産業革新のための実践的マルチレベルコンビ計算化学
実践的計算化学：産業革新のための新しい化学の方法論を目指して産学連携と学術発展の実践的融合（東北大NICHe宮本研モデル）

産学連携と学術発展の実践的合の推進体制の確立

産業課題の実践的解決と多額の民間資金の獲得

東北大学未来科学技術共同研究センター
センター長
教授 宮本 明1967年～1989年
鈴鹿高専、東北大学、名古屋大学、京都大学
・固体触媒を中心とする実験研究
1987年～現在
京都大学、東北大学
・コンピュータ支援による分子設計・材料設計

・現実課題に役立つ独自の計算化学ソフトウェアの開発
・開発ソフトウェアの市販化による資金獲得と新規産業の創出
・持続可能な組織運営の実現

経済的価値
知的価値

産学連携の推進

新規学問領域の創生と若手リーダーの育成

社会貢献・地域雇用の創出
・外国人研究者受入による国際交流
・産業界の人材養成
・社会人の再教育

・世界最先端の研究教育環境
・次世代の研究の発展
・次世代の教育者
・競争的資金の獲得

プロジェクトリーダーによる「コンビナトリアル計算化学」の提唱

社会的・文化的価値

IrZSM-5－コンビナトリアル計算化学によって設計された新触媒

リーダー： 宮本 明(教授)
中核メンバー：(准教授) 高羽洋充、遠藤 明、畠山 望、坪井秀行(助教）鈴木 愛、三浦隆治、南雲 亮
宮本研究室の多数のスタッフ
未来科学技術客員教授・准教授：15人
共同研究センター
顧問：3人
協力研究員： 10人
研究員：2人
技術補佐員：28 人
化学工学専攻秘書：4人
化学システム学生：27人
工学分野
社会人博士：3人
博士課程：10人
修士課程：9人
学士課程：4人
研究生：1人Part time Programmer：53人
合計 150人（2010. 4.1 ）コンビナトリアル
計算化学寄附講座

戦略的産業分野における実践的計算化学研究者の養成

触媒の耐水蒸気性をNOと水の吸着エネルギー差で評価

1回の合成実験で化合物を1つ作る
従来法に対し、試薬の組み合わせと反応場の制御により100～10000以上の化合物を系統的に合成し、目的とする化合物を高速かつ効率的に探索することを可能にした。
コンビナトリアル計算化学「コンビナトリアルケミストリー」の概念を計算化学に導入
周期表のありとあらゆる元素の機能を計算化学により高速に予測することで、計算化学を材料開発のための高速スクリーニング手法として活用する新しい方法論。

金属
Al

OSi

分子

コンビナトリアル
計算化学の概念図NO

NO2NO3-CH4SO2SO3CO

H2O

O2H2NH3など

計算化学による高速スクリーニング
高速スクリーニングを実現するための様々なソフトウェアを開発し、市販化している。
日本企業が国際競争力を回復するために最も必要な技術として認識されつつある。

エネルギー差 [kcal/mol]

コンビナトリアルケミストリー

60
50
4030
20
100-10-20-30-40-50-60

Al3+

Eads(NO)-Eads(H2O)

戦略的
産業分野

人材養成の対象者

ｴﾚｸﾄﾛﾆｸｽ材料
半導体材料

民間の第一線で働く実験研究者

Sc3+

耐水蒸気性の低い触媒

Ga3+
Zn2+K+

Cu2+Cu

Ag+ +
Au+

Ni2+
Co2+
Fe2+

Pt2+
Pd2+

Co3+

In3+
Tl3+

Fe3+
Cr3+
Ir3+

耐水蒸気性の高い触媒

交換イオン

Pd、Fe、Coなどが高い耐水蒸気性を持つことは以前の実験結果と一致し、新触媒としてIr-ZSM-5が設計された。この予測の後にIr触媒の有効性が早稲田大学により実験的に実証された。

触媒材料
電池材料
環境材料
エネルギー材料
セラミックス材料
バイオ・有機材料
トライボロジー材料
機械技術

講義カリキュラム
システマティックな講義と演習カリキュ
ラムにより基礎知識を習得

on the Job Training
エレクトロニクス、触媒、エネルギー、バイオ、機械など各企業の課題に応じた個別指導、個別演習

半導体企業
電機企業
インターネットを最大限に活用
化学企業
各企業に居ながら宮本研究室の最自動車企業
新の講義・演習資料の入手、最新機械企業
プログラムやコンピュータを活用
重工業企業
石油企業
加速度的人材育成
電力企業
養成した研究者が企業にて計算化学
ガス企業
者を加速度的に養成することが可能
医薬品企業
ソフトウェア企業 ○日本の国際競争力の大幅な飛躍など多数○新しい市場・産業の創出

