令和元年度 文部科学省
ポスト「京」で重点的に取り組むべき社会的・科学的課題に関するアプリケーション開発・研究開発

令和元年度「エネルギーの高効率な創出、変換・貯蔵、利用の新規基盤技術の開発」
成果報告書

令和 2 年 5 月 29 日
大学共同利用機関法人自然科学研究機構
分子科学研究所
岡崎進

本報告書は、文部科学省の科学技術試験研究委託事業による委託業務として、大学共同利用機関法人
自然科学研究機構分子科学研究所が実施した令和元
年度「エネルギーの高効率な創出、変換・貯蔵、利用の新規基盤技術の開発」の成果を取りまとめたも
のです。

目次
１．委託業務の題目 ..................................................................................................................................... 1２．実施機関（代表機関） .......................................................................................................................... 1
３．委託業務の目的 ..................................................................................................................................... 1
４．令和元年度（報告年度）の実施内容 .................................................................................................... 1
４－１．実施計画 ..................................................................................................................................... 1
４－２．実施内容（成果） ...................................................................................................................... 5
４－２－１．全体概要 .......................................................................................................................... 5
４－２－２．サブ課題Ａ 新エネルギー源の創出・確保 — 太陽光エネルギー ................................. 8
４－２－３．サブ課題Ｂ エネルギーの変換・貯蔵 — 電気エネルギー .......................................... 23
４－２－４．サブ課題Ｃ エネルギー・資源の有効利用 — 化学エネルギー .................................. 39
４－２－５．基盤アプリ設計・開発 .................................................................................................. 56
４－２－６．インフォマティクス活用 WG ....................................................................................... 64
４－２－７．プロジェクトの企画・改善提案.................................................................................... 66
４－２－８．プロジェクトの総合的推進 ........................................................................................... 66
４－３．活動（研究会等） .................................................................................................................... 68
４－４．実施体制 ................................................................................................................................... 70
別添 1 学会等発表実績等
別添 2 実施計画i１．委託業務の題目「エネルギーの高効率な創出、変換・貯蔵、利用の新規基盤技術の開発」

２．実施機関（代表機関）

代
表

機関名

大学共同利用機関法人 自然科学研究機構 分子科学研究所

所在地〒444-8585 愛知県岡崎市明大寺町字西郷中 38 番地

課題
責任者

ふ り が なおかざき すすむ

生年西暦 1954 年 9 月 9 日（65 歳）

氏

岡崎 進

月日

※2020 年 4 月 1 日現在

名

所属部署名
連絡先

機
関

理論・計算分子科学研究領域
Tel. 0564-55-7460

しまだ まさあき

事務

氏

嶋田 匡晃

連絡

所属部署名

担当者

連絡先

教授

Fax. 0564-54-2254

E-mail okazaki@ims.ac.jp

ふ り が な名

役職

国際研究協力課産学連携係
Tel. 0564-55-7134

役職係長

Fax. 0564-55-7119

E-mail r7136@orion.ac.jp

３．委託業務の目的
本委託業務では、ポスト｢京｣（｢富岳｣）1を活用し、国家的に取り組むべき社会的・科学的課題の重点課題⑤エネルギー問題の解決に資するアプリケーション開発及び研究開発に取り組み、世界を先導する成果を創出することを目的として、産学官共同研究体制の下、我が国における物質にかかわる計算科学の総力をあげてエネルギーの高効率な“創出”、“変換・貯蔵”、“利用”の新規基盤技術の開発を行う。本業務は、以下の３つのサブ課題で構成する：サブ課題 A 新エネルギー源の創
出・確保、サブ課題 B エネルギーの変換・貯蔵、サブ課題 C エネルギー・資源の有効利用。
このため、大学共同利用機関法人自然科学研究機構を代表機関とし、国立大学法人神戸大学、国立研究開発法人理化学研究所、国立大学法人京都大学、国立大学法人東京大学物性研究所、国立研究開
発法人物質・材料研究機構、国立大学法人名古屋大学大学院情報学研究科、国立大学法人名古屋大学
大学院工学研究科、国立大学法人岡山大学、国立大学法人北海道大学、及び学校法人早稲田大学を分担機関として本業務を実施する。

４．令和元年度（報告年度）の実施内容
４－１．実施計画①サブ課題A 新エネルギー源の創出・確保 — 太陽光エネルギー（再委託先：国立大学法人神戸大学、
国立研究開発法人理化学研究所、国立大学法人京都大学）

1

令和元年 5 月 23 日にポスト｢京｣の正式名称が｢富岳（ふがく）｣に決定しました。本報告書では以降は
ポスト｢京｣と表記します。
1イ）光合成シミュレータの開発（再委託先：国立大学法人神戸大学）
GELLAN量子化学プログラムをベースとした光合成シミュレータで強相関ソルバのアルゴリズ
ムの高度化を継続し、多核遷移金属錯体を用いたソルバの検証を行う。さらに、半導体光触媒に関するバンドアラインメントの応用計算を実施し、ワニエ有効模型と強相関ソルバを連携したバ
ンドモジュレーションを導入し実験との比較を行う。
ロ）太陽電池シミュレータの開発（再委託先：国立研究開発法人理化学研究所）
数千～１万原子から成る大規模な分子系の励起状態計算の実現に向けて、平成30年度までに開発した励起状態に関する密度汎関数計算のためのメモリ分割版プログラムと太陽電池シミュレー
タを高度化する。さらに、有機系太陽電池のエネルギー変換機構を解明するための手法や非断熱励起状態ダイナミクス、およびそれらのためのプログラムの高度化作業を実施する。
ハ）有機太陽電池の高効率化の研究（再委託先：国立大学法人京都大学）
有機太陽電池における光エネルギー変換高効率化を目指し、ノンフラーレン・アクセプター/
ドナー界面での大規模励起状態計算によりノンフラーレン・アクセプター材料の理論設計を行う。
また、ペロブスカイト太陽電池および水分解光触媒の大規模励起状態計算により、新規材料の理論設計を行う。
②サブ課題B エネルギーの変換・貯蔵 — 電気エネルギー（再委託先：国立大学法人東京大学物 性 研
究 所 、国立研究開発法人物質・材料研究機構、国立大学法人名古屋大学大 学 院 情 報 学 研 究 科 、国立大学法人名古屋大学大 学 院 工 学 研 究 科 ）イ）全電池シミュレータの総合的開発 （再委託先：国立大学法人東京大学物 性 研 究 所 ）平成30年度までの研究により、固体電子論と溶液理論を組み合わせたシミュレーションが開発され、電位差印可に起因する電気二重層や構造、反応エネルギーが計算可能になっている。平成
31年度（2019年度）は、これを用いて白金電極における反応機構や反応抵抗の予測に必要な物性値を導出するとともに、プログラムをSTATEに組み込むことにより、前述の大規模シミュレーショ
ンを実現する。さらに、開発したプログラムを用いて、遷移金属酸化物電極のシミュレーションを行い、白金代替燃料電池材料の開発指針を獲得する。
ロ）全電池シミュレータの要素技術開発 （再委託先：国立研究開発法人物質・材料研究機構）
第一原理分子動力学(MD)自由エネルギー計算アプリstat-CPMDの高機能化（バイアス機能、サンプリング改良、トポロジカル解析連携など）は引き続き進めつつ、公開にむけた準備を行う。
リチウムイオン電池、次世代二次電池の電解液特性解析、電解液探索、界面被膜構造探索、界面被膜特性解析をさらに進め、高性能電解液、被膜の設計指針を構築する。さらに古典MD 法などとの連携による全電池シミュレータの構築に取り組む。
ハ）全電池シミュレーション技術の開発研究 （再委託先：国立大学法人名古屋大学大 学 院 情 報
学研究科）
Red Moon法プログラムのさらなる並列化・効率化を行い、100万原子規模の電極/電解液系を用いた被膜形成シミュレーションの実施を可能にする。全電池シミュレータにおける等価回路構築の際に必要となる、被膜中のイオン抵抗を推算するためのシミュレーション技術を開発する。
従来の数万原子系で形成された被膜構造を用いて、リチウムイオン輸送経路とイオン抵抗の見2

積もりに使われる伝導度を評価・解析する。
ニ）全電池シミュレータの基盤技術の開発研究 （再委託先：国立大学法人名古屋大学大 学 院 工学研究科）
MODYLASの高度化・開発を継続し、完成させる。特に、FMM（fast multipole method）および粒子対計算に関わる新規通信アルゴリズムならびに新規FMM演算アルゴリズムを実装したMODYLASに
対し単精度化を行い、SIMD化などソフト全体のポスト｢京｣最適化を行う。
また、全電池シミュレータの重要な構成要素である三相界面など不均一環境下での物質輸送に対する解析手法を確立し、電解質膜や電極界面におけるグロータス機構を含むプロトン移動について継続して研究を行う。
③サブ課題C エネルギー・資源の有効利用 — 化学エネルギー（再委託先：国立大学法人岡山大学、
国立大学法人北海道大学、学校法人早稲田大学）
イ）メタンや水素ハイドレート実用基盤の確立（再委託先：国立大学法人岡山大学）
セミクラスレートを含むクラスレートハイドレート一般の安定性の理論的解明と生成解離機構を明らかにする。
ロ）触媒反応経路探索計算（再委託先：国立大学法人北海道大学）
平成30年度は、反応経路自動探索プログラムGRRM17とSMASHの連結ソフトウェアにより実在分子系の反応経路探索を実現し、GRRMとNTChemの一体化を進めた。平成31年度（2019年度）は、GR
RMとSMASHおよびGRRMとNTChemの連結ソフトウェアによる反応経路探索計算の効率化を進める。
具体的ターゲットは、理論と実験の連携により実現した非白金系燃料電池触媒BN/Auのさらなる高機能化、ならびにCO2有効資源化触媒の機構解明とする。
ハ）CO2吸収シミュレーションのための超並列電子状態計算法（再委託先：学校法人早稲田大学）
シミュレータの開発では、メモリ使用量削減アルゴリズムの計算コスト削減を図るとともに、完成に向けて各種機能の最終調整と動作検証を行う。MOF（Metal Organic Framework）などの材
料系を取り扱うための計算パラメータについて、これまでに着手した金属元素（Al, Cu, Cd）の開発の仕上げを実施する。
実証計算では、アミン-CO2溶液系の大規模シミュレーションよりアミンのpKa（酸解離定数）に対するCO2化学吸収の反応性を解析する。作製した計算パラメータをMOF-CO2系に適用し、CO2吸着に関する手法のアセスメントおよび吸着位置やMOFを構成する金属イオン・配位子の効果を検討す
る。
ニ）メタンハイドレートの溶融や貯蔵に向けた新規技術の理論
メタンハイドレードの分子動力学シミュレーションの並列化効率を高めるため、開発したノー
ド内計算負荷分散改良アルゴリズムのメニーコアマシンでの実証計算を行う。
④基盤アプリ設計・開発（再委託先：国立研究開発法人理化学研究所）
コデザインワーキンググループを継続開催することにより、ターゲットアプリに関するコデザインを推進する。また、コデザインワーキンググループ活動の成果をもとにポスト｢京｣に向けた基盤
アプリおよび課題アプリの高度化を進める。

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⑤プロジェクトの企画・改善提案（再委託先：国立大学法人名古屋大学大学院工学研究科、国立大学法人神戸大学）
プロジェクト推進上の課題、或いは課題になると思われる事項について、幅広く検討を行い、課題責任者と協議し、プロジェクトを遅滞なく推進するための企画や改善策を運営委員会へ提案する。併せて、プロジェクト推進のために課題責任者の補佐を行う。
⑥プロジェクトの総合的推進
プロジェクト全体の連携を密としつつ円滑に運営していくため、運営委員会などの開催等、参画各機関の連携・調整にあたる。特に、プロジェクト全体の進捗状況を確認しつつ計画の合理化を検討し、必要に応じて調査或いは外部有識者を招聘して意見を聞くなど、プロジェクトの推進に資する。プロジェクトで得られた成果については、広報や研究活動を通じて積極的に公表し、今後の展開に資する。加えて、上記①から③で開発するシミュレータのコアとなる基盤アプリ（NTChem,GELLAN,MODYLAS,stat-CPMD）について、ポスト「京」開発ベンダーと協力してポスト「京」をターゲットとした高度化を実施する。また、基盤アプリと連携し課題解決にあたる課題ア
プリの整備・高度化等を実施する。
尚、本プロジェクトのサブ課題間は勿論、重点課題⑥を含む関連するプロジェクトとのコミュニ
ケーションを密に行う。また、国内外のエネルギー関連課題の調査研究により産業界の実ニーズを把握すると共に、実験研究の進展をタイムリーに取り込むための民間企業研究者・実験研究者と定期的に交流する。これらの目的のために、公開の研究会などの企画・実施を行う。
若手研究員（ポスドク等）については、有能な人材を確保し、育成する計画を継続する。これに伴い、若手研究員の連携、将来のステップアップまで見据えた登用や人材育成の取り組みを継続していく。

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４－２．実施内容（成果）４－２－１．全体概要
本重点課題では、ポスト｢京｣を駆使することにより、太陽電池、人工光合成による新エネルギーの創出・確保、燃料電池、二次電池によるエネルギーの変換・貯蔵、また、メタンやCO2の分離・回収、貯蔵、触媒反応によるエネルギー・資源の有効利用など、太陽光エネルギー、電気エ
ネルギーや化学エネルギーにおいて中心的な役割を担う複雑で複合的な分子・物質過程に対する電子・分子レベルでの全系シミュレーションを行い、実験研究者、産業界と連携して、高効率、
低コスト、また環境に優しく持続可能なエネルギー新規基盤技術を確立し、同時に、これまで計算機資源の不足により制限されていた孤立系や部分系における単一現象の科学から脱却し、現実系である界面、不均一性を有する電子、分子の複合現象を統合的に捉え得る新しい学術的視点を確立し、科学的なブレークスルーを達成することを目指している。
令和元年度の成果は以下の通りであり、ポスト｢京｣に向けたプログラム開発、研究開発が順調に進んだ。
サブ課題 A：太陽電池シミュレータを構成する NTChem（汎用第一原理電子状態計算ソフト、
コデザインのターゲットアプリ）において、数千～1 万原子から成る大規模な分子系の励起状態計算の実現に向けて、開発した励起状態に関する密度汎関数法 (時間依存密度汎関数法) 計算のためのメモリ分割版プログラムと太陽電池シミュレータを高度化した。さらに、有機系太陽電
池のエネルギー変換機構を解明するための動的モンテカルロ法や非断熱励起状態ダイナミクス
法、およびそれらのためのプログラムの高度化作業を実施した。
人工光合成シミュレータを構成する基盤アプリ GELLAN（階層的量子化学計算ソフト）においては、新たなポスト PHF として、コストと精度のバランスを保った二次の摂動論を開発し、本手法を分散メモリ型並列実装した。また、固体の電子状態計算に対する新しいアプローチとして、
バルク系の実空間局所模型をポスト HF 計算に基づく量子化学計算によって解析する数値計算手法を開発した。
実証研究においては、有機太陽電池の効率を向上させる重要な要素であるモルフォロジーの導電性原子間力顕微鏡（C-AFM）結果を動的モンテカルロ法によりシミュレートする手法を開発した。ペロブスカイト太陽電池における低分子の正孔輸送材料に対し、太陽電池のエネルギー変
換効率の予測モデルを｢京｣コンピュータと太陽電池シミュレータによるシミュレーションと機械学習により構築し、spiro-OMeTADに代わる高効率な新規正孔輸送材料を提案した。
人工光合成シミュレータを構成する基盤アプリGELLANを用い、BiVO4の表面状態を計算し、バンド構造の面依存性に関して定性的理解を得た。さらに、Z―スキーム型人工光合成におけるメ
ディエータと助触媒の役割を調べるために、密度汎関数理論に基づく第一原理計算を行い金属/
半導体の界面状態の解析を行った。
サブ課題B：二次電池の電極・電界液界面計算のためのアプリ開発として、第一原理計算statCPMDの高効率並列計算を可能とする改良を行い、量子古典混合計算手法RedMoonの並列効率を改5善するためのLAMMPSベースの新しいRedMoonを構築・整備した。燃料電池電極界面の第一原理計
算については、DFT+RISM法を組み込んだSTATEにより、サイクリックボルタンメトリー（電流電圧曲線）の予測に必要なパラメータを第一原理的に求め、シミュレータの精度を確認した。固体
高分子の古典分子動力学計算MODYLASについては、性能向上のため新規通信アルゴリズムの採用
やチューニング等を行い、性能目標達成の見通しを得た。
実証研究においては、二次電池メカニズム解明に関しては、電解液系の微視的物性解析に加えて、ヘテロ固固界面の高効率構造サンプリングを可能にする手法を開発し、全固体電池のイオ
ン輸送の微視的、メカニズムを明らかにした。また、リチウムイオン二次電池における電極電位の制御条件下で被膜形成シミュレーションを実施し、新たな知見を得た。燃料電池については、
遷移金属酸化物電極のシミュレーションとその熱力学的な解析に基づき、貴金属を少量ドープした酸化チタンおよび酸化ジルコニウムが白金を超える活性を持つことを予測した。
サブ課題C：ハイドレートについては、温度、圧力、そしてゲストのモル分率を独立変数としてハイドレート生成条件を求める基礎原理と、それに基づいたソフトの種々のゲストへの拡張を行った。さらに、包接水和物（クラスレートハイドレート）や氷の結晶構造を作成するアプリ
を、より多数の氷種などを扱えるようにした。
高機能触媒開発については、任意のMPI並列電子状態計算ソフトウェアを用いたGRRM超並列計
算を可能とするため、mpi_comm_spawnを用いた並列機能の実装を進めた。また、ポスト「京」で得られるGRRM出力ファイルより分子構造やエネルギー等の情報を読み取り分類して、GRRM計算の 結 果 か ら 容 易 に 反 応 経 路 地 図 を 作 成 す る ソ フ ト ウ ェ ア SAFIRE(Simple AFIR connection
Extractor)を開発し、公開に向けて準備した。

CO2分離・回収については、複雑系の構造サンプリングや自由エネルギー計算の収束性改善における有効な手法として、レプリカ交換分子動力学・メタダイナミクス法をシミュレータに実装した。さらに、大規模計算におけるメモリ使用量削減を検討し、最大2300万原子系で超並列電子状態計算の動作検証を行った。
基盤アプリ開発：ターゲットアプリであるNTChemについて、コデザインワーキンググループを継続開催することにより、ターゲットアプリに関するコデザインを推進し、ポスト｢京｣における当初計画の性能実現の見通しを得た。また、コデザインワーキンググループ活動の成果をもとにポスト｢京｣に向けた基盤アプリおよび課題アプリの高度化を進めた。
インフォマティクスWG：WG等を開催し、情報交換を行い、ポスト「京」に向けたインフォマ
ティクスへの取り組み方について議論した。
プロジェクトの推進のため、運営委員会(2 回)を開催した。本課題で得られた成果を広報するために、研究成果説明 CG へのナレーション追加、第 6 回 HPCI システム利用研究課題 成果報
告会、理研計算科学研究センター一般公開や第 9 回材料系ワークショップでの出展や研究成果の重点課題 5 ホームページ掲載などを行った。尚、産業界の実ニーズを把握すると共に、実験研

