知識の構造化プラットフォームの画面に入る。
（２） 「発光ダイオードと同じ原理で電気を光に変換すれば、省エネルギー・高効率の照明になる。どのようにして白色に相当する全色を出すか」という問題意識で、画面上のサイトマップにある各種項目の中で、「スケールと基本物性の関係」の項を選択する。即ち、所望機能を指定する。
（３） 「nmスケールでの物性変化」を調べ、発光の色を決めているのは、バンドギャップであるが、バンドギャップを決めているのは、材料のバルク物性だけではなく、ナノスケールのサイズの変化にもよることが示され、所望の発光に対応するバンドギャップを満たすSiを含め複数材料候補が提示される。そこで、安価で無害な材料を使って商品開発をする可能性がありえることを知る。
（４）事例デ−タベースから「技術の欄：Siナノ粒子」を見て、安全な材料であるシリコンでナノメートルでのサイズを変化させて色を変えている事例を提示させ、目で確かめる。
（５）ナノ粒子のサイズの変化につき「nmスケールでの物性変化」をもう一度調べ、高効率に電荷注入するためには、単位ナノ粒子の配列、即ち均一な単分散配列が鍵であることを知る。
（６）「ナノ粒子合成プロセスと構造」の関係の項に移り、均一な単分散配列を形成するプロセスとしては、ナノ粒子の場合、液相分散系による粒子の配列が主流であることが示される。この場合、粒子サイズがそろっていることが必須で、更に粒子間相互作用や流動場等の微妙な環境が効いてくる事を理解する。
（７）事例データベースから「ナノ粒子配列」の項で、CdSeナノ粒子の均質な単分散配列が達成されていることが示される。この場合、合成プロセスがホットソープ法と呼ばれる液相分散系による手法で作られ、サイズが揃っていることが示される。
（８）  さらに、「シミュレーション」から「配列シミュレーション」の項を選び、CdSeナノ粒子のシミュレーションの実例を探す。シミュレーションでは配列の挙動が再現される。そこで、候補材料のSiナノ粒子を想定して、シミュレーションを行うと、全く均一配列に並ばない。CdSeナノ粒子の単分散配列が粒子表面上での配列の均質性にあることから、Ｓｉでも界面活性剤を使って粒子間相互作用を変化させることを想定し、対応するパラメーターを変化させると、規則的な配列構造が出現することが判る。
以上の一連の手順の結果から、ナノテクノロジーを用いた、無害で、省エネルギーの発光ダイオード照明の開発指針として、例えば「ホットソープ法で、任意のサイズでサイズの揃った半導体ナノ粒子を作成し、塗布、配列させる。粒子合成だけではなく、界面活性剤も開発課題とする。」などが得られる。その他、当該プラットフォーム上で、さらに検討することにより、基板上での積層形態、層間に電極を入れた場合、逆に、同じ構造を、照明とは逆に、光を電気に変える場合には高効率のタンデム型太陽電池の可能性などが発想される。
なお、上記手順において、製品開発で問題となる他人の特許との関係をクリアーにするため、データベースで特許の欄：蛍光灯でのナノ粒子蛍光塗料特許」を調べ、サイズで色を変えた事例を探し、又競合特許が無いことを確認することもできる。
【００３２】
【発明の効果】
本発明によれば、ナノスケール領域における科学・技術の知識や様々な知見を、材料種によらず、同一の概念で関係付けて、商品開発に携わる者や材料開発を行う研究者が、材料種によらないで新しい材料設計に役立てることが可能な、実践的な設計支援の方法ならびにシステムを提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】設計の対象となるナノ材料系とプロセスの対象の範囲図
【図２】知識基盤プラットフォームを示す図
【図３】プロセス空間図
【図４】構造空間図
【図５】基本機能空間図
【図６】推論エンジンの利用図
【図７】速度論的な構造形成（時間の効果）の説明図
【図８】単位構造形成プロセスの説明図
【図９】構造の時間発展（スピノーダル分解）
【図１０】冷却速度効果（実例）を示す図
【図１１】高次構造形成プロセス図
【図１２】空間軸の例示図
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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