「産業革新のための実践的マルチレベルコンビ計算化学」
オリジナルに開発した計算化学ソフトウェア
分子動力学法－外場、濃度勾配、成長など多様な系のダイ
ナミックス
1.統合化分子動力学システム(NEW-RYUDO)
2. トライボロジーシミュレータ(応力の考慮)(TRIBOSIM)
3.化学反応対応型分子動力学法(NEW-RYUDO-CR)
4. 結晶成長シミュレータ(MOMODY)
5. グランドカノニカル分子動力学法
6. 非平衡分子動力学法(濃度勾配の考慮)(DEMD)
モンテカルロ法－大規模系の平衡状態と化学反応ダイナミ
クス
1. 統合化グランドカノニカルモ
ンテカルロ法(MONTA)2. 非平衡モンテカルロ法(濃度勾配の考慮)(DEMC)
3. 化学反応を含むKineticモン
テカルロ法(数百万原子)
4. 微粒子成長、薄膜成長シミュ
レータ(数百万原子)第一原理分子動力学法、量子分子動力学法－化学反応ダイナミクス、電子移動ダイナミックス
1. 高速化量子分子動力学法(Colors)
2. 動的ハイブリッド第一原理分子動力学法
3. ハイブリッド高速化量子分子動力学法(Hybrid-Colors)
4. 部分対角化量子分子動力学法
5. CMPシミュレータ
6. エッチングプロセスシミュレータ
7. トライボ化学反応シミュレータ

宮本研究室で開発した統合化コンビナトリアル
計算化学システム

販売元
ペガサスソフトウェア(株)http://www.psinc.co.jp(株)菱化システム
http://www.rsi.co.jp/
物性値定量予測シミュレータ
1. 電気伝導シミュレータ(Colors-Cond)
2. 格子振動による熱伝導シミュレータ(THERMOSIM)
3. 伝導電子による熱伝導シミュレータ(TEHRMO-Colors)
4. 粘性係数シミュレータ
5. IRシミュレータなど多数の物性値予測

実践的マルチスケール計算
化学の実現
グラフィックユーザーインターフェイス
1. 三次元多孔質シミュレータ(GUI)－簡単な操作でモデル化、計算、 2. ELデバイスシミュレータ
解析が可能
3. マクロ電気伝導シミュレー
1. 統合化3次元グラフィックスプラットタ(Macro-Cond)フォーム(NEW-RYUGA)
4. シンタリングシミュレータ
2. 構造モデリングプログラム
5. 生体内薬物動態グラフィ(NEW-RYUKI)
カルシミュレータ

ペガサスソフトウェア(株)及び(株)菱化システム
から販売中の開発ソフトウェアパンフレット

実践的産学連携のための計算化学ソフトウェア
エレクトロニクス材料、セラミックス、触媒など各種機能材料の理論的高速スクリーニング【コンビナトリアル計算化学エンジン】○ 高速化量子分子動力学計算プログラムColors○ ハイブリッド量子分子動力学計算プログラムHybrid-Colors○ 希土類対応高速化量子分子動力学計算プログラムColors-Rare Earth○ 励起状態対応高速化量子分子動力学計算プログラムColors-Excite○ 電気伝導シミュレータColors-Cond○ マクロ電気伝導シミュレータMacro-Cond○ 統合化分子動力学計算プログラムNEW-RYUDO○ 化学反応対応型分子動力学計算プログラムNEW-RYUDO-CR○ モンテカルロ計算プログラムMONTA○ トライボロジーシミュレータTRIBOSIM○ 3次元多孔質シミュレータ【計算化学グラフィックスエンジン】○ 計算化学用グラフィックインターフェイスNEW-RYUGA○ 計算化学用モデリングプログラムNEW-RYUKI

エレクトロニクス材料の理論設計
1. イオンインプランテーション
2. 化学機械研磨プロセス
3. Siのエッチング、酸化、窒化
4. 青色蛍光体
5. 有機EL
6. プラズマディスプレイ
7. 電気伝導特性、熱伝導特性8. 結晶成長ダイナミクス

触媒材料の理論設計
1. 自動車用排出ガス処理触媒
2. 脱硫触媒、燃焼触媒
3. ポリオレフィン合成触媒
4. フィッシャートロプシュ合成
触媒5. TiO2光触媒
6. メタノール、DME合成触媒
7. センサー電極触媒

触媒・吸着分子のダイナミックス
1. ゼオライト中の分子の吸着・拡散
2. ヘテロポリ酸中のプロトンダイナミクス
3. 担持貴金属触媒、酸化物触媒シンタリング
4. 規則多孔性触媒