6

究の進展をタイムリーに取り込むため、連携推進ワークショップを 12 回開催し、情報発信と収集に努めた。また、本課題で開発するアプリ利用人材を育成することを狙って、量子化学(参加者 79 名、講師 9 名）
、分子シミュレーション(参加者 123 名、講師 19 名)のスクールなどを開催した。更に、｢京｣計算機資源の利用管理により、計画的利用を行い｢京｣計算資源配分値を使いきった(98%利用)。

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４－２－２．サブ課題Ａ 新エネルギー源の創出・確保 — 太陽光エネルギー[責任者]天能精一郎（神戸大)[実施者]天能精一郎（神戸大)、中嶋隆人（理研）、山下晃一（京大）[研究の背景と目的]
太陽光を利用して高効率エネルギー変換を行うための理論的研究を行う。対象を光合成系と有機系太陽電池とし、前者では、植物の光合成における明反応の仕組みを電子状態計算により明らかにし、人工光合成系の設計指針への可能性を探ると共に、金属錯体や半導体光触媒での水分解反応機構に関する基礎研究を行う。また、有機薄膜太陽電池の高効率化に向けて、分子設計とモルフォロジーや界面の制御に関する理論研究を行う。得られた知見をもとに、エネルギー変換
効率の高い有機系太陽電池や人工光合成を実現するための新規エネルギー材料をシミュレーシ
ョンと実験の共同研究により見出し、資源問題の解決に貢献する。
化石燃料を輸入に頼る我が国では、それに代替する化学原料の確保が重要な課題である。太陽光によって水分解を行う人工光合成では、水素燃料の利用やCO2との合成触媒反応による化学品の製造が期待され、実用化に向けた研究開発が国プロとして進められている。その一方で、高効率の水分解を実現する光触媒の開発には未解決な要因が多く、計算科学的なアプローチを援用した集約的な開発が必要である。本研究項目では、主に階層的量子化学プログラムGELLANをベースとした光合成シミュレータを開発し、ポスト｢京｣の十分な活用を可能にする基盤技術の整備を行う。更に、開発されたアプリケーションを用いて、半導体光触媒や植物を模した多核金属錯体の反応メカニズムの解明を行い、高効率の光触媒設計の明確な指針を示す。
一方、太陽光発電は太陽電池を用いて光起電力効果を利用し、太陽光エネルギーを電気エネル
ギーへ直接変換できる発電方式であり、無尽蔵にある太陽エネルギーの有効利用として、再生可能エネルギー創生の要である。太陽電池は光吸収材料あるいはデバイス形態などにより、多くの種類に分類されるが、光吸収層に有機化合物を用いた有機太陽電池は、軽量、フレキシブルで意
匠性が高く、塗布プロセスにより安価に製造することができる事から、次世代太陽電池の主流になると期待され、現在世界中で活発な研究開発競争が行われている。本課題では、有機太陽電池における光エネルギー変換の高効率化を目指し、NTChemを中心とした太陽電池シミュレータを開発することにより、太陽光により生成したエキシトン（クーロン相互作用した電子－正孔対）の有機電子供与体（ドナー材料）
・有機電子受容体（アクセプター材料）界面での電荷分離過程を高効率に起こす有機物材料を探索する。またドナー・アクセプター活性層界面のモルフォロジ
ーについて、高効率化に有効なバルク構造の実現プロセスを分子論的に明らかにする。
[研究成果の概要][アプリ開発]太陽電池シミュレータを構成する NTChem では、数千～1 万原子から成る大規模な分子系の励起状態計算の実現に向けて、平成 30 年度までに開発した励起状態に関する密度汎関数法 (時間8依存密度汎関数法) 計算のためのメモリ分割版プログラムと太陽電池シミュレータを高度化した。さらに、有機系太陽電池のエネルギー変換機構を解明するための動的モンテカルロ法や非断熱励起状態ダイナミクス法、およびそれらのためのプログラムの高度化作業を実施した。
人工光合成シミュレータを構成する基盤アプリGELLANでは、新たなポストPHFとして、コストと精度のバランスを保った二次の摂動論を開発し、本手法を分散メモリ型並列実装した。また、
固体の電子状態計算に対する新しいアプローチとして、バルク系の実空間局所模型をポストPHF
計算に基づく量子化学計算によって解析する数値計算手法を開発した。
[実証研究]
有機太陽電池の効率を向上させる重要な要素の1つにモルフォロジーがある。導電性原子間力顕微鏡（C-AFM）は、高解像度でモルフォロジーを観察できる実験的手法であるが、3次元情報を取得することは困難である。そこで、動的モンテカルロ法を用いて、モルフォロジーのC-AFM
をシミュレートする手法を開発した。
ペロブスカイト太陽電池における低分子の正孔輸送材料に対し、太陽電池のエネルギー変換
効率の予測モデルを｢京｣コンピュータと太陽電池シミュレータによるシミュレーションと機械学習により構築し、spiro-OMeTAD に代わる高効率な新規正孔輸送材料を提案した。
人工光合成シミュレータを構成する基盤アプリ GELLAN を用い、PHF 法の摂動論を用いて遷移金属化合物に対しスピン状態間エネルギー計算を行った。BiVO4 の表面状態を計算し、バンド構
造の面依存性に関して定性的理解を得た。さらに、Z―スキーム型人工光合成におけるメディエータと助触媒の役割を調べるために、密度汎関数理論に基づく第一原理計算を行い金属/半導体の界面状態の解析を行った。

9イ）光合成シミュレータの開発[実施者]天能精一郎（神戸大)[実施担当]土持崇嗣、XU ENHUA、西口和孝（神戸大）[実施概要]
新たなポスト PHF として、コストと精度のバランスを保った二次の摂動論を開発した。また、本手法を分散メモリ型並列実装した。さらに、固体の電子状態計算に対する新しいアプローチとして、バルク系の実空間局所模型をポスト HF 計算に基づく量子化学計算によって解析する数値計算手法を開発した。
PHF 法の摂動論を用いて、遷移金属化合物に対しスピン状態間エネルギー計算を行った。
BiVO4 の表面状態を計算し、バンド構造の面依存性に関して定性的理解を得た。さらに、Z―ス
キーム型人工光合成におけるメディエータと助触媒の役割を調べるために、密度汎関数理論に基づく第一原理計算を行い金属/半導体の界面状態の解析を行った。
[開発アプリケーションと計算モデル]
ポスト PHF 法における計算対象である Ferrocene と[Fe(NO)(CO)3]-はそれぞれ 96 個、 84
個の電子を持つ分子であり、基底関数には cc-pVTZ を用いた。BiVO4 のスラブモデル計算では
010 面は 16 個の、011 面では 20 個の Bi と V をそれぞれ含むスーパーセルに対して周期境界条件下で PBE 汎関数・ハバード U・スピン軌道相互作用補正を用いて行った。
[並列計算の方法と効果]
ポスト PHF 法の一つである SUPT2 法について、二電子励起演算子の占有電子ペアに対して
MPI 並列実装を行い、振幅や積分をノード分散しつつ線形方程式を解くことを可能にした。これにより、積分のみで数〜数十 GB に達するような大規模な系にも対応することが可能となった。
[研究成果]
配置間相互作用と結合クラスター近似によるポスト PHF は高精度であるが、一方で高コストでもある。そのうち最も計算コストの高いステップは、仮想軌道のみからなる分子積分(ab|cd) と CI 係数 t(cd,ij) の縮約であり、これは軌道数 N の 6 乗に比例する。本年度は、
このような縮約を無視し、計算精度にある程度の妥協を許すことで計算コストを O(N5)に低減した二次の摂動論 SUPT2 を導出した。配置間相互作用などでは並列計算でも計算時間がかかる
大きな分子に対しても SUPT2 は非常に高速に計算でき、なおかつ遷移金属錯体に対する精度も十分良好なものとなることがわかった。しかしながら一方で振幅や積分を保存するメモリはO(N4)のオーダーで増加し、これがポスト｢京｣上で実行する上で大きなボトルネックになることがわかった。そこで電子ペア ij に対して全ての 4 階のテンソルデータを分散する分散メモ
リ型 MPI 実装を行った。SUPT2 で現れる大規模な線形方程式は on-the-fly で部分空間の中で反復的に解かれるが、行列-ベクトル積で行われる全通信を最小限に抑えたアルゴリズムを提10案した。｢京｣と類似環境の名古屋大学 FX100 によるベンチマーク結果では、通信が律速になることがわかったが、十分な高速化が達成できた。
半導体を含むバルク系の電子状態計算では密度汎関数理論に基づく第一原理計算が有効であるが、局所密度近似でのバンドギャップの過小評価や混成汎関数の改良指針など電子相関効
果の取り扱いが現在でも課題となっている。このような固体に対する新しいアプローチとして、
バルク系の実空間局所模型をポスト HF 計算に基づく量子化学計算によって解析する数値計算手法を提案した[1]。その方法では、バルク系の HF 計算から Bloch 関数とその固有値を計算し、そこから最局在 Wannier 関数（MLWF）を基底とする有効ハミルトニアン（Fock 行列と相互作用行列）を導出し、バルク系の実空間局所模型である強相関クラスターモデルを得る。更に、この強相関クラスターをポスト HF 計算である EOM-MP2/CC によって解析することで電子相関効果の取り込まれた有効 Fock 行列が得られ、これを元の Fock 行列に再度埋め込むことで、電子相関効果を考慮したエネルギーバンドが得られる。我々は、水素発生半導体光触媒である SrTiO3 に対しこの方法を適用し、HF 計算によるバンドギャップの過大評価が電子相関効果によって改善されることを示した。これによって、半導体光触媒の性能評価を含めたバルク系の高精度な電子状態計算を行う数値計算手法の確立が期待される。
遷移金属錯体は一般的に強電子相関系であることが知られているが、相関の程度は系によって異なる。同じ鉄錯体でも[Fe(NO)(CO)3]-は強相関だが、Ferrocene は弱相関であり通常のHF から出発した MP2 でも十分定性的に記述することができる。一方で前者に関しては単参照
手法では破綻する。また、強く相関すると考えられる部分的なヒルベルト空間内で厳密対角化を行う CASSCF やこれに対する二次の摂動論 NEVPT2 はどのように活性空間を選択するかにより結果が大きく異なる場合がある。一方で、本年度開発したポスト PHF である SUPT2 は、自動的に活性空間を選択することでこの問題を取り除き、いずれの系においても三重項励起エネル
ギーを良好に再現することに成功した[2]。以上から、遷移金属錯体計算におけるポスト PHF
法の優位性を示せた。

図 4-2-2-1. ポスト PHF 法 (SUPT2)を用いた遷移金属錯体におけるスピンギャップ

11

BiVO4 は助触媒なしに効率的に酸素発生を起こすことが知られている。同結晶は 10 面体構造を持ち、010 面に電子が 110 面に正孔が引き寄せられることで電荷分離が行われているが、その理由や機構は完全に明らかになってはいない。そこで、各面に対して 40Å 以上の長さに切り取ったスラブモデルを用意し、｢京｣を用いて電子状態を計算した。バンドギャップはほとん
ど変わらないものの、仕事関数が 1 eV 以上異なることがわかった。真空準位を共通とみなすと、VBM・CBM ともに大きく傾いており、内部で生成されたキャリアが別々の面に向かうことが示唆された。

図 4-2-2-2. BiVO4 バンド構造の表面依存性（表面のスラブモデルを左右に表示）
Z-スキーム型人工光合成による完全水分解では、水素発生側と酸素発生側の半導体光触媒による二段階励起を実現するために、これら異なる半導体光触媒を金属メディエータによって接合する。また各々の光触媒での反応促進のために助触媒として金属担持が行われる。我々は、
Z-スキーム型人工光合成でのメディエータと助触媒の役割をキャリア移動の観点から解析するために、金属/半導体のスラブ模型を用いて界面状態の解析を密度汎関数理論に基づく第一原理計算で行った。ここでは、水素発生半導体光触媒 SrTiO3 に注目し、メディエータとしては Au, Ag, Cu、助触媒としては Ir, Pt, Rh を評価した。また、結晶構造の緩和のため構造最適化には GGA を用い、電子状態計算には半導体側のバンドギャップを再現するために GGA+Uを用いた。この解析によって、得られた電子状態から局所状態密度を計算することで、金属/半導体界面においてバンド曲がりが生じることを示した。従って、バンド曲がりによる電子・正孔分離や Schottky 接合によって界面でのキャリア移動が決定されることが示唆される結果を得た。また同様の解析によって、様々な半導体光触媒とそのメディエータと助触媒の物質依存性を解析できることが期待される。

12

図 4-2-2-3. 半導体光触媒 SrTiO3 とメディエータ Au の局所状態密度（Sr：緑色、Ti：水色、O：赤色、Au：金色）[研究成果の利活用について]
酸素発生系では BiVO4 の面方位依存性と CoPi での反応機構、水素発生系では SrTiO3 と金属
助触媒及びメディエータの計算結果について、理論と実験の両面からの検証方法について議論を進めた。
[今後について]人工光合成シミュレータを成す強相関ソルバは、PHF 法、PostPHF 法、MSQMC 法の MPI/OpenMP
ハイブリッド並列化が進み、FCCR 法についても摂動補正法の開発が完了した。GELLAN と VASPと連携した最局在化ワニエ有効模型による定量的なバンド構造の予測を進める事により、有効な半導体光触媒の材料設計や界面付近でのバンド曲がりを含めた面依存性やデバイス特性の予測を行なっていく。
[参考文献][1] B. Ladoczki and S. L. Ten-no, “Stochastic perturbation theory in a limited
configuration space”,

J. Chem. Phys., 151 114113 (2019).

[2] T. Tsuchimochi and S. L. Ten-no, “Second-order perturbation theory with spinsymmetry projected Hartree-Fock”, J. Chem. Theor. Comp., 15 6688 (2019).

[3] S. Tanimoto, N. Yoshihda, S. L. Ten-no, and H. Nakano, “Effect of Molecular
Orientational Correlations on Solvation FreeEnergy Computed by Reference Interaction13

Site Model Theory”, J. Chem. Inf. Model., 59 3770 (2019).

[実施計画の最終目標の達成状況]
1020以上の複雑な電子配置が重要な寄与をする電子系の高精度計算が可能な光合成シミュ
レータを完成させ、複雑な組成を持つ半導体光触媒や、電子相関が強くこれまで取り扱いが困難であった多核金属酸化物を含む人工光合成系の定量的な取り扱いが可能となった。また、バンドモジュレーションの開発により、半導体材料の定量的な計算が可能になった。
光合成シミュレータを用いて、半導体/金属界面の計算により得られるキャリア特性から最適な助触媒を予測した。

14ロ）太陽電池シミュレータの開発[実施者]中嶋隆人（理研)[実施担当] 嶺澤範行、米原丈博、植村渉、William Dawson、神谷宗明（理研)[実施概要]
数千～1 万原子から成る大規模な分子系の励起状態計算の実現に向けて、平成 30 年度までに開発した励起状態に関する密度汎関数法 (時間依存密度汎関数法) 計算のためのメモリ分
割版プログラムと太陽電池シミュレータを高度化した。さらに、有機系太陽電池のエネルギー変換機構を解明するための動的モンテカルロ法や非断熱励起状態ダイナミクス法[1]、および
それらのためのプログラムの高度化作業を実施した。
ペロブスカイト太陽電池における低分子の正孔輸送材料に対し、太陽電池のエネルギー変
換効率の予測モデルを｢京｣コンピュータと太陽電池シミュレータによるシミュレーションと機械学習により構築し、spiro-OMeTAD に代わる高効率な新規正孔輸送材料を提案した。
[開発アプリケーションと計算モデル]
最大 11,310 原子からなる有機薄膜太陽電池ドナー材料 P3HT 分子の時間依存密度汎関数法
計算。
[並列計算の方法と効果]
平成30年度までに開発したメモリ分割アルゴリズムと超並列疎行列ライブラリNTPolyを利用した基底状態の密度汎関数法[2]を時間依存密度汎関数法に拡張した。｢京｣運用停止後に理研・HOKUSAIの超並列演算システム (BWMPC) 32ノードを用いて計算を行った。1ノードあたり
1MPIプロセス、40スレッドのハイブリッド並列を用いた。
[研究成果]
・メモリ分割並列化された時間依存密度汎関数理論計算プログラムの開発
時間依存密度汎関数理論 (TDDFT) は、その妥当なコストと比較的高い精度のために励起状態を計算するための一般的な方法論になりつつある。この方法では繰り返しアルゴリズムを使
えば基底状態の計算と同等のスケーリングで励起状態等の計算ができるが、分子サイズの増大に従って、これらの配列のメモリ使用量は基底関数の数の二乗で飛躍的に増加する。そのため、数万原子にも及ぶ大規模な分子系の励起状態を計算するためには、これらの配列のメモリ分割化が必要不可欠である。そこで、本研究では大規模分子の励起電子状態計算を超並列コンピュータで実行することを目的として、メモリ分割並列化された時間依存密度汎関数理論 (TDDFT)
計算プログラムの開発を行った。
本研究では原子軌道 (AO) 表現の TDDFT 方程式を導出し、AO 表現の X，Y に対して trial
vector を張り、繰り返し法で解くプログラムの実装を行った。繰り返し法のアルゴリズムはKAIN [R.J Harrison. J. Comput. Chem. 25, 328 (2004).] を使った。AO 表現のそれぞれの行列は Gauss 基底関数を使っていることにより大規模系においては疎なので、本研究では超並15列疎行列ライブラリ NTPoly [W. Dawson and T. Nakajima, Comput. Phys. Comm. 225, 154(2018).] を使うことにより、行列要素の分散を行いつつ疎行列の数々の演算を行った。開発
したコードの性能を測るため、｢京｣運用停止後に太陽電池材料である P3HT の計算を行った。
計算は理研・HOKUSAI の超並列演算システム (BWMPC) 32 ノードで行った。この計算では 1 ノードあたり 1 MPI プロセス、40 スレッドのハイブリッド並列を用いた。系のサイズを大きくして計算時間と比較を行った結果、線形ではないが低いスケーリングを示した。その結果として、最大 11,310 原子からなる分子系に対する TDDFT 計算をすることができた。

図 4-2-2-4. 有機薄膜太陽電池ドナー材料 P3HT 分子の原子数を変えた場合の時間依存密度汎関数法計算にかかる時間 (s)・シミュレーションとインフォマティクスによるペロブスカイト太陽電池材料の新規正孔輸
送材料の分子設計
ペロブスカイト太陽電池の正孔輸送材料 Spiro-OMeTAD はその高いエネルギー変換効率で知られている。(FAPbI3)0.92(MAPbBr3)0.08 ペロブスカイトに対するエネルギー変換効率は 23.4 %である。Spiro-OMeTAD の合成費用はおよそ$274/g と推定されている。比較的高いエネルギー変
換効率でより安価な正孔輸送材料も見つかっているが、より高いエネルギー変換効率を保持しつつより安価な合成コストが推定される材料の探索が必要である。「京」と太陽電池シミュレ
ータを活用したシミュレーションと機械学習を用いて正孔輸送材料を効率的に探索することを目指した。
既存の正孔輸送材料の分子構造の組合せから分子を生成し、そのエネルギー変換効率を推測する学習モデルを構築した。学習モデルの訓練データには、ペロフスカイト太陽電池の正孔輸送材料のエネルギー変換効率の実験値 (計 400) を用いた。入力データとして正孔輸送材料(170 分子)、活性層 (54 組成，バンドギャップ，VBM，CBM)、電子輸送材料 (6 分子，CBM)、ドーパント、コドーパント、活性面積、エネルギー変換効率を採用した。170 分子の正孔輸送材
16

料を 3 つのフラグメントに分解し、これらのフラグメントの組合せから候補分子を構築した。
Mordred を用いてフラグメント毎に分子記述子を計算した。量子化学計算から得られる記述子(HOMO，LUMO，全エネルギー，電子エネルギー，生成熱，分散力エネルギー，双極子モーメント) は「京」で NTChem を使って計算した。これらの組み合わせを正孔輸送材料の入力データとし、エネルギー変換効率を推測する深層ニューラルネットワークを構築した。典型的な実験条件のもと候補分子をガウス過程回帰モデルによって選択した。仮想実験として、深層ニュー
ラルネットワーク推測モデルから候補分子のエネルギー変換効率を推測した。仮想実験を繰り返すことで、ガウス過程回帰モデルを改善し、最適な候補分子を探索した。候補分子の組合せ
はおよそ 32,294,400 通りとなり、このケミカル空間を網羅的に探索することは困難である。
離散粒子群最適化を採用し、膨大なケミカル空間を探索した。この推測モデルが与えるエネル
ギー変換効率を目的関数として離散粒子群最適化法を適用した。典型的な実験条件として TiO2
電子輸送層と(FAPbI3)0.85(MAPbBr3)0.15 活性層を採用し候補分子の探索を行った[3]。SAF 骨格お
よび SFX 骨格を有する候補分子のエネルギー変換効率が高いことが示された。
[今後について]
太陽電池シミュレータの超並列環境での高度化を進めた。特に、昨年度までに開発した高次元トーラスネットワークアーキテクチャに適応したアルゴリズムと超並列疎行列ライブラ
リを用いたメモリ分割アルゴリズムを線形応答型時間依存密度汎関数法へ拡張し、大規模分子に対する励起状態計算を可能にした。また、「京」と太陽電池シミュレータを使った電子状態計算を実施し、機械学習を活用することで新規の正孔輸送材料の新材料設計を行った。今後は、開発した太陽電池シミュレータを幅広く活用できる仕組みを考えたい。
[参考文献][1] T. Yonehara, N. Minezawa, T. Nakajima, “Excited-State Dynamics in NTChem”, inMolecular Spectroscopy: A Quantum Chemistry Approach, edited by Y. Ozaki, M. J.
Wojcik, J. Popp (Willey), 43–78 (2019).
[2] W. Dawson, 澤田啓介, 神谷宗明, 中嶋隆人, “スーパーコンピュータ「富岳」に向けた
分子科学計算ソフトウェア「NTChem」の開発”, シミュレーション, 38, 87–93 (2019).
[3] 中嶋隆人, 松岡貴英, “シミュレーションとインフォマティクスによるペロブスカイト
材料の候補探索”, 光学, 48, 114–119 (2019).
[実施計画の最終目標の達成状況]
太陽電池シミュレータを開発し、高次元トーラスネットワークアーキテクチャに適応した
アルゴリズムと超並列疎行列ライブラリを用いたメモリ分割アルゴリズムに基づき、有機系太陽電池材料のような数千～1 万原子から成る大規模な分子系の基底・励起状態での挙動や物性のシミュレーションを実現する基盤を構築した。また、有機系太陽電池のエネルギー変換機構を解明するための動的モンテカルロ法や非断熱励起状態ダイナミクス法、およびそれらのためのプログラムを太陽電池シミュレータとして開発・実装した。

17

「京」やポスト｢京｣の超並列環境を有効に活用するためのマテリアルズ・インフォマティ
クス技術を開発した。例えば、「京」を利用したハイスループット・シミュレーションを実施
し、マテリアルズ・スクリーニングに基づいた探索により、非毒性元素を用いたペロブスカイ
ト太陽電池の新たな材料候補を発見した。また、ペロブスカイト太陽電池における低分子の正孔輸送材料に対し、太陽電池のエネルギー変換効率の予測モデルを｢京｣と太陽電池シミュレー
タによるシミュレーションと機械学習により構築し、spiro-OMeTAD に代わる高効率な新規正孔輸送材料を提案した。

18ハ）有機太陽電池の高効率化の研究[実施者]山下晃一（京大)[実施担当]金子正徳（京大）、川嶋英佑（理研）、村岡梓（日本女子大）[実施概要]
モルフォロジーは、有機太陽電池の効率を向上させる重要な要素の 1 つである。導電性原
子間力顕微鏡（C-AFM）は、高解像度でモルフォロジーを観察できる実験的手法であるが、3 次
元情報を取得することは困難である。そこで、動的モンテカルロ法を用いて、モルフォロジーの C-AFM をシミュレートする手法を開発した。
ペロブスカイト型太陽電池の高効率な創電メカニズムに関して、ハイブリッド型ハライド
ペロブスカイト太陽電池材料について第一原理分子動力学計算を行い、光生成キャリア再結合
抑制の要因を明らかにすることにより、新規材料の設計指針を示すことができた。
ペロブスカイト型構造をもつ BaTaO2N の W および Nb ドープ系に関する第一原理計算によるバンド構造の観点から物性の制御指針について検討し、Nb ドープ BaTaO2N が新規水分解光触媒
材料として期待されることを示した。
[計算モデル]レピュテーションモデルを用いたモンテカルロ法[研究成果]
薄膜有機太陽電池のドナー、アクセプター界面で形成されるモルフォロジー制御は、太陽電池の効率を向上させる重要な要素の 1 つである。導電性原子間力顕微鏡（C-AFM）は、高解像度でモルフォロジーを観察できる実験的手法である。そこで、動的モンテカルロ法を用いて、モルフォロジーの C-AFM をシミュレートする手法を開発した。実験可能なプローブ地点ごとにシミュレーションを行い、正孔注入電流は、注入された正孔数をシミュレーション時間で割ることによって得た。正孔はプローブされた空のドナー格子に、探針から確率的に注入した。モ
ルフォロジーと正孔注入の断面電流の解析から、界面面積が小さいモルフォロジーがより有利な輸送経路を有するため、高い電流値を示すことが明らかとなった[1,2]。今後、開発した本手法と、モルフォロジーと変換効率の相関に関する機械学習を用いて、モルフォロジー制御による有機太陽電池の高効率化に向けた研究を進める。

19

図 4-2-2-5. 左：異なる温度と相互作用におけるモルフォロジーの断面（青はドナー、赤はアクセプター）、右：正孔注入電流値

また有機太陽電池における光エネルギー変換高効率化を目指し、引き続きノンフラーレン・
アクセプター/ドナー界面での大規模励起状態計算による研究を進めた。これまでドナー分子（PTB7）とノンフラーレン・アクセプター分子（ITIC）、F 置換後のアクセプター分子（IT4F）の複合体の電荷分離過程について、電荷移動距離、電荷移動量を時間依存密度汎関数計算により解析した結果、F 置換により開放電圧 Voc は減少するが、電荷移動距離、電荷移動量共に増加することを明らかとし、短絡電流密度 Jsc の増加、またアクセプター分子での光吸収増加に
より光電変換効率が向上すると結論した。さらに通常、計算コストの観点から、有機化学物の炭化水素側鎖をメチル基で置き換えるが、-C4H6、-C8H14 基とノンフラーレン有機分子の側鎖の現実に近いモデル化により、ドナー・アクセプター界面の分極効果を正しく再現できることを見出した。
ペロブスカイト型太陽電池の高効率な創電メカニズムに関して、ハイブリッド型ハライド
ペロブスカイト太陽電池材料について第一原理分子動力学計算を行い、電子構造の時間変化を解析した。価電子帯上端、伝導帯下端の波動関数は時々刻々、空間的に隔たって局在し、光生成した電子、正孔は空間的に隔たった拡散経路を有しうることが分かった。この波動関数の空間的局在は鉛-ハライド格子の構造揺らぎに起因し、またＡサイトカチオンの回転運動は波動関数の局在化への影響は少ないことが明らかとなった。光生成キャリア再結合抑制の要因を明らかにすることにより、新規材料の設計指針を示すことができた。
ペロブスカイト型構造をもつ BaTaO2N は、可視光応答に適したバンドギャップを持ち、また伝導帯および価電子帯のエネルギーは水分解反応の酸化還元電位を挟んでおり、水分解光触媒
として水の全分解反応を起こすための熱力学的な条件を満たしているが、水の全分解反応は未だ達成されておらず、その実現に向けた物性の制御が必要とされている。そこで BaTaO2N の W
および Nb ドープ系に関する第一原理計算によるバンド構造の観点から物性の制御指針につい20

て検討し、Nb ドープは W ドープよりも優れたキャリア有効質量やバンド端位置を有し、Nb ド
ープ BaTaO2N が新規水分解光触媒材料として期待されることを示した。
[研究成果の利活用について]
成果の利活用のため、以下のように連携している。
・家教授（阪大産研） 有機太陽電池材料の誘電率を高める理論設計方針を提案し、家グループで合成に成功し、共著論文を投稿
・堂免教授（ArpChem, 信州大） 水分解光触媒、ペロブスカイト酸窒化物の構造とバンドギ
ャップに関して共同研究を実施[3]・工藤教授（東理科大）半導体化合物のバンド端、金属元素ドープの効果に関して共同研究を実施[今後について]
有機太陽電池における光エネルギー変換高効率化を目指し、引き続きノンフラーレン・ア
クセプター/ドナー界面での大規模励起状態計算と機械学習を用いて、ノンフラーレン・アクセプター材料の理論設計を行う。また大規模シミュレーションによるＢＨＪモルフォロジーに関するデータ生成と機械学習を組み合わせ、フィルファクター向上のメカニズムについて検討する。水分解光触媒材料に関しては光生成キャリアの寿命と材料欠陥との関連について引き続き研究を進めるとともに、金属元素ドープによる影響を検討する。
[参考文献][1] Eisuke Kawashima, Mikiya Fujii, and Koichi Yamashita, “Simulation of Conductive
Atomic Force Microscopy of Organic Photovoltaicsby Dynamic Monte Carlo”, Chem.
Lett. 48, 513-516 (2019)[2] Eisuke Kawashima, Mikiya Fujii, Koichi Yamashita, “Entropy Promotes Charge
Separation

in

Bulk

Heterojunction

Organic

Photovoltaics”,

Journalof

Photochemistry and Photobiology A: Chemistry, 382, 111875 (2019)[3] Masanori Kaneko, Mikiya Fujii, Takashi Hisatomi, Koichi Yamashita, Kazunari Domen,“Regression model for stabilization energies associated with anion ordering inperovskite-type oxynitrides”, Journal of Energy Chemistry, 36, 7-14 (2019)[実施計画の最終目標の達成状況]
太陽光エネルギー変換について、具体的に有機薄膜太陽電池、ペロブスカイト太陽電池、
水分解光触媒を取り上げ、各デバイスの高効率化に向けて分子論的アプローチにより機構解明および材料探索を行った。有機太陽電池については、大規模電子励起状態計算により、光誘起エキシトンの電荷分離過程がホットプロセスであり、電子・正孔距離〜6 nm にある自由エネルギー障壁を超えエントロピー拡散により自由キャリアに分離することを明らかにし、
フッ素置換したノンフラーレン・アクセプター材料による変換効率 15%の可能性を提案し21

た。ペロブスカイト太陽電池については、第一原理計算により電子・正孔最結合抑制の機構を明らかにし、また非鉛化ペロブスカイト材料の理論設計を提案した。水分解光触媒については、材料の光触媒活性の電子論的過程の解明とドーピングによる変換効率向上の機構を明らかにし新規材料探索の指針を提案した。

図 4-2-2-6. ホットプロセスにより電荷分離により生成した電子・ホール対は
長距離 CT 状態に進み、〜6 nm にある自由エネルギー障壁を超えエントロピー
拡散により自由キャリアに分離する

22

４－２－３．サブ課題Ｂ エネルギーの変換・貯蔵 — 電気エネルギー[責任者]杉野修（東京大)[実施者]杉野修（東京大)、館山佳尚（物材機構）、長岡正隆、岡崎進（名古屋大）[研究の背景と目的］
太陽光発電などを用いて創生された一次エネルギーを化学エネルギーとして安定に貯蔵し、消費時に電気エネルギーに変換して利用するためのインフラの構築が始まっている。蓄電社会
や水素社会の実現にとって最も重要な基盤技術は、二次電池技術と燃料電池技術である。これ
らの電池は電気自動車や燃料電池自動車、家庭用電源装置として既に商用化され、今後普及が見込まれている。それだけでなく、今後はスマートグリッドや産業用電源等の大型用途への二次電池利用が始まる。これらの推進のためには、電池の低コスト化、高信頼性、高耐久性、汎用元素の利用等が求められる。二次電池の開発に加え燃料電池に関しても、白金触媒と高分子膜を用いた固体高分子形燃料電池が燃料電池車用や家庭用電源として期待されており、今後の普及にはより低価格な触媒と高分子膜等による耐久性や信頼性・エネルギー効率の向上が不可
欠となる。
近年、
「京」コンピュータを用いた高度計算機利用において各部材の材料や材料界面で起こっている現象に対して原子・分子スケールでの計算が行われ、最新の実験結果と組み合わせた微視的な構造の決定や機構の解明につなげることが可能になってきた。この最新の科学的手法
を電池開発に向けて更に発展させ、諸外国に先駆けて現実の電池開発で利用可能な基盤技術として開発・提供することは、わが国の競争力を高める重要な要素となる。
そこで本サブ課題では、これまで開発してきた各シミュレーション手法を相補的に組み合わせて界面を総合的にミュレートできるアプリへと発展させる。これを用いて、電極・電極被膜・
電解質膜・電解液界面挙動に関する学理の構築、電池性能の予測、さらに各電池部材の最適材
料設計・探索を目指した総合的な研究活動を行う。
[研究成果の概要]
サブ課題Bでは、二次電池の電極・電界液界面におけるstat-CPMDを用いた第一原理計算およびRed Moonを用いた量子古典混合計算手法を構築し、Liイオン電池における負極界面膜や固体二次電池も含めた微視的挙動解析の研究を進めた。燃料電池に関してはESM-RISMを用いた第一原理計算およびMODYLASを用いた古典分子動力学計算を開発・改良しポスト｢京｣を有効利用できるアプリの準備ができた。固体高分子形燃料電池における電極界面並びに高分子の研究を進めた。
[アプリ開発]燃料電池電極界面の第一原理計算については、電気二重層の効果を考慮した電極(白金表面と水の界面)のシミュレーションを負極側で行い、平衡電位付近での水素吸着構造およびサイ23

クリックボルタンメトリー(電流電圧曲線)の予測に必要なパラメータを第一原理的に求め、シミュレータの精度を確認した。燃料電池固体高分子の古典分子動力学計算にていては、MODYLASの高度化・開発を継続し、特に、FMM（fast multipole method）および粒子対計算に関わる新規通信アルゴリズム（MTD法）をMODYLASに実装し、最適化した。また、「京」、FX100上でSIMD最適化を行い、また圧力テンソル評価用FMM計算、EVB法などソフト全体のチューニングを行った。
これにより、ポスト｢京｣の10分の1の計算資源を用いて1億原子系のMD計算1ステップを3 msで終えるという当初目標達成の見通しを得た。また、均一環境下での位置に依存した溶質の拡散係数に対する新規計算方法を開発し、位置に依存した自由エネルギーと合わせて、溶質の大域的な浸透係数を透過経路と共に評価する方法を確立した。これにより、燃料電池電極三相界面や電解質膜バルク中の酸素、水素、プロトンなど物質輸送の定量的議論を可能にした。
二次電池電極の第一原理計算については、基盤アプリstat-CPMDの開発において、ポスト「京」のアーキテクチャに対応する形でメモリ、I/O関連の課題解決に加えて、ロードインバランスの調査を行い、高効率並列化計算を可能とする改良を行なった。また、RedMoonの並列化効率を向上させるためのLAMMPSベースの新しいRedMoonの構築・整備を展開して進め、現実に即した系の取り扱いに向けて、電極電位制御機能を実装した。
[実証研究]
燃料電池電極としての遷移金属酸化物電極のシミュレーションとその熱力学的な解析に基づき、貴金属を少量ドープした酸化チタンおよび酸化ジルコニウムが白金を超える活性を持つことを予測した。高活性は、反応中間体の結合状態の多様性に起因していることを示した。また、燃料電池電極三相界面や電解質膜については、均一環境下での位置に依存した溶質の拡散係数に対する新規計算方法を開発し、位置に依存した自由エネルギーと合わせて、溶質の大域的な浸透係数を透過経路と共に評価する方法を確立した。これにより、燃料電池電極三相界面や電解質膜バルク中の酸素、水素、プロトンなど物質輸送の定量的議論を可能にした。
「京」利用による二次電池メカニズム解明に関しては、電解液系に関する微視的物性の解析に加えて、ヘテロ固固界面の高効率構造サンプリングを可能とする新手法(ヘテロ固固界面
CALYPSO法)を開発し、それを元に全固体電池の酸化物正極―硫化物電解質界面におけるイオン輸送の微視的メカニズムを明らかにした。さらに負極―固体電解質界面についても研究を展開している。また表面反応速度論、電解液・電解質機械学習解析などに関する手法開発も進展させた。さらに、リチウムイオン二次電池の炭素電極とEC等を含む電極-電解液界面系において、電極電位の制御条件下で電極近傍における溶媒分布の解析と被膜形成シミュレーションを実施した。その結果、被膜は表面静電環境の変化に鈍感であることが分かった。

24イ）全電池シミュレータの総合的開発[実施者]杉野修（東京大)[実施担当]笠松秀輔、春山潤、山本良幸、Lei YAN、Dilna Azhikodan（東京大）[実施概要]
電気二重層の効果を考慮した電極のシミュレーションを白金表面と水の界面に対して負極側で行い、平衡電位付近での水素吸着構造およびサイクリックボルタンメトリー(電流電圧曲線)の予測に必要なパラメータ（水素原子の吸着エネルギーや水素原子間の反発力等）を第一原理的に求め実験と比較することにより、シミュレータの精度を確認した。
遷移金属酸化物電極のシミュレーションとその熱力学的な解析に基づき、貴金属を少量ドープした酸化チタンおよび酸化ジルコニウムの酸化還元活性について調べた。白金合金を含む
多くの表面では、酸化還元反応のエネルギー障壁が独立に制御できないため理想的な活性を示さないのに対して、酸化物表面では結合状態の多様性のために制御できることを示した。
[開発アプリケーションと計算モデル]
電気二重層効果を考慮した電極表面と溶液の界面モデルを開発した。電極部の構造サンプリ
ングには第一原理モンテカルロシミュレーションを行い、溶液側のサンプリングには溶液理論(RISM)を用いて行う（図4-2-3-1）。
[並列計算の方法と効果]
平面波型の密度汎関数計算に特有の非自明な三重並列化（バンド、逆格子ベクトル、ｋ点）に加えてサンプリングに付随した自明な並列を行い、並列効率を向上させている。ハイスルー
プット計算では自明な並列部分の重みが大きくなり、その分並列効率は１に近づけることができる構造になっている。