適用分野
セラミックス材料、半導体、発光材料、エレク
トロニクス材料、トライボロジー材料、電池材料、センサー材料、担持触媒、固体触媒、錯体
触媒、吸着材、吸蔵材料、膜分離材料、多孔性材料、生体材料など様々な材料設計・開発において開発ソフトウェアの有効性を確認済み。

動作環境
セラミックス材料の理論設計
1. 酸化物薄膜の成長過程
2. メソ多孔性セラミックス
3. ヘテロ界面接合
4. バッファー層の設計
5. 強誘電体
6. 透明酸化物電極
7. イオン伝導性セラミクス
8. 磁気テープ、透明磁石電池材料の理論設計
1. カーボン担持Pt電極
2. プロトン伝導性高分子
3. Liイオン二次電池正極
4. Liイオン二次電池電解質

宮本研究室における多様な研究領域、融合領域へのコン
ビナトリアル計算化学の展開

分離膜・吸着剤の理論設計
1. Pd水素透過膜
2. 水素吸蔵合金
3. カーボンナノチューブの吸着特性
4. ゼオライト膜
5. 透析用高分子膜

機械材料・トライボロジー材料の理論設計
1. ナノ微細加工・ナノトライボロジー
2. エンジンオイル
3. 固体潤滑材料(ZnDTP, MoDTC, DLC)
4. ハードディスク用潤滑剤

その他材料の理論設計
1. 絶縁破壊特性
2. 熱電変換材料
3. 生体触媒
4. カーボン材料
5. 色素材料
6. 自己組織化現象○Silicon Graphics社、ヒューレットパッカード社、サンマイクロシステムズ社、コンパック社、IBM各社のワークステーション。
○パソコンのLinux上においても動作確認済み。
○グラフィックスエンジン以外はパソコンのWindows上でも動作確認済み

独自計算化学ソフトウェア
により可能となった実践的
マルチレベルコンビ計算化学
連続体シミュレーション
数値流体力学

H2MEA
特性H+単セル/セル
スタック特性

O2H2O
H 2O

H2O

ガス
ガス
電解質
空気流路
GDL
燃料 GDL
空気電解質
拡散層
拡散層
触媒層
触媒層
触媒層 触媒層
流路
流路

燃料流路

0.1

0.05

電極特性

0-0.050.6

0.65

0.70.75

活性点
特性

3次元多孔質シミュレータハイブリッド量子分子動力学法

表面反応

量子分子動力学法

解離特性

量子化学
計算

高分子
伝導特性

化学反応対応型
分子動力学法開発元：東北大学未来科学技術共同研究センター宮本研究室〒980-8579 仙台市青葉区荒巻字青葉6-6-10
TEL: 022-795-7233、FAX: 022-795-7235、E-mail: miyamoto@aki.che.tohoku.ac.jp
問い合わせ先：ペガサスソフトウェア株式会社〒104-0032 東京都中央区八丁堀4丁目2番2号共同ビル5階
TEL: 03-3553-7211、FAX: 03-3553-7212
問い合わせ先：株式会社菱化システム〒104-0033 東京都中央区新川1-28-38 東京ダイヤビル3号館3階
TEL: 03-3553-9206、FAX: 03-3553-9207

「産業革新のための実践的マルチレベルコンビ計算化学」
オリジナルに開発した高速化量子分子動力学法で広がる無限の可能性
トータルシステムシミュレータ

バンド構造の超精密計算（Si系）(1) Si216モデル(純シリコン)

光励起ダイナミクスシミュレータ

Band Gap: 1.176 eV
価電子帯上端伝導帯下端
80

アナターゼ型TiO2触媒による水の光分解ダイナミクス

複雑系ダイナミクス

70

グラファイト6050
DOS4030Pt電極

20100-15-10-5-10 0電解液

HH 2OPF6-energy [eV]ナフィオン

80-7.681 eVAcceptor level : -7.618 eV(Dopant level: 0.063 eV)(実験値: 0.030 eV)DOS

従来は不可能であった現実的大規模モデルによる (2) Si215B1モデル(p型シリコン)
高速かつ高精度計算が可能-11-9-7-550
4020H

LiCoO2-3-1-107060

DOS-6.504 eV
Donor level : -6.548 eV 50(Dopant level: 0.044 eV)40(実験値: 0.030 eV)30
20
10-13-11-9-7-5-30-1-10O

グラファイト80-7.768 eVHHO

energy [eV]