図 4-2-3-1. 半導体理論と溶液論を組み合わせた電池シミュレーションの構築
空乏層とヘルムホルツ層を考慮した電極触媒のシミュレーション手法を開発した。

25

[研究成果]電極部の構造及び反応には水素移動を伴う酸化還元反応が関与する。水素原子は古典粒子として扱われてきたが、量子効果が強いため精度が出ないだけでなく実験と整合性のない結果となることがしばしばある。白金111表面はその典型例であり、古くからこの問題は指摘されている。この問題を解決するために、量子効果を取り扱える第一原理経路積分シミュレーションも併用して行えるシミュレータの開発を行った。量子効果を取り扱うためには16-32個のレプリカを並列してシミュレートする必要があるため、「京」やポスト｢京｣以外の計算機では実行が難しい。酸化物電極のシミュレーションにおいては、酸化物特有の構造の多様性のため、構造サンプリングが必要となる。このサンプリングを効率的に行うための第一原理モンテカルロ
計算プログラムを作成した。これについてもレプリカを多数発生させて計算する必要があり、「京」やポスト｢京｣以外の計算機では研究の効率性が期待できない。
第一原理経路積分法を用いたシミュレーションにより、白金表面上の水素吸着に対する量子効果を取り入れ、電子エネルギー損失分光(EELS)を用いた分光学的実験と整合性のある計算結果を初めて得ることができた。このことにより、実験と計算の両面から電極の微視的な構造を探り定量的な議論ができるようになった。酸化物電極についてのシミュレーションについても、様々なドーパントを含む多数の計算を行い、それに基づくデータ解析を行う方法を考案した。
これを用いることにより酸化物のような多様性を持つ物質からなる電極の物質設計が可能になり、実際酸化ジルコニウムおよび酸化チタンにどのようなドーピングをすれば活性が上がるのかについて理論予測をすることができた。この知見に基づく実験が進行している。これも大型の計算機を用いて初めて得られる成果である。

図 4-2-3-2. 電極表面上の反応中間体(OH, OOH)の吸着エネルギー。ジルコニア表面上の酸素空孔サイトでは理想電極条件（☆）を通る線上に吸着エネルギーが位置するため、ドーパントを変えることにより高活性が発現できると予想される。これは白金等では満たすことができない。

26

[研究成果の利活用について]
NEDOの燃料電池開発プロジェクトにおいて、理論予測された酸化ジルコニウムおよび酸化チ
タンのドーピングに基づき、新たな電極の開発が行われている。
[今後について]
燃料電池電極のシミュレーション技術を発展させ、電気二重層や水素の量子効果などを取り入れた計算を可能にし、実験の解析や電極材料設計を行った。今後は、このシミュレーション技術を基に電極のモデリングを改良するとともに、実験との連携を深めてより実践的な研究につなげる予定である。特に、ハイスループット計算に機械学習的な要素を取り入れることにより物質探索の対象の拡大ならびに予測精度の向上を果たし、大きな成果につなげていきたいと考えている。
[参考文献][1] M. Otani and O. Sugino, First-principles calculations of charged surfaces andinterfaces: A plane-wave nonrepeated slab approach, Phy. Rev. B 73, 115407-1-11(2006).
[2] M. Otani,I. Hamada, O. Sugino, Y. Morikawa, Y. Okamoto, and T. Ikeshoji, Electrode
Dynamics from First Principles, J. Phys. Soc. Jpn. 77, 024802-1-6 (2008).
[3] S. Nishihara and M. Otani, Hybrid solvation models for bulk, interface, andmembrane: reference interaction site methods coupled with density functional
theory, Phys. Rev. B 96, 115429-1-6 (2017).
[4] J. Haruyama, T. Ikeshoji, and M. Otani, Electrode potential from density
functional theory calculations combined with implicit solvation theory, Phys. Rev.
Mater. 2, 095801-1-11 (2018).
[5] S. Kasamatsu and O. Sugino, Direct coupling of first-principles calculations withreplica exchange Monte Carlo sampling of ion disorder in solids, J. Phys. Condens.
Matter 31, 085901 (2019).
[6] Y. Yamamoto, S. Kasamatsu, and O. Sugino, Scaling Relation of Oxygen Reduction
Reaction Intermediates at Defective TiO2 Surfaces, J. Phys. Chem. C 123 19486(2019).
[実施計画の最終目標の達成状況]
電気二重層の効果および水素の量子効果を考慮することにより電極界面の構造や反応自由エネルギーの計算精度を向上させ、サイクリックボルタンメトリー(電流電圧曲線)の予測に必
要なパラメータ（水素原子の吸着エネルギーや水素原子間の反発力等）を第一原理的に求めた。
電気二重層を考慮するために第一原理モンテカルロ法や溶液理論(RISM)を組み合わせてシミュレーションを行った。また、水素の量子効果を考慮するために第一原理経路積分法を用いた。

27

計算手法を白金の負極表面に適用することにより、実験と整合する結果が得られ、量子効果の重要性を示すことができた。また計算手法を遷移金属酸化物電極（正極）の酸素還元反応に適用することにより、貴金属を少量ドープした酸化チタンおよび酸化ジルコニウムにおいては、
理想的な活性を示すための物質設計が可能であることを示した。これは酸化物の結合状態の多様性に起因しており、白金合金を含む多くの表面では理想活性条件を示さないことが知られている。今後、このアプローチを用いた実験との協働につながっていく。

28ロ）全電池シミュレータの要素技術開発[実施者]館山佳尚（物材機構）[実施担当]Randy JALEM、袖山慶太郎、Ashu CHOUDHARY、Xichan GAO（物材機構）[実施概要]
基盤アプリstat-CPMDの開発に関しては、ポスト「京」のアーキテクチャに対応する形でメ
モリ、I/O関連の課題解決に加えて、ロードインバランスの調査を行い、高効率並列化計算を可能とする改良を行なった。
「京」利用による二次電池メカニズム解明に関しては、電解液系に関する微視的物性の解析に加えて、ヘテロ固固界面の高効率構造サンプリングを可能とする新手法(ヘテロ固固界面
CALYPSO法)を開発し、それを元に全固体電池の酸化物正極―硫化物電解質界面におけるイオン輸送の微視的メカニズムを明らかにした。さらに負極―固体電解質界面についても研究を展開している。また表面反応速度論、電解液・電解質機械学習解析などに関する手法開発も進展させた。
[開発アプリケーションと計算モデル]
密度汎関数理論による電子状態計算をベースにした高精度第一原理計算サンプリングを様々な系で実施。電解液系シミュレーションに対しては複数初期分子構造による統計精度向上を実現した。また全固体電池界面についてはヘテロ固固界面CALYPSO法による数万構造のサン
プリングを行なった。いずれも300-500原子程度のスーパーセルによる多重計算を実行し、電子状態計算部分についてはstat-CPMD自身およびVASPを用いた。
[並列計算の方法と効果（性能）]
stat-CPMDの並列化は、複数のコミュニケータを用いたMPI多重並列化、FFTなどの電子状態計算カーネル部分に対するスレッド並列化を行なっている。これらにより「京」上で浮動小数点演算効率30%以上（最大で）を達成し、5000原子以上の系のテスト計算に成功した。最近はさらなるメモリ分散、I/O並列化、そしてロードインバランスの改善に取り組み、ポスト｢京｣における効率的並列計算の準備を進めた。
[研究成果]
多重並列化による高効率化学反応自由エネルギー計算を目的とする基盤アプリstat-CPMDについては、すでに電子状態計算の高速化、メモリ有効利用およびI/O並列化を実装することにより、目標値である5000原子以上の系に対する第一原理サンプリング計算の実施に成功した。
令和元年度は、さらなる並列効率向上を目指しロードインバランスの調査と対策を行った。プロファイルによる調査結果では、調査に供した入力データで大きなインバランスは発生しなかったが、今後の対策として、リスタート時の負荷バランス改善策を実装し、その動作を確認した。これにより大規模計算実行時の困難さが軽減できると考えられる。さらにstat-CPMDの公29

開に向けて、リクエストに応じたパッチ配布のＷＥＢシステムを構築しているところである。
現在、大型蓄電池の開発に向けた基礎基盤技術の開発が盛んに行われているが、実用化にはさらなる高性能化、安全性向上が必要となる。しかし、実験観察の困難さも相まってその原子・分子レベルでの実態はまだわかっていない。私たちは｢京｣コンピュータなどの大規模スパコン
を高効率利用可能な第一原理計算プログラム(stat-CPMDなど)の改良・開発を行うことで、電池の動作環境における原子・分子の複雑なダイナミクス・化学反応を精度よくかつ効率的に計算できるようにした。
令和元年度の成果としては、電解液系に関する微視的物性に関するハイドレートメルト中の水分子の挙動についても理解を進めた[1]。加えて、ヘテロ固固界面の高効率構造サンプリン
グを可能とする新手法(ヘテロ固固界面CALYPSO法)を開発し[図4-2-3-3]、それを元に全固体電池の酸化物正極―硫化物電解質界面におけるイオン輸送の微視的メカニズムを明らかにした[2]。さらに負極―固体電解質界面についても研究し、負極-SEI膜界面におけるLiイオン輸送の自由エネルギー計算により、その微視的メカニズムを実証した[3]。また表面反応速度論、
電解液・電解質機械学習解析などに関する手法開発も進展させた。

図 4-2-3-3“ヘテロ固固界面 CALYPSO 法”の計算の流れ。
ターゲットとなるヘテロ固固界面（界面方位まで）を与えると、まず格子不整合を最適化した計算セルが決定される。次に界面領域と呼ばれる空間を２つの材料の間に作成し（黄色と緑色の間の領域）、そこに様々な原子を加えつつ（図中の丸、四角、三角）、ヘテ
ロ固固界面の集団構造緩和、局所構造緩和を CALYPSO 法のアルゴリズムを用いて行う。
それらの探索の中で全エネルギーの低い、実現性の高いヘテロ固固界面構造群を抽出し、それらの構造における電子・イオン状態の解析を行う。
[研究成果の利活用について]
成果の利活用のため、以下のように連携している。
30

共同研究（実験研究者、産業界）
・東京大学・山田淳夫教授、大久保將史准教授、山田裕貴講師
・京都大学・内本喜晴教授
・慶應義塾大学・栄長泰明教授
・富士フイルム・奥野幸洋主任研究員
他プロジェクトへの展開
・文部科学省元素戦略プロジェクト研究拠点形成型・京都大学「実験と理論計算科学のインタープレイによる触媒・電池の元素戦略研究拠点
・JSTイノベーションハブ構築支援事業・情報統合型物質・材料開発イニシアティブ(MI2I)
・JST先端的低炭素化技術開発・次世代蓄電池（ALCA-SPRING）
・科研費特別推進研究
・科研費新学術領域研究「蓄電固体界面科学」
・JST-ACCEL
アプリケーション公開
・webでの公開に向けた準備に着手した。
[今後について]基盤アプリ開発に関してはstat-CPMDのポスト｢京｣における大規模並列計算を高効率に行う
ための、さらなる並列化チューニングを実行した。今後は自由エネルギー計算機能の高度化にさらに取り組む。第一原理計算による二次電池機構解析についてはすでに世界トップグループとなっており、今後も深い洞察をもとに斬新な新規概念・メカニズムの提案を行える研究、新規計算科学・データ科学アプローチを鋭意進めていく。
[参考文献][1] Kasumi Miyazaki, Norio Takenaka, Eriko Watanabe, Shota Iizuka, Yuki Yamada,
Yoshitaka Tateyama, Atsuo Yamada,J. Phys. Chem. Lett. 10, 6301-6305 (2019).
“First-Principles Study on the Peculiar Water Environment in a Hydrate-Melt
Electrolyte”,DOI: https://doi.org/10.1021/acs.jpclett.9b02207[2] Bo Gao, Randy Jalem, Yanming Ma, Yoshitaka Tateyama, Chem. Mater. 32, 85-96(2020).“Li+ Transport Mechanism at Heterogeneous Cathode / Solid Electrolyte
Interface in All-Solid-State Battery via First-Principles Structure Prediction
Scheme”,DOI: https://doi.org/10.1021/acs.chemmater.9b02311 (NIMSからプレスリリー
ス：日刊産業新聞等掲載)[3] Takeshi Baba, Keitaro Sodeyama, Yoshiumi Kawamura, Yoshitaka Tateyama, Phys. Chem.
Chem. Phys., in press. ”Li-ion Transport at Interface Between Graphite Anode andLi2CO3 Solid Electrolyte Interphase: Ab-Initio Molecular Dynamics Study”,DOI:
https://doi.org/10.1039/ C9CP06608J

31

[実施計画の最終目標の達成状況]
二次電池に関しては、固体電子論に基づく計算プログラムを用いた5000原子規模の反応自由エネルギー計算が可能になるシミュレータを開発した。開発シミュレータの産業界等への技術移転を開始するため、stat-CPMDを公開していく。このシミュレータを用い、二次電池に関しては、リチウムイオン電池等の電極界面被膜や電解液の反応性・イオン伝導性を解析し安全な二次電池開発に大きく貢献した。また力場計算連携解析・材料相関の機械学習解析も実行し、より高効率かつ高安全性をもつ電解液・電解質材料の設計指針を提案できた。加えて、ポストリチウムイオン電池の有力候補である全固体電池の電解質—電極界面におけるイオン輸送や、リチウム空気電池や多価イオン電池における電解液—電極反応に関しても、
CALYPSO法を提案など、ポスト「京」利用に向けた予備的な成果を挙げた。

32ハ）全電池シミュレーション技術の開発研究[実施者]長岡正隆（名古屋大）[実施担当]北村勇吉、田中祐一、Amine BOUIBES（名古屋大）、稲垣泰一（分子研）、竹中規雄（東京大）[実施概要]
RedMoonの並列化効率を向上させるためのLAMMPSベースの新しいRedMoonの構築・整備を展開して進め、現実に即した系の取り扱いに向けて、電極電位制御機能を実装した。
実際に、リチウムイオン二次電池の炭素電極とEC等を含む電極-電解液界面系において、電極電位の制御条件下で被膜形成シミュレーションを実施し電極近傍における溶媒分布を解析した。その結果、被膜は表面静電環境の変化に鈍感であることが分かった。またリチウムイオンの効率的輸送機構が明らかとなった。
[開発アプリケーションと計算モデル]
計算モデル：リチウムイオン二次電池の炭素電極とエチレンカーボネート（EC）電解液との界面系（40万及び120万原子規模）。利用アプリケーション：MDソルバとして電位制御機能を実装したLAMMPSを利用。また、Red Moon法プログラムを独自に開発。
[並列計算の方法と効果（性能）]MDソルバにLAMMPSを用いたLAMMPSベースのRedMoonに電位制御機能を実装した上で、RedMoonの並列化効率を向上させるための構築・整備を行った。これにより100万原子系以上でもRedMoon計算が可能となった。さらに、大規模系において律速となりうる反応候補探索ルーチ
ンを並列化することで、計算のさらなる効率化が得られ、より詳細な被膜構造解析が可能となった。
[研究成果]
MDソルバに関しては、大規模系での安定かつ効率的な計算を実現させるために、LAMMPSプロ
グラムを採用し、拡張系の方法を用いて電極電位一定条件を満たす電子分極効果の取扱いを実現した[1]。また、MDソルバとは別に、RedMoonの化学反応の採択・棄却を扱うルーチンを改良した。これによって、大規模系における被膜形成シミュレーションを実行可能にすると共に、
QM/MM計算で得られた生成物比と同等な結果を古典力場計算のみからも得られることを確認し、RedMoonの応用範囲を拡張した[2, 3]。
リチウムイオン二次電池において電極電位に伴って生じる電極表面の電子分極効果を考慮
すると、溶媒としてのエチレンカーボネート（EC）の電極表面第一層での配向が電極電位に強く依存して生じることが分かった。この事実から、被膜形成がECの還元から始まることが確認された。また、被膜形成シミュレーションの結果から、これまでの電極分極が無い場合に比べ33

て、被膜構成要素の一つである炭酸イオンが電極表面に強く吸着し続けることが明らかとなった。これは、被膜-電極界面の構造に関する有用な知見であり、電極へのリチウムイオン挿入のメカニズムに強く影響する。さらに電池作動環境下で予測される被膜構造変化の分子機構を調査した。その結果、(1)被膜は熱運動では容易に崩壊せずに逆に凝集すること、(2)電極表面の静電環境の変化に対して被膜構造は鈍感であること、(3)被膜の構成要素として存在するリチウムイオンの拡散が、電解液に接した被膜構造を壊すこと、を明らかにした。これらの結果が偶然でないことを示すために、独立した初期条件で作成した複数（最低10個）の膜構造を調査すべきこと、そして非常に遅い被膜構造変化を追うために合計で有効的に数μs以上のシミュレーションが必要であることから、「京」やポスト｢京｣の使用が非常に重要であると言える。
[研究成果の利活用について]
成果の利活用のため、以下のように連携している。
共同研究（実験研究者）
・駒場慎一教授（東京理科大学）との共同研究（Naイオン電池の添加剤効果に関する研究）
・山田淳夫教授（東京大学）との共同研究（濃厚電解液を用いた二次電池の被膜形成に関する研究）
他プロジェクトへの展開
・京都大学 触媒・電池元素戦略ユニット（拠点長：京大院工・田中庸裕教授）[今後について]Red Moon法プログラム(RedMoon)へ電極電位を制御する機能を実装し、被膜形成などの電気化学反応シミュレーションの高度化を達成した。また、ポスト「京」の利用を想定した超並列計算に対応可能なLAMMPSベースのRedMoonの開発が完了した。今後は、本シミュレータを活用し、実験研究者と共に濃厚電解液などの有望材料に対する共同研究を実施すると共に、被膜構造情報に対するビッグデータ解析から構造安定性に関する知見を得て、その条件の差異による電池特性への影響を調査して、電解液設計に向けた指針を提案する。
[参考文献][1] A. Bouibes, N. Takenaka, S. Saha, M. Nagaoka, J. Phys. Chem. Lett., 10, 59495955 (2019).
[2] T. Inagaki, M. Nagaoka, J. Comp. Chem., 40, 2131-2145 (2019).
[3] K. Miyazaki, N. Takenaka, T. Fujie, E. Watanabe, Y. Yamada, A. Yamada, M. Nagaoka,
ACS Appl. Mater. Interface, 11, 15623-15629 (2019).
[実施計画の最終目標の達成状況]
Red Moon法（混合MC/MD反応法）による数十nmオーダーの厚みを有する現実のSEI膜との直接比較が可能な100万原子規模のシミュレータを開発した。
二次電池に関しては、リチウムイオン電池等の電極界面被膜や電解液の反応性・イオン伝導34

性を解析した。その結果、電極電位に伴った電極表面の電子分極効果により、溶媒エチレンカ
ーボネート（EC）の電極表面第一層での配向が電極電位に強く依存することなどが分かった。
また力場計算連携解析・材料相関の機械学習解析も実行した。実際、被膜中のリチウムイオンの輸送を調査するために強化学習法を用いたところ、リチウムイオンは質量密度が低く静電場がゼロに近い被膜領域を経由するという効率的輸送機構が明らかとなり、より高効率かつ高安全性をもつ電解液・電解質材料の設計指針に向けて被膜構造安定性に関する計算事実を提示することができた。

35

ニ）全電池シミュレータの基盤技術の開発研究[実施者]岡崎進（名古屋大）[実施担当]篠田渉、吉井範行、安藤嘉倫、藤本和士、永井哲郎、張家超（名古屋大）[実施概要]MODYLASの高度化・開発を継続し、特に、FMM（fast multipole method）および粒子対計算に関わる新規通信アルゴリズム（MTD法）をMODYLASに実装し、最適化した。また、「京」、FX100上でSIMD最適化を行い、また圧力テンソル評価用FMM計算、EVB法などソフト全体のチューニングを行った。これにより、ポスト｢京｣の10分の1の計算資源を用いて1億原子系のMD計算1ステ
ップを3 msで終えるという当初目標達成の見通しを得た。
不均一環境下での位置に依存した溶質の拡散係数に対する新規計算方法を開発し、位置に依存した自由エネルギーと合わせて、溶質の大域的な浸透係数を透過経路と共に評価する方法を確立した。これにより、燃料電池電極三相界面や電解質膜バルク中の酸素、水素、プロトンなど物質輸送の定量的議論を可能にした。
[開発アプリケーションと計算モデル]
高分子電解質膜に特徴的な大域的構造とそれに由来する膜強度やイオン伝導度、また電極・電解質膜界面等の解析が可能な1億～10億原子系に対する分子動力学計算を実現するMODYLASを開発する。
・一億原子から成る燃料電池電極三相界面およびバルク電解質膜
・グロータス機構に基づいたプロトン移動のEVBモデルによる記述
・位置に依存した拡散係数と自由エネルギーからの不均一界面における物質輸送の記述[並列計算の方法と効果（性能）]FMM計算、対相互作用計算共に、従来の1/2の通信量での必要情報の交換可能とする新規MPI通信アルゴリズムMTD法を提案している。また、主要MPI通信はRDMA通信を採用している。
[研究成果]MODYLASの計算は大きく分けてFMM計算部の演算と通信、対相互作用計算部の演算と通信とからなる。この中で、昨年度までにFMM演算に対して基底関数のsolid harmonicsへの置換、漸化式、多極子の対称性の利用、極座標軸の回転による単純化など新規アルゴリズムの実装を行い、相互作用直接計算において演算時間を約40%削減し、FMM演算の演算量を約1/6にまで削減し、演算時間も1/4に削減することに成功してきた。今年度は、新規な通信アルゴリズムMTD法を開発し、これをMODYLASに実装し、チューニングした。一方で、SIMD最適化、圧力テンソル評価用
FMM計算などソフト全体の最適化を行った。これらにより、「京」コンピュータを用いたベンチマークにおいては現公開版MODYLASと比較して2.4倍の計算速度性能を実現した（図4-2-3-4）。
もしポスト｢京｣において「京」並みの最適化ができた場合、「京」と比較して100倍の計算性能36が達成でき、ポスト｢京｣の10分の1の計算資源を用いて1億原子系のMD計算1ステップを3 msで終えることが可能となる。

図 4-2-3-4 「京」を用いた MODYLAS のベンチマーク。
また、hydroniumイオンによる単純な輸送に加えて、化学反応の組み換えによるプロトン移
動反応、さらにはGrotthuss機構をも含むプロトン輸送を記述できるEVBモデルをMODYLASに実装し、並列化を行った。自由エネルギー計算に関しても、MODYLASにおいて熱力学積分法を必要に応じた形式で汎用的に利用できるよう、相互作用関数中への摂動パラメータλの導入やFMM計算におけるbackground chargeの取り扱いの整備を行い、いずれもMODYLASに実装し、検証を行った。
不均一系においては分子の拡散係数は位置に依存する。この位置に依存した分子の拡散係数を効率的に評価する新規計算方法を開発した。これは、注目している分子を空間的にflatbottomed potentialを用いて空間的に拘束することにより、位置拘束をかけながらも動力学に影響を与えない方法に基づいて拡散係数を評価するものである。この位置に依存した拡散係数つまり移動度と、位置に依存した自由エネルギーと合わせて動的モンテカルロ計算を行うことにより、溶質の大域的な浸透係数を透過経路と共に評価することができる。本年度は、簡単
な疎水性モデル界面における分子の拡散係数の位置依存性の議論を通してこの方法の検証を行った。これにより、燃料電池電極三相界面や電解質膜バルク中の酸素、水素、プロトンなど物質輸送を分子構造と関連させながら定量的に議論することが可能となり、電極、アイオノマ
ー材料の開発、界面構造の最適化に大きく貢献できる。
[研究成果の利活用について]
成果の利活用のため、以下のように連携している。
・トヨタ自動車との燃料電池電解質膜、電極界面の共同研究
・SIP2「バイオポリマー」プロジェクトとの連携
・NEDO「超々」プロジェクトとの連携
・花王との界面活性剤の共同研究

37

・住友化学、東レ、三菱ケミカル、クラレとの高分子系の共同研究[今後について]高分子電解質膜に特徴的な大域的構造とそれに由来する膜強度やイオン伝導度、また電極・電解質膜界面等の解析が可能な1億～10億原子系に対する分子動力学計算を実現するシミュレ
ータMODYLASは、性能、機能共に、ほぼ完成させた。実機を用いたチューニング後には目標性能を達成する見込みであり、来年度は、チューニング後にはただちに電解質膜、電極三相界面の研究を開始できる予定である。
[参考文献][1] K. Takeda, Y. Andoh, W. Shinoda, and S. Okazaki, “Molecular Behavior of Linear
Alkylbenzene Sulfonate in Hydrated Crystal, Tilted Gel, and Liquid Crystal Phases
Studied by Molecular Dynamics Simulation”, Langmuir 35, 10877-10884(2019)[2] K. Fujimoto, R. S. Payal, T. Hattori, W. Shinoda, M. Nakagaki, S. Sakaki, and S.
Okazaki, “Development of dissociative force field for all-atomistic molecular
dynamics calculation of fracture of polymers”, J. Comp. Chem. 40, 2571-2576(2019)[3] K. Fujimoto, Z. Tang, W. Shinoda, and S. Okazaki, “All-atom molecular dynamics
study of impact fracture of glassy polymers. I: Molecular mechanism of brittlenessof PMMA and ductility of PC”, Polymer, 178, 121570(2019)[実施計画の最終目標の達成状況]
MODYLASの計算は大きく分けてFMM計算部の演算と通信、対相互作用計算部の演算と通信とからなる。この中で、FMM演算に対して基底関数のsolid harmonicsへの置換、漸化式、多極子の対称性の利用、極座標軸の回転による単純化など新規アルゴリズムの実装を行い、相互作用直接計算において演算時間を約40%削減し、FMM演算の演算量を約1/6にまで削減し、演算時間も1/4に削減することに成功してきた。さらに、新規な通信アルゴリズムMTD法を開発し、これをMODYLASに実装した。一方で、SIMD最適化、圧力テンソル評価用FMM計算などソフト全体の最適化を行い、これらにより、「京」コンピュータを用いたベンチマークにおいては現公開版MODYLASと比較して2.4倍の計算速度性能を実現した。もしポスト｢京｣において「京」並みの最適化ができた場合、「京」と比較して100倍の計算性能が達成でき、ポスト｢京｣の10分の1の計算資源を用いて1億原子系のMD計算1ステップを3 msで終えることが可能となる。
また、hydroniumイオンによる単純な輸送に加えて、化学反応の組み換えによるプロトン
移動反応、さらにはGrotthuss機構をも含むプロトン輸送を記述できるEVBモデルをMODYLASに実装し、並列化を行った。自由エネルギー計算に関しても、MODYLASにおいて熱力学積分法を必要に応じた形式で汎用的に利用できるよう、相互作用関数中への摂動パラメータλの導入やFMM計算におけるbackground chargeの取り扱いの整備を行い、いずれもMODYLASに実装し、検証を行った。

38

４－２－４．サブ課題Ｃ エネルギー・資源の有効利用 — 化学エネルギー[責任者]田中秀樹（岡山大）[実施者]田中秀樹（岡山大）、武次徹也（北海道大）、中井浩巳（早稲田大）、奥村久士（分子研）[研究の背景と目的］
エネルギー資源を輸入に頼る我が国では、エネルギーの有効な循環が国家的重要課題である。
本サブ課題では、化学エネルギーの新規な資源開発と貯蔵の効率化を目指す。エネルギー・環
境問題解決に必須であるメタンとCO2の分離・回収、貯蔵、変換にわたる化学エネルギーの高度利用を目指して、ポスト｢京｣を活用できるアプリケーションを開発し、企業や実験研究者との緊密な連携をとりつつエネルギー多消費型工業プロセスを革新する。そのために、化学エネル
ギー創成・消費の根幹となるメタンハイドレートの資源化およびCO2の分離・回収、貯蔵による化石燃料の安定的利用、さらに高機能触媒の開発を実施する。
水は地球上に普遍的に存在する無害で環境負荷の少ない物質であり、資源および貯蔵媒体、また蓄冷物質として水の利用を図ることは、化学エネルギーの創生とエネルギーサイクル構築の観点から、極めて重要である。日本近海に埋蔵されているメタンハイドレートからのメタンの生産と貯蔵、また環境負荷の少ないハイドレートの別の有効な利用法として、水素やオゾンの安全な貯蔵法の実用化に対する指針の提供を目的とする。ハイドレートはCO2の廃棄手段の候補でもあり、メタンハイドレートにCO2を注入し、メタンハイドレート中のメタンをCO2に置換しつつ、有用なメタンを得る可能性を、理論的基盤に基づきダイナミクスを含めて検証する。
また、水の相転移時の大きな潜熱を利用して、新規な蓄冷材料を開発することが強く期待されている。このうち、セミクラスレートを主とする蓄冷材は、構造や熱力学等の基礎的な情報が未解明であり、これらを微視的観点から基礎原理を解明して、実用化につなげる。
一方、物質科学分野において、触媒はエネルギー問題を解決する鍵を握る。本課題では、産業界に需要のある「触媒反応機構解明のための反応経路探索技術」を確立し、理論が先導する
高収率高選択性の新規触媒設計というアプローチの実現を目指す。国内ではここ十年ほど貴金属をユビキタス元素に置き換える元素戦略プロジェクトが進められており、実験と理論計算の協働が重要視されている。白金などの貴金属を使用しない高機能触媒の開発が実現すれば、エネルギー多消費型物質生産の革新を達成することができる。
更に、地球温暖化防止をはじめとする環境諸問題の対策と、化石燃料の有効利用によるエネ
ルギーの安定供給が可能な社会を築いていくため、CO2排出量の大幅な削減が求められている。
この目標達成に向けて、工場や発電所などの大規模排出源からCO2を分離・回収する技術が近年注目を集めている。我が国でも回収したCO2を地中深くに輸送し貯留する手段（CCS）の実証試
験が開始しているが、実用化促進にはCO2分離・回収のコスト削減が求められている。そのためには、反応条件の制御および材料の高性能化が必要である。ここにおいて計算科学を用いた微視的視点からの反応原理の究明、および系統的な物質の特性評価が課題解決を加速するアプロ

39

ーチとして期待されている。本研究では、超並列電子状態計算に基づく大規模CO2分離・回収シ
ミュレーションとその解析を実現するアプリケーションの構築を行う。これを用いてCO2の効率的な分離・回収に資する革新的材料を理論先導で設計し、CO2問題の解決に貢献する。
[研究成果の概要]
ハイドレートの利用や高機能触媒開発、CO2分離・回収に向けた以下のような成果が得られた。
ハイドレートでは、温度、圧力、そしてゲストのモル分率を独立変数としてハイドレート生
成条件を求める基礎原理と、それに基づいたソフトの種々のゲストへの拡張を行った。さらに、
包接水和物（クラスレートハイドレート）や氷の結晶構造を作成するアプリを、より多数の氷種などを扱えるようにした。
高圧におけるハイドレートの核生成に関係する密度揺らぎを分子動力学シミュレーション
で解析し、溶質であるネオンの存在により水の液-液相共存の温度と圧力が高くなることを明らかにした。また、カーボンナノチューブの束を内包する新しいタイプの包接水和物を提案し、その熱力学的物性の理論予測を行った。
高機能触媒開発では、任意のMPI並列電子状態計算ソフトウェアを用いたGRRM超並列計算を可能とするため、mpi_comm_spawnを用いた並列機能の実装を進めた。また、ポスト「京」で得られるGRRM出力ファイルより分子構造やエネルギー等の情報を読み取り分類して、GRRM計算の
結 果 か ら 容 易 に 反 応 経 路 地 図 を 作 成 す る ソ フ ト ウ ェ ア SAFIRE(Simple AFIR connection
Extractor)を開発し、公開に向けて準備した。

CO2分離・回収では、複雑系の構造サンプリングや自由エネルギー計算の収束性改善における有効な手法として、レプリカ交換分子動力学・メタダイナミクス法をシミュレータに実装した。
さらに、大規模計算におけるメモリ使用量削減を検討し、最大2300万原子系で超並列電子状態
計算の動作検証を行った。
アミン-CO2溶液系の化学反応シミュレーションに基づく熱力学量の網羅的算出に向けて、計算プロセスを自動化するスキームの開発・評価を行った。MOFによるCO2固定化反応の化学反応シミュレーションを実施し、先行研究で示唆されたものとは異なる熱力学的に有利な反応機構を発見した。

40イ）メタンや水素ハイドレート実用基盤の確立[実施者]田中秀樹（岡山大）[実施担当]松本正和、矢ヶ崎琢磨（岡山大）[実施概要]
温度、圧力、そしてゲストのモル分率を独立変数としてハイドレート生成条件を求める基
礎原理と、それに基づいたソフトの種々のゲストへの拡張を行った。さらに、包接水和物（クラスレートハイドレート）や氷の結晶構造を作成するアプリを、より多数の氷種などを扱えるようにした。
高圧におけるハイドレートの核生成に関係する密度揺らぎを分子動力学シミュレーション
で解析し、溶質であるネオンの存在により水の液-液相共存の温度と圧力が高くなることを明らかにした。また、カーボンナノチューブの束を内包する新しいタイプの包接水和物を提案し、その熱力学的物性の理論予測を行った。
[利用アプリケーション]
約12,000の水分子からなる系の分子動力学計算によってカーボンナノチューブを内包する
包接水和物の生成機構を研究した。また、2種類の溶質について100を超える熱力学のシミュレーションによって水の密度揺らぎと相分離を研究した。分子動力学計算にはGROMACSを用いた。
[研究成果]
メタンハイドレートの資源化や海底への CO2 廃棄の実現には、その熱力学的安定性の評価が不可欠である。そのために、我々は温度(T)、圧力(P)、そしてゲストのモル分率(xg)を独立変数としてハイドレート生成条件を求める基礎原理を見出し、それに基づいたソフト開発をメタ
ン以外の天然ガスや希ガスに拡張した。
結晶の理論研究のためには、まずその構造を生成する必要がある。包接水和物や共存する氷のほとんどはプロトン無秩序結晶であり、また系全体を無分極とする必要があり、その構造の生成は容易ではない。我々が開発した、様々な包接水和物や氷の構造を生成できるアプリ
GenIce を順次改良して生成できる氷種を増加させた。
結晶の核生成は密度揺らぎによって促進される。通常の液体と異なり、水の場合は二つの液相の存在が大きな密度揺らぎと関係している。我々は NaCl と Ne という全く異なる溶質が水の液-液相転移に及ぼす効果を分子動力学シミュレーションによって解析した。包接水和物の観点では、小さな疎水物質である Ne がより重要である。我々の解析により、どちらの溶質も相分離の温度を上昇させることが明らかになった。一方、圧力については、NaCl は減少、Ne は増加させる効果があることが分かった。この結果は疎水的な物質が溶けた水の揺らぎが高圧で大きくなりやすいということを示しており、この現象が包接水和物の核生成の駆動力と何らかの関係がある可能性がある。

41

図 4-2-4-1. 小さな疎水粒子(赤）によって促進される水の液-液相分離
包接水和物を構成するゲスト分子の大きさには上限がある。通常の包接水和物ではカゴ構
造の中にゲストを内包する。他の形状、例えば柱状の空間を考えるならば、より大きなゲストを内包した水和物を作れるのではないか。このアイデアをもとに分子シミュレーションを行い、その結果、実際にカーボンナノチューブを一定間隔で並べたナノブラシの周りにこれまでに見つかっていない新しい結晶構造が自発的に形成することを見出した。また、これまでに開発した統計力学的な理論を応用することで、この新構造の熱力学的な安定性や体積を見積もることに成功した。

図 4-2-4-2. カーボンナノチューブの内包する新しい包接水和物の骨格構造[研究成果の利活用について]
成果の利活用のため、以下のように連携している。
１. メタンハイドレートを試掘している東北大圓山グループとの連携
２. パナソニックとの蓄冷材としての応用を目指しての共同研究[今後について]
包接水和物の核生成と関係する水溶液の揺らぎについての新しい知見を得た。さらに、これまでにない新しいタイプの包接水和物を提案し、その熱力学的物性を解析する手法を確立した。
今後、蓄冷材として期待されるセミクラスレートのMDシミュレーションなどにより、その構造と安定性を解明する。また、MDシミュレーションと基礎理論の両面から、ハイドレートにおけるメタンと二酸化炭素の置換時のエネルギー収支等についての解明をする。

42

[参考文献][1] Takahiro Matsui, Takuma Yagasaki, Masakazu Matsumoto, Hideki Tanaka, “Phase
diagram of ice polymorphs under negative pressure considering the limits ofmechanical stability.”, J. Chem. Phys. 150, 041102(5 pages) (2019)[2] Muhammad M. Huda, Takuma Yagasaki, Masakazu Matsumoto, Hideki Tanaka, “Negative
Thermal Expansivity of Ice: Comparison of the Monatomic mW Model with the All-Atom
TIP4P/2005 Water Model.”, Crystals, 9, 248 (11 pages) (2019)[3] Masakazu Matsumoto, Takuma Yagasaki, Hideki Tanaka, “A Bayesian approach for
identification of ice Ih, ice Ic, high density, and low density liquid water witha torsional order parameter.”, J. Chem. Phys. 150, 214504 (6 pages) (2019)[4] Takuma Yagasaki, Masakazu Matsumoto, Hideki Tanaka, “Liquid-liquid separation of
aqueous solutions: A molecular dynamics study.”, J. Chem. Phys. 150, 214506 (8pages) (2019)[5] Takuma Yagasaki, Masaru Yamasaki, Masakazu Matsumoto, Hideki Tanaka, “Formationof hot ice caused by carbon nanobrushes.”, J. Chem. Phys. 151, 064702 (8 pages)(2019)[6]