-15O600-13H

30-6.516 eV-15Ti

7010

バンドギャップ、(3) Si215P1モデル
不 純 物 準 位 (n型シリコン)が実験値と精度良く一致

OO
HO

O

燃料電池モデル

Liイオン電池モデル

従来は不可能であった電池システム全体のような多成分かつ複雑大規模系での化学反応ダイナミクスが計算可能

従来の第一原理分子動力学法では困難な大規模複雑系の光励起ダイナミクスの解明が可能

プラズマプロセスシミュレータ

分子軌道・電子状態ダイナミクス

energy [eV]CMPプロセスシミュレータ
ケミカルメカニカル
反応ダイナミクス 過酸化水素と水表面反応ダイナミクス
C

銅表面

CF2

第一原理分子
動力学法では困難なプラズ
マプロセスの化学反応ダイナミクスが計算可能FC

0 step900 step

1
Bond Population

従 来は不 可能であったケミカ
ルおよびメカニ0 step2000 step
5000 step
カルの超複雑銅表面の酸化プロセス系ダイナミクス
アルミナ砥粒を現実的大規模モデルにより酸化された
電 子状態 の変 銅表面化とともに追跡可能

FF

SiO2

2000 step

10000 step

酸化された銅表面のCMPプロセス

Cu-ZSM5の分子軌道

3000 step

Si-O

Si-O結合解離
ダイナミックス0.80.6Si-F

0.40.2Si-F結合生成
ダイナミックス

Si-O00 step

従来は不可能であった複雑な構造の酸化物 結晶、表面について分子軌道ダイナミク
ス・電子状態ダイナ
ミックスが高速に計算可能

0120

240
360
Time (fs)480

開発した3次元グラフィックインターフェース
NEW-RYUGA により高速な解析が可能

600

SiO2膜のプラズマエッチング

Cu-Mordeniteの分子軌道

「産業革新のための実践的マルチレベルコンビ計算化学」
宮本研究室で開発したオリジナル計算化学プログラムが約束する世界的な競争力を持つ新しいモノ造り技術
モンテカルロシミュレータMONTA
Si表面への導電性有機分子の吸着状態

薬物動態シミュレータ

電場ダイナミクスシミュレータ

薬物の生体内の分布をシミュレーション
三次元モデルによる可視化

プラズマディスプレイにおける電場下でのMgO保護膜の劣化ダイナミクス

Si表面におけるケミカルコンタミネーションの解明
シロキサン分子酸素原子の蒸発

O Mg

投与計画

クラスターの蒸発

各種投与形態のシミュレーションに対応

致死濃度

有効薬物濃度

アニメーション

一部酸化されたSi(100)面

生理学的モデルによりヒト体内薬物動態をシミュレーション

DPPC
molecule

0.１5 V /Å

0.２ V /Å

0.3 V /Å

従来は不可能であった大規模複雑系のモンテカルロシミュレーションが高速・高精度に計算可能

従来は不可能であった電場がかかった状態での量子ダイナミクスの解明が可能

生体内の薬物動態を計算・三次元モデルを可視化することによりテーラーメイド医療用のマルチスケー
ルヒューマンインターフェイスを実現

トライボロジーシミュレータTRIBOSIM

実践的マルチスケールシミュレーション

有機ELデバイスシミュレータ

300

1600

100μm

固体酸化物
燃料電池用
Ni-YSZサー
メット燃料極構造モデル

断面積[μm2]

Fe基板

NiのYSZの断面積
断面積

250

1200
200

1000

150

800
600

100

気相の断面積

400

50200

三相界面長

0020406080

三相界面長[μm]50μm

1400

Fe基板

量子論に基づく有機ELデバイスシミュレーション

三次元多孔質シミュレータ

摩擦現象ダイナミクス

再結合（非発光性）

複雑な多孔質微細構造の定量評価

0hν 発光

電圧
正孔の移動
印可

電極

100電子の移動電子
電子
正孔 発光層 輸送層 注入層正孔
注入層 輸送層

電圧
印可
再結合
（発光性）

有機EL
デバイスのバンド構造

電解質界面からの距離 [μm]

移動

Fe基板

移動

シクロヘキサン分子

トランスデカリン分子

層状構造を形成

層状構造を形成せず分子同士が絡み合う

従来は不可能であった大規模複雑系の摩擦現象ダイナミクスの解明が可能

量子論により得られた電子密度に従いモンテカルロ法で電子と正孔を移動

0.180.16

過電圧 / V

Fe基板

固体高分子形燃料電池
電極構造モ
デル

二次粒子構造モデル

構造A

0.140.120.100.080.06

構造C0.04

構造B

0.020050100150

多孔質構造の違いによる電極特性の違いを定量評価

200

電流密度 / mAcm-2

従来は不可能であったミクロ物性とマクロ特性をつなぐ実践的マルチスケールシミュレーションの実現

電子伝導帯
伝導帯

電極

正孔

量子論により得られた振動子強度により再結合確率を求める

発光電極

量子論に基づく
発光デバイス
シミュレータの計算の概要

価電子帯
価電子帯

従来は不可能であった量子論に基づく有機ELデバイ
ス特性の解明が可能