Hideki

Tanaka,TakumaYagasaki,

Masakazu

Matsumoto,

“On

the

role

of

intermolecular vibrational motions for ice polymorphs I: Volumetric properties ofcrystalline and amorphous ices.”, J. Chem. Phys. 151, 114501 (14 pages) (2019)[7]

Hideki

Tanaka,TakumaYagasaki,

Masakazu

Matsumoto,

“On

the

role

of

intermolecular vibrational motions for ice polymorphs I: Atomic vibrational
amplitudes and localization of phonons in ordered and disordered ices.”, J. Chem.
Phys. 152, 074501 (14 pages) (2020)[実施計画の最終目標の達成状況]
日本近海に埋蔵されているメタンハイドレートからのメタンの生産において、液体CO2を注入し、CO2ハイドレートの生成熱を利用してメタンハイドレートを積極的に分解し、有用なメタンを得る可能性を検討することを最終目標とした。日本近海底には膨大な量のメタンハイドレートが存在する。これを海底で分解しメタンを抽出する方法として減圧法が有力視されているが、メタンハイドレートの潜熱が大きいために、メタンハイドレートを分解し続けると、水温が低下して分解を妨げる。そこで、CO2の貯留とメタンハイドレートを獲得の一挙両得を目指した、CO2注入によるメタンハイドレート分解促進が考案されている。このために、メタンハイド
レート結晶の分解、CO2ハイドレート結晶の生成の大規模な分子動力学シミュレーションを行
い、現実に近い環境での生成解離機構を解明して、実用化につなげるための幾つかの提案を行った。また蓄冷材としてのセミクラスレートについて、その構造の候補を生成してゲスト配置
によるエントロピーの計算を行い、熱力学的性質の実験との比較により構造と潜熱の関係を示した。

43

図 4-2-4-3. メタンハイドレートへの CO2 注入・置換。CO2（ピンク色）を注入・置換することでメタンハイドレート（中央）からメタン（青色）を取り出している。

44ロ）触媒反応経路探索計算[実施者]武次徹也（北海道大）[実施担当]前田理、小林正人、岩佐豪、高敏、小野ゆり子、長谷川淳也（北海道大）中山哲（東大）[実施概要]
任意のMPI並列電子状態計算ソフトウェアを用いたGRRM超並列計算を可能とするため、
mpi_comm_spawnを用いた並列機能の実装を進めた。また、｢京｣およびポスト｢京｣で得られる
GRRM出力ファイルより分子構造やエネルギー等の情報を読み取り分類して、GRRM計算の結果か
ら容易に反応経路地図を作成するソフトウェアSAFIRE(Simple AFIR connection Extractor)を開発し、公開に向けて準備した。
[並列計算の方法と効果]
超並列量子化学計算ソフトウェアSMASHを同時多重実行可能なライブラリを作成し、NTChemについては開発者グループが提供するMultiNTChemライブラリを用い、ライブラリをcallして電子状態計算を直接実行してMPI並列によるGRRMと量子化学計算プログラムの超並列計算（図4-2-4-4）を実行する機能について（具体的には反応経路探索計算の途中でSCF計算が収束しにくい場合について）改良を行った。SMASH, NTChemに限定せず任意のMPI並列電子状態計算ソフ
トウェアを用いたGRRM超並列計算を可能とするため、mpi_comm_spawnを用いた並列機能の実装を進めた。

座標・gradient

座標・gradient

Force計算

Force計算

Force計算

time

座標・gradient
座標・gradient

Force計算

Force計算
座標・gradient

Force計算
Force計算
座標・gradient

GRRM master thread
GRRM slave thread
電⼦状態計算 master thread
電⼦状態計算 slave thread

図 4-2-4-4. 反応経路自動探索プログラム GRRM と超並列電子状態計算プログラムを組み合わせ、階層化並列を導入して実現する超並列計算

45

[研究成果]反応経路自動探索プログラム（GRRM）の超並列化電子状態計算ソフトウェアとの連結を含む高度化と、応用課題として理論-実験連携による未知の触媒反応機構解明および新規触媒の開発を目指した研究を進めている。アプリ開発については、触媒反応で重要となる担持効果を考慮した計算を実現するため、任意のMPI並列電子状態計算ソフトウェア（特にVASP, SIESTAを用いた周期境界系の量子化学計算）でGRRM超並列計算を可能にするmpi_comm_spawnを用いた並列機能の実装を進めた。また、｢京｣およびポスト｢京｣で得られるGRRM出力ファイルより分子構造やエネルギー等の情報を読み取り分類して、GRRM計算の結果から容易に反応経路地図を作成するソフトウェアSAFIRE(Simple AFIR connection Extractor)を開発した。図4-2-4-5にSAFIREで可視化したグリシンの反応経路地図を示す。プログラムは公開準備中である。

図 4-2-4-5. GRRM の出力ファイルより EQ（平衡構造）及び TS（遷移状態構造）の相互を結合する connection の情報を読み取り分類して反応経路地図を作成するソフトウェア
SAFIRE（Simple AFIR-calculation-results Extractor)を用いて可視化したグリシンの反応経路地図不均一触媒の触媒活性は、主触媒元素種だけでなく、表面構造やドーピング、欠陥などの触媒自身の状態、さらには担体や助触媒、温度、触媒調整法といった非常に多くのファクターによって変化する。これらの影響の一つひとつに対しては、量子化学計算等のシミュレーション
によってそのメカニズムを解明することが可能かもしれないが、これらの影響をすべて取り込
んでシミュレーションを行うことにより触媒性能を総合的に算定する、というのはポスト｢京｣を用いたとしても難しい。そこで発想を転換し、ハイスループット計算により理想的にモデル化した金属表面に対する反応物・中間体の吸着構造・吸着電子状態をデータベース化し、機械
学習と組み合わせることによって反応解析や触媒探索に利用できるシステムの構築を行った。
具体的な利用例として、金属触媒によるメタン水蒸気改質（MSR）反応のメタン転化率を単一
46の論文から取得して目的変数とし、本データベースから記述子を構築して回帰を行った（図42-4-6）。fcc(111)及び(100)表面スラブモデル（真空層15 Å）と表面に様々な配向をした吸着子が吸着した状態を構造最適化し、幾何・電子構造をデータベース化（登録数3万件以上）した。機械学習にはRのncvregパッケージを使用している。その結果、MSR反応には直接関与しな
いC2の吸着エネルギーが負に相関していることがわかった。これは炭素析出による触媒の不活化と関連しているのではないかと考えられる[1]。
80

80

(a)

(b)
60

60

20

0

40

Ag

Ni

Au

Pd

Cu

Pt

Ir

Rh

60

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20

20

0

0

20

40

60

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0
0

20

40

Predicted conversion rate [%]40

Predicted conversion rate [%]

60

40

Ni

Au

Pd

Cu

Pt

Ir

Rh

20

40

20

0

60

80

0
0

60

Ag

20

40

60

Experimental conversion rate [%]Experimental conversion rate [%]図 4-2-4-6. 単一論文から得たメタン転化率（横軸）と機械学習により予測された値（縦軸）の相関。(a)LASSO、(b)MC+法による結果。

[研究成果の利活用について]
成果の利活用のため、以下のように連携している。
共同研究（実験研究者、産業界）
・NIMS 坂牛健博士（実験研究者）と電極触媒の酸素還元反応過程におけるトンネル効果について議論を深め論文発表を行った
他プロジェクトへの展開
・元素戦略 project と連携し、反応経路自動探索プログラム GRRM の表面触媒反応経路探索への拡張・遷移状態構造のインフォマティクス解析を試みている。
アプリケーション公開
・｢京｣およびポスト｢京｣で得られる GRRM 出力ファイルより情報を読み取り分類して反応経路地図を作成するソフトウェア SAFIRE(Simple AFIR connection Extractor)を開発した。プログラムは公開準備中である[今後について]任意の (特に表面反応を扱う場合に重要な周期境界条件の扱いが可能なVASP等)のMPI並列
電子状態計算ソフトウェアを用いたGRRM超並列計算を行うためmpi_comm_spawnを用いた並列機能を完成させた。今後はGRRM計算の適用範囲を拡大し、触媒反応の反応経路自動探索計算を試みる。SAFIREの公開予定版は２次元地図作成機能のみを持つが、３次元地図作成機能につい47

ても表示の高速化を行い、公開する。
[参考文献][1] M. Kobayashi, H. Onoda, Y. Kuroda, and T. Taketsugu, “Surface adsorption model
calculation database and its application to activity prediction of heterogeneous
catalysts”, J. Comput. Chem. Jap., in press.
[2] R. B. Jaculbia, H. Imada, K. Miwa, T. Iwasa, M. Takenaka, B. Yang, E. Kazuma, N.
Hayazawa, T. Taketsugu, and Y. Kim, “Single-molecule resonance Raman effect in aplasmonic nanocavity”, Nature Nanotechnology, 15, 105-110 (2020).
[3] K. Sakaushi, A. Lyalin, and T. Taketsugu, “Observations and theories of quantum
effects

inprotontransfer

electrode

processes”,

Current

OpinioninElectrochemistry, 19, 96-105 (2019).
[実施計画の最終目標の達成状況]
高効率な触媒反応開発に資する計算科学技術の開発を目指し、ライブラリ化した並列電子
状態計算ソフトウェアNTChem・SMASHを反応経路自動探索プログラムGRRM17から実行できる関数の開発を行い、MPIコミュニケータのmpi_comm_splitを用いて分割して、超並列計算を実行する機能をGRRM17に実装した。触媒反応で重要となる担持効果を考慮した計算を実現するため、周期系DFT計算プログラムを含む任意のMPI並列電子状態計算ソフトウェアを用いたGRRM超並列計算を可能にするmpi_comm_spawnを用いた並列機能の実装の開発も行った。さらに｢京｣およびポスト｢京｣で得られる膨大な出力ファイルをデータベース化し、可視化を行うソフトウェア
SAFIRE(Simple AFIR connection Extractor)を開発し、公開に向け準備した。触媒反応への応用では、非白金系燃料電池触媒ならびにCO2有効資源化触媒を対象とし、実験研究者と連携して発見した電極触媒BN/Auの高機能化やカーボンアロイ酸素還元触媒における機構解明、量子効
果の解明などプレスリリースにつながる研究成果を上げた。

48ハ）CO2吸収シミュレーションのための超並列電子状態計算法[実施者]中井浩巳（早稲田大）[実施担当]西村好史、周建斌（早稲田大）[実施概要]
複雑系の構造サンプリングや自由エネルギー計算の収束性改善における有効な手法として、
レプリカ交換分子動力学・メタダイナミクス法をシミュレータに実装した。さらに、大規模計算におけるメモリ使用量削減を検討し、最大2300万原子系で超並列電子状態計算の動作検証を行った。
アミン-CO2溶液系の化学反応シミュレーションに基づく熱力学量の網羅的算出に向けて、計算プロセスを自動化するスキームの開発・評価を行った。MOFによるCO2固定化反応の化学反応シミュレーションを実施し、先行研究で示唆されたものとは異なる熱力学的に有利な反応機構を発見した。
[開発アプリケーションと計算モデル]
レプリカ交換法を用いた計算では、約1500原子からなる水溶液中のジアラニン分子の構造
サンプリングを取り扱った。メモリ使用量削減アルゴリズムの動作検証では、最大23437500原
子の純水系を用いた。アミン-CO2溶液系の熱力学量自動化計算では、約270種のアミン分子ついて計算を実行した。MOFによるCO2固定化反応では、MOF、CO2、および反応機構解析の対象としたスチレンオキシドからなるモデルに対しシミュレーションを実行し、さらに溶媒を含む系についても検討を行った。いずれの計算においても、DC-DFTB-Kまたは分子動力学計算機能を強化したDCDFTBMDを用いた。
[並列計算の方法と効果]
レプリカ交換法は、レプリカに対するMPI並列と電子状態計算に対するMPIとOpenMPのハイ
ブリッド並列を階層的に組み合わせることで実装した。メモリ使用量削減は、スレッド並列化の方式を改変することにより、ボトルネックとなっていた巨大配列のサイズを縮小した。単精度化の効果についても検討したが、一部の処理に適用した場合であっても精度に大きな影響が出ることが判明した。
[研究成果]
超並列電子状態計算法とレプリカ交換法を組み合わせた分子動力学・メタダイナミクス計
算手法の実装を行った。図4-2-4-8(a)は、水溶液中のジアラニン分子の構造サンプリング速度を平均二乗偏差に基づくクラスタリング解析によって比較したものである。レプリカ交換法の適用により、構造サンプリング効率の向上が示された。図4-2-4-8(b)は、末端間距離を反応座標とするメタダイナミクスシミュレーションによって得られた自由エネルギー曲線の時間発展を示す。従来の計算では、反応座標以外の遅い運動の影響により、自由エネルギー曲線は時間に対して大きく変化した。この問題は高温領域への遷移を可能とするレプリカ交換法を適用

49

すると緩和され、自由エネルギー曲線の収束性が大きく改善した。これらの結果により、開発・実装した手法の有効性が示唆された[1]。

図 4-2-4-7. 超並列電子状態計算法とレプリカ交換法を組み合わせたシミュレーション手法の階層的並列実装

図 4-2-4-8. 超並列電子状態計算法に基づく分子動力学(MD)・メタダイナミクス(MTD)計算における水溶液中のジアラニン分子の構造サンプリングのレプリカ交換(RE)法の有無による比較。(a)平均二乗偏差に基づく非類似構造の探索数の経時変化、(b) MTD 計算から得られた
末端間距離に対する自由エネルギー曲線の時間発展

平成30年度までに開発したメモリ使用量削減アルゴリズムについて、並列計算の方法と効果（性能）で述べた巨大配列のサイズ縮小に加えて、メモリに確保するデータ構造の見直しと中間データの分散保存に関する高度化を行った。その結果、図4-2-4-9に示すように高度化前
より最大1.7倍の原子数を含む純水系の超並列電子状態計算が可能となった。1000万原子以上

50の系に対する大規模ベンチマーク計算は、「京」を利用してこそ出せた成果である。

図 4-2-4-9. 「京」において超並列電子状態計算に基づく MD 1 ステップの計算を実行可能な純水系に含まれる原子数のコア数依存性。in-core/direct はメモリ使用量削減
アルゴリズムの適用無/有を表す。数字は 128000 コアで計算が実行可能な最大サイズを示す。

アミン-CO2溶液系で起こる反応の熱力学量の多種のアミンに対する予測を可能とするため、
図4-2-4-10に示す熱力学量の自動計算手順を構築した。アミンの解離反応については約270種に対して計算を実行し、うち68種について酸解離定数(pKa)に変換した値を実験値と比較した。
その結果、平均絶対誤差0.37 pKa単位の精度で計算できることがわかった。また、典型的な5種のアミンについてカルバメート生成反応に関する熱力学量を見積もったところ、実験値との誤差は3.5 kJ/mol程度となった。

図 4-2-4-10. 化学反応シミュレーションに基づくアミン-CO2 溶液系反応に対する熱力学量自動計算フロー51

MOFを用いたCO2固定化反応の一つとして知られるスチレンオキシドの開環反応を経由したスチレンカーボネート生成反応の反応機構を化学反応シミュレーションにより解析した。スチレンオキシドの開環反応とその次に起こるCO2の挿入反応の反応エネルギー変化は先行研究の結果と定性的に一致した。反応サイクルの最終段階において、先行研究で示唆された直接五員環を形成する閉環反応よりも、七員環形成による中間体を経由した後五員環へと縮小する多段階反応の方が低い反応障壁となることを見出した。電荷解析により、発見した反応経路は求核性の高い部位が攻撃されて進行する妥当な経路であることが示唆された。
[研究成果の利活用について]
成果の利活用のため、以下のように連携している。
アプリケーションの公開
・平成30年度に公開を開始したDCDFTBMDプログラムのバイナリをメタダイナミクス等の機能を追加したversion 2.0に更新[今後について]
アプリ開発では、超並列電子状態計算とレプリカ交換法を組み合わせたシミュレーション手法の開発・実装を行った。また、メモリ使用量削減アルゴリズムの高度化により、高度化前
より大規模な計算が可能となった。アプリの機能面では、反応経路や遷移状態探索による化学反応解析への展開、性能面では単精度と倍精度のハイブリッド演算の適用による高効率化が見込まれる。
応用研究では、自動化スキームを用いた化学反応シミュレーションに基づく熱力学量算出
方法の開発と、MOFによるCO2固定化反応の反応機構解析を行った。前者については、自動計算
手順の最適化による精度改善に加え、網羅的探索の実現に向けてインフォマティクス手法の活用を検討する予定である。
[参考文献][1] Y. Nishimura, H. Nakai, submitted.
[実施計画の最終目標の達成状況]
CO2分離・回収では、化学吸収液中で進行する吸収・放散過程の反応性は水酸化物イオン・
反応分子の拡散という間接性・直接性の点で対照的な要因に支配されることを明らかにした。
また、吸収液での水酸化物イオン生成の熱力学的傾向を記述するpKaや素反応の反応速度を超並列電子状態計算に基づく化学反応シミュレーションから定量的に予測する技術を確立し、これらの知見に立脚して新奇吸収液の反応特性を評価するシミュレータの開発を行った。実際に、実験研究者・企業と連携して高機能化に資する吸収液の物性検証・化合物合成・プロセス設計・プラントでの性能評価を実現し、実用へ橋渡しするための基盤を構築できた。さらに、分離・回収候補となるMOFを用いたCO2固定化反応を化学反応シミュレーションによって調べ、カーボ
ネート生成反応において熱力学的に有利な反応機構を提案できた。

52

図 4-2-4-11. 化学反応シミュレーションによる CO2 吸収反応特性値の予測：(左)アミン化
合物に対する pKa 計算値と実験値の相関、（右）CO2 吸収シミュレーションにおける分子種の経時変化（実線）と速度論モデルによる推定（破線）の比較

53

ニ）メタンハイドレートの溶融や貯蔵に向けた新規技術の理論[実施者]奥村久士（分子研）[実施担当]伊藤暁（分子研）[実施概要]
超音波をかけることによるメタンハイドレードのメカニカルな溶融のシミュレーションを行うための分子動力学計算アプリにおいて、ノード内並列化効率を高めるため昨年度開発したノード内計算負荷分散改良アルゴリズムのメニーコアマシンでの実証計算を行った。従来アルゴリズム
ではプロセス当たりのコア数が大幅に増加すると負荷のばらつきが表れていたが、改良アルゴリズム
ではばらつきがほとんどなくなるとともに実行時間も短くなった。
[開発アプリケーションと計算モデル]
周期境界条件下でサインカーブ状に時間変化する圧力をかける分子シミュレーションでは約100原子からなる有機分子を対象とした。
[並列計算の方法と効果]
OpenMPの負荷分散における粒度を小さくするため、従来4重ループの第1ループのみ分散していた主要な演算部分について、第1及び第2ループを融合した上でこのループを分散するよう変更した。
解析ツールを用いて28コアの計算機で調べたところ、負荷分散のばらつきがほとんどなくなるとともに実行時間も短くなった。また、第1世代Xeon Phiマシン(60コア)での実行時間は、240スレッドで従来ア
ルゴリズムに比べて半減した。
[研究成果]「京」のハードウェア及び診断ツール(基本プロファイラ、詳細プロファイラ)を使い、サブ
ルーチン、ループごとの演算時間、OpenMP 並列の待ち時間を調べながら開発したノード内計算
負荷分散改良アルゴリズムの解析を行った。プロセス当たりのスレッド数が大幅に増えた際の並列化
効率低下の原因が演算負荷分散のばらつき及びその待ち時間であることを特定し、その解決方法として分散の粒度を小さくして全体の演算負荷のばらつきを極力小さくした。
第1世代Xeon Phiマシン(60コア)で実証計算を行ったところ、並列加速率は従来では60スレッドで頭打ちであったが、改良版では60スレッドを超えても向上し、240スレッドでは改良前に比べて実行時間は半減した。ポスト「京」を含めた今後のメニーコアマシンで高いノード内並列化効率を維持するプ
ログラムになった。

54

図 4-2-4-12. スレッド並列改良による負荷分散の変化(茶：演算、オレンジ：待ち)[研究成果の利活用について]
成果の利活用のため、以下のように連携している。
他プロジェクトへの展開
・重点課題 6(アプリケーション ABINIT-MP)へ複数の機能に関してソースコード提供[今後について]ノード内並列化効率を高めるため昨年度開発した、超音波をかけるメタンハイドレードの分子動力学シミュレーションアプリケーションのノード内計算負荷分散改良アルゴリズムについて、メ
ニーコアマシンでの解析を行った。ノード内負荷分散のばらつきがほとんどなくなり、実行時間も短縮
され、ポスト「京」のようなメニーコアマシンでも高い並列化効率となることを確認した。今後、ポスト「京」実機で性能確認を進める予定である。

55

４－２－５．基盤アプリ設計・開発[責任者]中嶋隆人（理研）[背景と目的]
ポスト｢京｣を有効に活用し、国家的に取り組むべき社会的・科学的課題の解決に資するアプ
リケーションを開発するため、本重点課題では4つの基盤アプリケーションを設定する。｢京｣で実効的な超並列計算の実績があり、本重点課題で共通に利用できる観点から、量子化学計算
プログラム（NTChem、GELLAN）、分子動力学計算プログラム（MODYLAS）、第一原理計算プログラム（stat-CPMD）の4つを基盤アプリケーションとし、ポスト｢京｣での超並列計算で実効性が上がるように設計開発を行う。
コデザインを推進する重点課題アプリ５ワーキンググループ(WG)での活動を通して得られる情報を参考にして基盤アプリのグランドデザインを進める。早期から理研あるいはハードウェア・ベンダーのコンサルティングを受け、更にベンダーによる最適化作業も活用しながら、
ポスト｢京｣を有効に活用できる基盤アプリを開発していく。
[成果の概要]重点課題アプリ５WGを継続開催することにより、ターゲットアプリに関するコデザインを推進した。ターゲットアプリであるNTChemを使った「京」のベースライン測定結果と演算・通信
アルゴリズム特性の評価に基づいて、ポスト｢京｣カーネル選定妥当性を検証した。また、ポスト｢京｣でのターゲット問題におけるカーネル性能評価妥当性も検証した。ポスト｢京｣ターゲッ
ト問題計算を実現するために、ホットスポットの高速化、メモリ分割版アルゴリズム、単精度-倍精度混合精度化に加えてファイル読み込み時間を削減し、ポスト｢京｣における当初計画の性能実現の見通しを得た。
また、基盤アプリ設計・開発WGを通して、外注を含む基盤アプリの高度化を推進した。その中で課題アプリDC-DFTB-Kについても高速化を実施した。
（１）NTChem 汎用第一原理電子状態計算ソフト[開発目標]｢京｣においては数百原子までの分子の励起状態の量子化学計算が実現されているが、有機系太陽電池におけるヘテロジャンクションを含めた現実系界面のシミュレーションには 10、000
原子規模の取扱いが不可欠である。メモリ分割を施した効率の良い並列アルゴリズムを開発・実装する。
計算規模：原子数 五千～１万[開発内容]
サブ課題Aにて記載したように以下の開発を行った。また、後述するコデザイン活動を推進した。基底・励起状態に関する密度汎関数法計算のためのメモリ分割版プログラムの開発と、

56

有機系太陽電池の機構解明のための手法開発を行った。
数千～1万原子から成る大規模な分子系の励起状態計算の実現に向けて、平成30年度までに開発した励起状態に関する密度汎関数法 (時間依存密度汎関数法) 計算のためのメモリ分割
版プログラムと太陽電池シミュレータを高度化した。さらに、有機系太陽電池のエネルギー変
換機構を解明するための動的モンテカルロ法や非断熱励起状態ダイナミクス法、およびそれらのためのプログラムの高度化作業を実施した。以下では、特に注力したメモリ分割並列化された時間依存密度汎関数理論計算プログラムの開発について述べる。
・メモリ分割並列化された時間依存密度汎関数理論計算プログラムの開発
時間依存密度汎関数理論 (TDDFT) は、その妥当なコストと比較的高い精度のために励起状態を計算するための一般的な方法論になりつつある。この方法では繰り返しアルゴリズムを使
えば基底状態の計算と同等のスケーリングで励起状態等の計算ができるが、分子サイズの増大に従って、これらの配列のメモリ使用量は基底関数の数の二乗で飛躍的に増加する。そのため、数万原子にも及ぶ大規模な分子系の励起状態を計算するためには、これらの配列のメモリ分割化が必要不可欠である。そこで、本研究では大規模分子の励起電子状態計算を超並列コンピュータで実行することを目的として、メモリ分割並列化された時間依存密度汎関数理論 (TDDFT)
計算プログラムの開発を行った。
本研究では原子軌道 (AO) 表現のTDDFT方程式を導出し、AO表現のX，Yに対してtrial vector
を張り、繰り返し法で解くプログラムの実装を行った。繰り返し法のアルゴリズムはKAIN [R.J
Harrison. J. Comput. Chem. 25, 328 (2004).] を使った。AO表現のそれぞれの行列はGauss
基底関数を使っていることにより大規模系においては疎なので、本研究では超並列疎行列ライ
ブラリNTPoly [W. Dawson and T. Nakajima, Comput. Phys. Comm. 225, 154 (2018).] を使うことにより、行列要素の分散を行いつつ疎行列の数々の演算を行った。開発したコードの性能を測るため、｢京｣運用停止後に太陽電池材料であるP3HTの計算を行った。計算は理研・HOKUSAIの超並列演算システム (BWMPC) 32ノードで行った。この計算では1ノードあたり1 MPI
プロセス、40スレッドのハイブリッド並列を用いた。系のサイズを大きくして計算時間と比較を行った結果、線形ではないが低いスケーリングを示した。その結果として、最大11,310原子からなる分子系に対するTDDFT計算をすることができた(図4-2-2-4)。
尚、ソフトの普及のため、NTChemワークショップの第10回(3/26、理研 計算科学研究センター)を計画したが、新型コロナウイルス感染拡大防止のため開催を延期した。
[参考文献][1] W. Dawson, 澤田啓介, 神谷宗明, 中嶋隆人, “スーパーコンピュータ「富岳」に向けた分子科学計算ソフトウェア「NTChem」の開発”, シミュレーション, 38, 87–93 (2019).
[2] 中嶋隆人, 松岡貴英, “シミュレーションとインフォマティクスによるペロブスカイト材

57

料の候補探索”, 光学, 48, 114–119 (2019).
[3] T. Yonehara, N. Minezawa, T. Nakajima, “Excited-State Dynamics in NTChem”, inMolecular Spectroscopy: A Quantum Chemistry Approach, edited by Y. Ozaki, M. J.
Wojcik, J. Popp (Willey), 43–78 (2019).
（２）GELLAN 階層的量子化学計算ソフト[開発目標]｢京｣では高精度F12理論の超並列実装が行われており、ナノ分子のポストハートリーフォッ
ク計算が実現化されている。高効率光エネルギー変換の解明には、これに加えて1020の完全CI次元を持つ擬縮重系や励起状態の分子構造と電子物性の計算手法を開発する。
[開発内容]
サブ課題Aにて記載したように以下の開発を行った。これらにより、人工光合成シミュレー
タを成す強相関ソルバは、PHF法、PostPHF法、MSQMC法のMPI/OpenMPハイブリッド並列化が進
み、FCCR法についても摂動補正法の開発が完了した。
１）ポストPHFの高速化
配置間相互作用と結合クラスター近似によるポストPHFは高精度であるが、一方で高コストでもある。そのうち最も計算コストの高いステップは、仮想軌道のみからなる分子積分(ab|cd) とCI係数t(cd,ij) の縮約であり、これは軌道数Nの6乗に比例する。本年度は、このような縮約を無視し、計算精度にある程度の妥協を許すことで計算コストをO(N5)に低減した
二次の摂動論SUPT2を導出した。配置間相互作用などでは並列計算でも計算時間がかかる大きな分子に対してもSUPT2は非常に高速に計算でき、なおかつ遷移金属錯体に対する精度も十分良好なものとなることがわかった。しかしながら一方で振幅や積分を保存するメモリはO(N4)のオーダーで増加し、これが「京」やポスト｢京｣で実行する上で大きなボトルネックになることがわかった。そこで電子ペアijに対して全ての4階のテンソルデータを分散する分散メモリ
型MPI実装を行った。SUPT2で現れる大規模な線形方程式はon-the-flyで部分空間の中で反復的に解かれるが、行列-ベクトル積で行われる全通信を最小限に抑えたアルゴリズムを提案した。
「京」と類似環境の名古屋大学FX100によるベンチマーク結果では、通信が律速になることがわかったが、十分な高速化が達成できた。
２）実空間局所模型の量子化学計算による解析手法
半導体を含むバルク系の電子状態計算では密度汎関数理論に基づく第一原理計算が有効であるが、局所密度近似でのバンドギャップの過小評価や混成汎関数の改良指針など電子相関効
果の取り扱いが現在でも課題となっている。このような固体に対する新しいアプローチとして、
バルク系の実空間局所模型をポストHF計算に基づく量子化学計算によって解析する数値計算手法を提案した。その方法では、バルク系のHF計算からBloch関数とその固有値を計算し、そこから最局在Wannier 関数（MLWF）を基底とする有効ハミルトニアン（Fock 行列と相互作用

58行列）を導出し、バルク系の実空間局所模型である強相関クラスターモデルを得る。更に、この強相関クラスターをポストHF計算であるEOM-MP2/CC によって解析することで電子相関効果の取り込まれた有効Fock 行列が得られ、これを元のFock 行列に再度埋め込むことで、電子相
関効果を考慮したエネルギーバンドが得られる。我々は、水素発生半導体光触媒であるSrTiO3に対しこの方法を適用し、HF 計算によるバンドギャップの過大評価が電子相関効果によって改善されることを示した。これによって、半導体光触媒の性能評価を含めたバルク系の高精度な電子状態計算を行う数値計算手法の確立が期待される。
[参考文献][1] S. Tanimoto, N. Yoshihda, S. L. Ten-no, and H. Nakano, J. Chem. Inf.
Model., 59 3770 (2019).
[2] B. Ladoczki and S. L. Ten-no, J. Chem. Phys., 151 114113 (2019).
[3] T. Tsuchimochi and S. L. Ten-no, J. Chem. Theor. Compu., 15 6688 (2019).
（３）MODYLAS 汎用分子動力学計算ソフト[開発目標]
原子数：1億～10億
計算時間：3～10 ms/step
高分子電解質膜に特徴的な大域的構造とそれに由来する膜強度やイオン伝導度、また電極・電解質膜界面等の解析が可能な1億～10億原子系に対する分子動力学計算を実現するMODYLASを開発する。
[開発内容]
サブ課題Bにて記載したようにMODYLASの高度化・開発を継続し、特に、FMM（fast multipole
method）および粒子対計算に関わる新規通信アルゴリズム（MTD法）をMODYLASに実装し、最適化した。また、「京」、FX100上でSIMD最適化を行い、また圧力テンソル評価用FMM計算、EVB法などソフト全体のチューニングを行った。これにより、ポスト｢京｣の10分の1の計算資源を用いて1億原子系のMD計算1ステップを3 msで終えるという当初目標達成の見通しを得た。
1) 計算性能の高速化
MODYLASの計算は大きく分けてFMM計算部の演算と通信、対相互作用計算部の演算と通信とからなる。この中で、昨年度までにFMM演算に対して基底関数のsolid harmonicsへの置換、漸化式、多極子の対称性の利用、極座標軸の回転による単純化など新規アルゴリズムの実装を行い、相互作用直接計算において演算時間を約40%削減し、FMM演算の演算量を約1/6にまで削減し、演算時間も1/4に削減することに成功してきた。今年度は、新規な通信アルゴリズムMTD法を開発し、これをMODYLASに実装し、チューニングした。一方で、SIMD最適化、圧力テンソル評価用
FMM計算などソフト全体の最適化を行った。これらにより、「京」コンピュータを用いたベンチ
マークにおいては現公開版MODYLASと比較して2.4倍の計算速度性能を実現した（図4-2-3-5）。

59

もしポスト｢京｣において「京」並みの最適化ができた場合、「京」と比較して100倍の計算性能が達成でき、ポスト｢京｣の10分の1の計算資源を用いて1億原子系のMD計算1ステップを3 msで終えることが可能となる。
2) プロトン移動の記述
また、hydroniumイオンによる単純な輸送に加えて、化学反応の組み換えによるプロトン移
動反応、さらにはGrotthuss機構をも含むプロトン輸送を記述できるEVBモデルをMODYLASに実装し、並列化を行った。自由エネルギー計算に関しても、MODYLASにおいて熱力学積分法を必要に応じた形式で汎用的に利用できるよう、相互作用関数中への摂動パラメータλの導入やFMM計算におけるbackground chargeの取り扱いの整備を行い、いずれもMODYLASに実装し、検証を行った。
3) 界面、不均一系の物質輸送の評価
不均一系においては分子の拡散係数は位置に依存する。この位置に依存した分子の拡散係数を効率的に評価する新規計算方法を開発した。これは、注目している分子を空間的にflatbottomed potentialを用いて空間的に拘束することにより、位置拘束をかけながらも動力学に影響を与えない方法に基づいて拡散係数を評価するものである。この位置に依存した拡散係数
つまり移動度と、位置に依存した自由エネルギーと合わせて動的モンテカルロ計算を行うこと
により、溶質の大域的な浸透係数を透過経路と共に評価することができる。本年度は、簡単な疎水性モデル界面における分子の拡散係数の位置依存性の議論を通してこの方法の検証を行った。これにより、燃料電池電極三相界面や電解質膜バルク中の酸素、水素、プロトンなど物
質輸送を分子構造と関連させながら定量的に議論することが可能となり、電極、アイオノマー
材料の開発、界面構造の最適化に大きく貢献できる。
[参考文献][1] K. Takeda, Y. Andoh, W. Shinoda, and S. Okazaki, “Molecular Behavior of Linear
Alkylbenzene Sulfonate in Hydrated Crystal, Tilted Gel, and Liquid Crystal Phases
Studied by Molecular Dynamics Simulation”, Langmuir 35, 10877-10884(2019).
[2] K. Fujimoto, R. S. Payal, T. Hattori, W. Shinoda, M. Nakagaki, S. Sakaki, and S.
Okazaki, “Development of dissociative force field for all-atomistic molecular
dynamics calculation of fracture of polymers”, J. Comp. Chem. 40, 2571-2576(2019).
[3] K. Fujimoto, Z. Tang, W. Shinoda, and S. Okazaki, “All-atom molecular dynamics
study of impact fracture of glassy polymers. I: Molecular mechanism of brittlenessof PMMA and ductility of PC”, Polymer, 178, 121570(2019).
（４）stat-CPMD 第一原理分子動力学ソフト[開発目標]
燃料電池・二次電池の現実的な電極—電解質界面の第一原理計算解析を行うには５千原子以60上の計算セルによる長時間分子動力学サンプリングが必要となる。負荷の高い電子状態計算カーネル部分のさらなるチューニングによって、実行効率の低下を最小限にしながらこの規模のセルサイズの第一原理分子動力学を可能とし、さらなるサンプリングの多重並列化を実装して１０万オーダーのノード数利用を実現する。
計算規模：原子数 五千規模
機能:・サンプリング並列化、マルチプル並列化
・QM/MMなどの連成シミュレーション向けたインターフェース開発
・反応自由エネルギー計算手法の高効率化
・電気化学反応・界面酸化還元反応の記述手法開発
・電子相関、長距離力の導入など電子状態計算の改良[開発内容]
サブ課題Bにて記載したように以下の開発を行った。基盤アプリstat-CPMDの開発に関しては、
ポスト「京」のアーキテクチャに対応する形でメモリ、I/O関連の課題解決に加えて、ロード
インバランスの調査を行い、高効率並列化計算を可能とする改良を行なった。
多重並列化による高効率化学反応自由エネルギー計算を目的とする基盤アプリstat-CPMDについては、いままでFFT等の電子状態計算カーネルの高速化が終了し、ひとまず目標値である
5000原子以上の系に対する第一原理サンプリング計算の実施に成功した。一方で、ポスト「京」コンピュータのアーキテクチャが徐々に明らかになり、大規模計算におけるメモリのボトルネック化が想定される事態となったことから、メモリ削減に関する調査および実装を行なった。
また、I/O負荷および親プロセスのメモリ負荷の軽減に向けた各MPIプロセスから／への直接
I/Oの実装も終了した。最終年度は、想定されるロードインバランスの調査と対策を行った。
プロファイルによる調査結果では、調査に供した入力データで大きなインバランスは発生しなかったが、今後の対策として、リスタート時の負荷バランス改善策を実装し、その動作を確認した。これにより大規模計算実行時の困難さが軽減できると考えられる。
さらにstat-CPMDの公開に向けては、リクエストに応じたパッチ配布のＷＥＢシステムを構築しているところである。
（５）コデザイン[目的]
ポスト｢京｣プロジェクトでは、アプリケーション開発者と計算機システム開発者の協調によりアプリケーションとシステムを協調設計していく。重点課題に関するアプリケーション開発
およびポスト｢京｣開発において、ポスト｢京｣開発主体と重点課題の実施機関との間で、ポスト｢京｣のシステムアーキテクチャ等とアプリケーションの設計開発に関し、相互に要求性能・機能や評価結果等についてのフィードバックを行いながら設計開発を同時に進める。重点課題５
では、コデザインの対象アプリ（ターゲットアプリ）としてNTChemを選出している。また、ターゲットアプリケーションに対するコデザインの成果およびチューニングのノウハウをマニ
ュアル化することで、他のアプリケーションの高度化へ繋げる。

61

[実施内容]重点課題アプリ5(コデザイン)WGを本年度は8回開催し、NTChemのボトルネックであるRIMP2計算における密行列演算の性能改善に注力した。本年度のコデザイン詳細設計では、以下を行った。
○ ポスト｢京｣性能推定⼿法および推定値の精査・「京」ベースライン測定結果および演算・通信アルゴリズム特性の評価に基づくカーネル選
定妥当性の精査
・ポスト｢京｣ターゲット問題におけるカーネル性能評価妥当性の精査○ NTChemの性能向上の取り組み
a. 並列数の限界の突破：メモリ分割、通信データ量削減(データ圧縮）
b. ﾎｯﾄｽﾎﾟｯﾄの高速化：行列積演算71.2%⇒ポスト｢京｣にﾁｭｰﾆﾝｸﾞされたDGEMMの活用
c. 一部に単精度計算導入：メモリ量、演算時間、通信時間削減
単精度でもエネルギー誤差は許容範囲に
d. メモリ量削減アルゴリズム開発：12.2GB →7.7 GBに削減（ポスト｢京｣CMG内）
e. ファイル読み込み時間削減
これらにより、「京」と比して40倍以上の性能向上が得られる見積もりとなり、ポスト｢京｣における当初計画の性能実現の見通しを得た。
○高度化技術の展開：チューニングのドキュメント化、シミュレータの活用へ
また、コデザイン活動の中で、ポスト｢京｣システムへの要求として、一番効率良く行列積計
算ができる自動行列サイズ選択機能（自動タイリング機能）をもったDGEMM及びSGEMM（倍精度及び単精度行列行列積ルーチン）と組込み関数の高速化を要請した。
⚫

重点課題5におけるターゲットアプリケーションとしてNTChem (MP2電子相関部) を選定
し、富士通・理研・実施機関のメンバーで重点課題アプリ5ワーキンググループを継続的に月1回で開催 (全61回)(図4-2-5-1)。

⚫

ポスト｢京｣でのターゲット問題 (540原子分子の電子相関計算) を設定し、その計算実現のために、ホットスポットの高速化、メモリ分割版アルゴリズム、単精度-倍精度混合精度化、I/O削減などを実施。

⚫

これにより、現状で「京」と比較して40倍以上の性能が期待できる。ポスト｢京｣における当初計画性能が実現できる見通し。

⚫

今後、コデザイン報告書 (チューニングガイド) などを通してポスト｢京｣でのアプリ開発に必要な情報が開示されていく予定。

62

図 4-2-5-1 コデザインと基盤アプリ開発

63

４－２－６．インフォマティクス活用 WG[責任者]館山佳尚（物材機構）[背景と目的]
本重点課題では、｢複雑で複合的な分子・物質過程に対する電子・分子レベルでの全系シミュレーション｣に基づきエネルギーの基盤技術を研究開発している。即ち、研究対象となる物
質は無限に存在する。限られた時間・計算機資源の中で、研究成果を最大化するためには、機械学習やデータサイエンスの活用はきわめて重要である。本重点課題ではポスト｢京｣に向けたシミュレータ開発に注力しているところではあるが、課題参加者においては、他プロジェクト等も含め機械学習やデータサイエンスの技術活用に関し、既に以下のような研究を推進している。
・スーパーコンピュータを利用したハイスループット・コンピューティングに基づいたマテリアルズ・インフォマティクスによる太陽電池と半導体光触媒の新材料設計（理研RCCS 中嶋）・機械学習による最適な太陽電池材料と半導体光触媒材料のシミュレーション設計に向けたデータベース作成（理研R-CCS 中嶋）
・ハイスループット第一原理MD計算による構造物性相関のデータベース化（物材機構 館山）
・電解液・界面被膜トラジェクトリのパーシステントダイアグラム解析（物材機構 館山）
・高分子破壊標準データベースプロトタイプの構築（名大 岡崎）・粒子間相互作用パラメータの最適化による、より正確な物性予測の可能性追求（岡山大田中）・機械学習と反応経路地図を活用した吸着・触媒活性の評価・解析（北大 武次）
・機械学習と反応経路地図を利用した化学反応MDトラジェクトリの自動分類（北大 武次）
・DFTB計算パラメータ開発で群知能の一つである粒子群最適化法を用いた最適解の探索（早大 中井）
これらの研究を活かし、機械学習やデータサイエンスの技術活用を検討する。物質予測に向けた研究にはスーパーコンピュータと人工知能を合わせた活動が重要であり、エネルギー変
換・エネルギー貯蔵・物質変換に向けた材料探索のためのインフォマティクス活用ワーキンググループ（責任者：館山佳尚・物材機構）を設置し、エネルギー材料課題への積極的活用の可能性を組織的に検討する。本ワーキンググループにて、特に先行的に実施しているスーパーコ
ンピュータと人工知能を組み合わせた研究研究から、本重点課題内で横断的に活用可能な事例を選定し、注力して研究を推進する。
[成果の概要]第５回公開シンポジウム等でのIA-WGセッション及び７月28日のWG等を通して、各研究課題
におけるインフォマティクス活用情報を交換し、ポスト「京」に向けたインフォマティクスへの取り組み方について議論した。

64

[活動実績]ア） 2018/8/20-22 若手研究会にて、インフォマティクスセッション開催
武次研・小林（触媒）、岡崎研・藤本（高分子）による自身の関連研究紹介。
AI, ML に関する技術情報交換、意見交換を行い、エネルギー課題に有意な方向性を検討した。
イ） 2019/12/11-12 公開シンポジウムにて、インフォマティクス活用 WG セッション開催
館山が IA-WG の趣旨紹介。
館山研・Jalem（二次電池）、中嶋メンバー（太陽電池）による自身の ML/AI 関連研究紹介。
ウ） 2019/07/28 2019 年度第１回 IA-WG 開催

図 4-2-6-1 インフォマティクス活用 WG

65

４－２－７．プロジェクトの企画・改善提案
プロジェクト推進上の課題、或いは課題になると思われる事項について、幅広く検討を行い、課題責任者と協議し、プロジェクトを遅滞なく推進するための企画や改善策を運営委員会
へ提案した。併せて、プロジェクト推進のために課題責任者の補佐を行った。
４－２－８．プロジェクトの総合的推進
本プロジェクト全体の連携を密としつつ円滑に運営していくため、以下のように運営委員会を開催し、参画各機関の連携・調整し、事業を推進した。
7/28 第 15 回運営委員会：重点課題本格実施フェーズの成果、物材機構の材料データプラ
ットフォームセンターとの連携、成果創出フェーズに向けた対応等について協議した。
3/10 第 16 回運営委員会：令和元年度成果報告書や重点課題本格実施フェーズの成果等について協議を行った。
第６回公開シンポジウムを開催し、成果の報告と共に諮問委員、オブザーバーからご講評を頂く予定だったが、新型コロナウイルス感染拡大を防止するためにシンポジウムの開催を中止した。
本プロジェクトで得られた成果については、広報や研究活動を通じて積極的に公表し、今後の展開に資した（成果報告作成、研究成果説明ビデオナレーション追加、11/01 第 6 回成果報
告会出展、11/9 理研計算科学研究センター一般公開出展、研究成果の重点課題 5 ホームペー
ジ掲載）。
ポスト｢京｣に向けて開発するシミュレータのコアとなる基盤アプリ（NTChem 、GELLAN、
MODYLAS、stat-CPMD）及び DC-DFTB-K については、研究者による機能の開発と並行して、ポス
ト｢京｣開発ベンダーとポスト｢京｣をターゲットとした高度化や性能向上のための調査を実施した（外注）。
民間研究者や実験研究者との連携を深め、研究開発の促進と成果の普及のため、連携推進ワ
ークショップを 12 回開催（第 14 回～第 25 回）し、共通の課題や連携について議論した。重
点課題 5 第 6 回公開シンポジウム（最終報告会）（3/10）で、招待講演 2 件、本プロジェクトの成果報告を口頭発表とポスター発表にて行い、参加した企業研究者への普及や情報交換を、
また諮問委員には最終成果に対しご講評をいただく予定であったが、新型コロナウイルス対策のため中止となった。また、第 8 回材料系ワークショップ〜「富岳」時代の材料系シミュレー
ションの最前線〜（10/18）、第 9 回材料系ワークショップ〜「富岳」で飛躍へ！計算データの価値〜（2/17-18）を高度情報科学技術研究機構と共催した。
ポスドク（研究員）については、第 2 回若手勉強会(若手研究者によるワークショップ)（8/2830）を開催し、若手実験研究者に招待講演をいただき者若手研究者間で共通の課題や計算科学
手法等について密な議論を行った。また、本課題で開発するアプリを利活用する人材の育成を66

狙って、量子化学(参加者 79 名、講師 9 名）、分子シミュレーション(参加者 123 名、講師 19名)のスクールなどを開催した。

計算資源を効率良く利活用するために計算資源のマネジメントを実施した。｢京｣の計算資源
は、サブ課題毎に利用量が割り当てられている。毎月サブ課題の計算資源の利用状況を確認し、利用が滞っているサブ課題には状況を確認し、計算資源の計画的利用や利用計画の見直しを促した。以上のような｢京｣の計算資源のマネジメントにより配分量の 98%を使い切り、配分計算
資源を有効に利用することができた。

67

４－３．活動（研究会等）[研究会等主催・共催・出展など]
日程

行事名

開催場所等

4/26

第14回連携推進ワークショップ

名古屋大学工学研究科1号館227会議室

5/20

重点課題5サブ課題会議

名古屋ABO HALL 403号室

5/23

第15回連携推進ワークショップ

ステーションコンファレンス万世橋 406

6/ 4

重点課題5サブ課題会議

名古屋ABO HALL 403号室

6/12

第16回連携推進ワークショップ

名古屋大学東京オフィス

6/17

第17回連携推進ワークショップ

名古屋大学東京オフィス

6/24

重点課題5サブ課題会議

AP品川 10F Fルーム

7/ 2

第18回連携推進ワークショップ

名古屋ABO HALL 403号室

7/13

第19回連携推進ワークショップ

TKP東京駅セントラルカンファレンスセン
ター ミーティングルーム10E

7/28

2019年度第1回インフォマティクス活AP品川 9F Jルーム

用ワーキンググループ
7/28

第15回運営委員会

AP品川 9F Jルーム

8/26

第20回連携推進ワークショップ

ステーションコンファレンス万世橋 406

8/26

第21回連携推進ワークショップ

東京大学工学部8号館502会議室

8/28-

第2回若手勉強会(若手研究者によるワ

入鹿の里 MUSICA

ークショップ)

参加者20名ポスト「京」重点課題５ オータムカレ

岡崎コンファレンスセンター

5

ッジ –分子シミュレーション-

参加者123名、講師19名、合計142名

9/ 5

第22回連携推進ワークショップ

TKP東京駅八重洲カンファレンスセンター

30
9/ 2-

ミーティングルーム7E
9/ 6

計算物質科学協議会設立に向けた打合名古屋大学東京オフィス会議室

せ
9/ 9-

第23回分子シミュレーション学会 夏

奥州秋保温泉 蘭亭

11

季研究会（協賛）

参加者30名、講師3名、合計33名

9/21

第23回連携推進ワークショップ

TKP東京駅八重洲カンファレンスセンター
ミーティングルーム9E
参加者19名10/18

第8回材料系ワークショップ(共催)

秋葉原UDX 4階 NEXT-1
参加者88名（内企業72名）

10/26

第24回連携推進ワークショップ

名古屋大学東京オフィス

11/ 1

第6回HPCIシステム利用研究課題 成果

THE GRAND HALL (品川)

報告会（出展）
11/ 2

第25回連携推進ワークショップ

名古屋大学東京オフィス

6811/ 9

理研計算科学研究センター一般公開

理化学研究所計算科学研究センター(出展)
12/1618
2/17-

ポスト「京」重点課題５ ウインタース

岡崎コンファレンスセンター

クール –量子化学-

参加者79名、講師9名、合計88名

第9回材料系ワークショップ(共催)

秋葉原コンベンションホール

18

17日：参加者184名（内企業79名）
18日：参加者155名（内企業81名）

3/10

第16回運営委員会

TV会議

3/10

第6回公開シンポジウム【中止】岡崎コンファレンスセンター 2F 小会議室

3/26

第10回NTChemワークショップ（共催）

理研計算科学研究センター

【延期】

69

４－４．実施体制
業 務 項 目実

施 場 所

①サブ課題Ａ 新エネ イ）国立大学法人神戸大学担

当 責 任 者

大学院科学技術イノベーション研

ルギー源の創出・究科 教授 天能 精一郎

確保 — 太陽光エネ ロ）国立研究開発法人理化学研究所

計算科学研究センター チームリ

ルギーーダー 中嶋 隆人
ハ）国立大学法人京都大学

学際融合教育研究センター

触媒・電池元素戦略ユニット
特任教授 山下 晃一②サブ課題Ｂ エネル イ）国立大学法人東京大学
ギーの変換・貯蔵— 電気エネルギー

物性研究所
准教授 杉野 修ロ）国立研究開発法人物質・材料研究機構 エネルギー・環境材料研究拠点
グループリーダー 館山 佳尚ハ）国立大学法人名古屋大学

大学院情報学研究科
教授 長岡 正隆

ニ）国立大学法人名古屋大学

大学院工学研究科
教授 岡崎 進③サブ課題Ｃ エネル イ）国立大学法人岡山大学
ギー・資源の有効利用 — 化学エネル
ギー

異分野基礎科学研究所
教授 田中 秀樹ロ）国立大学法人北海道大学

大学院理学研究院
教授 武次 徹也ハ）学校法人早稲田大学

先進理工学部
教授 中井浩巳

ニ）大学共同利用機関法人自然科学研究機 理論・計算分子科学領域④基盤アプリ設計・

構 分子科学研究所

准教授 奥村 久士

国立研究開発法人理化学研究所

計算科学研究センター

開発⑤プロジェクトの企

チームリーダー 中嶋 隆人
国立大学法人名古屋大学

画・改善提案大学院工学研究科
教授 岡崎 進国立大学法人神戸大学

大学院科学技術イノベーション研
究科 教授 天能 精一郎⑥プロジェクトの総合的推進

大学共同利用機関法人自然科学研究機構

分子科学研究所

分子科学研究所

教授 岡崎 進

70

別添 1

令和元年度
「エネルギーの高効率な創出、変換・貯蔵、利用の新規基盤技術の開発」
成果報告書 別添 1

Note

目次
（１） 会議開催報告 ........................................................................................................... 1
K01 第 15 回運営委員会.................................................................................................... 1
K02 第 16 回運営委員会.................................................................................................... 3
K03 第 14 回連携推進ワークショップ –FOCUS との連携................................................ 5
K04 重点課題５サブ課題会議 .......................................................................................... 5
K05 第 15 回連携推進ワークショップ -電池 ................................................................. 5
K06 重点課題５サブ課題会議 .......................................................................................... 6
K07 第 16 回連携推進ワークショップ –サブ課題Ｂ、インフォマティクス活用 WG ...... 6
K08 第 17 回連携推進ワークショップ –電池 ................................................................. 6
K09 重点課題５サブ課題会議 .......................................................................................... 7
K10 第 18 回連携推進ワークショップ –サブ課題Ｃ ...................................................... 7
K11 第 19 回連携推進ワークショップ –電池 ................................................................. 7
K12 2019 年度第 1 回インフォマティクス活用ワーキンググループ ............................... 8
K13 第 20 回連携推進ワークショップ -電池 ................................................................. 8
K14 第 21 回連携推進ワークショップ –燃料電池.......................................................... 9
K15 第 2 回若手勉強会(若手研究者によるワークショップ) ......................................... 10
K16 ポスト「京」重点課題５ オータムカレッジ –分子シミュレーション-................ 12K17 第 22 回連携推進ワークショップ –サブ課題Ｃ .................................................... 14K18 計算物質科学協議会設立に向けた打合せ ............................................................... 14K19 第 23 回分子シミュレーション学会 夏季研究会（協賛）.................................... 14K20 第 23 回連携推進ワークショップ –サブ課題Ｃ .................................................... 15K21 第 8 回材料系ワークショップ（共催）................................................................... 17K22 第 24 回連携推進ワークショップ –サブ課題Ｂ .................................................... 19K23 第 25 回連携推進ワークショップ –サブ課題Ｂ .................................................... 19
K24 ポスト「京」重点課題５ ウインタースクール –量子化学- .................................. 20K25 第 9 回材料系ワークショップ（共催）................................................................... 21
K26 第 6 回公開シンポジウム(新型コロナウイルス対策のため中止) .......................... 23K27 第 10 回 NTChem ワークショップ（共催）(新型コロナウイルス対策のため延期) 23（２） 会議参加報告 ......................................................................................................... 24
S01 HPCI コンソーシアム令和元年度通常総会 .............................................................. 24
S02 重点・萌芽的課題向け説明会 ................................................................................. 24
S03 第 6 回計算物質科学連絡会議 ................................................................................. 25
S04 第 6 回「京」を中核とする HPCI システム利用研究課題 成果報告会 ................... 25
S05 2019 年度 理研計算科学研究センター一般公開(出展) ........................................ 28
S06 第 7 回計算物質科学連絡会議 ................................................................................. 28
S07 今後の HPCI システムの構築とその利用に関する意見交換会 ................................ 28i（３） コデザイン検討会議報告 ....................................................................................... 29
C01 第 54 回重点課題アプリ 5 ワーキンググループ ...................................................... 29
C02 第 55 回重点課題アプリ 5 ワーキンググループ ...................................................... 29
C03 第 56 回重点課題アプリ 5 ワーキンググループ ...................................................... 29
C04 第 57 回重点課題アプリ 5 ワーキンググループ ...................................................... 30
C05 第 60 回重点課題アプリ 5 ワーキンググループ ...................................................... 30（４）学会等発表実績 ....................................................................................................... 31
１．学会等における口頭・ポスター発表 .......................................................................... 31（a）口頭発表 .................................................................................................................... 31（b）ポスター発表 ............................................................................................................ 42（c）招待講演 .................................................................................................................... 64２．学会誌・雑誌等における論文掲載 ............................................................................. 77
３．プレス発表 .................................................................................................................. 86（５）特許出願状況........................................................................................................... 87ii

（１）会議開催報告
会議開催報告 K01
会議名称「エネルギーの高効率な創出、変換・貯蔵、利用の新規基盤技術の開発」
第 15 回運営委員会

日時2019 年 7 月 28 日(日) 16:00 ～ 18:10

場所

ＡＰ品川 ９階 Ｊルーム

参加者

岡崎、天能、中嶋、杉野、館山、長岡、田中、武次、中井、奥村、CSE 事務局

重点課題５「エネルギーの高効率な創出、変換・貯蔵、利用の新規基盤技術の開発」
第１５回運営委員会議事概要
日時：２０１９年７月２８日（日）１６：００～１８：１０
場所：ＡＰ品川 ９階 Ｊルーム
参加：岡崎、天能、中嶋、杉野、館山、長岡、田中、武次、中井、奥村、CSE 事務局
議題

司会 天能

Ⅰ．確認事項
前回(12/10)議事録案、議事概要案

天能

資料１、資料２○特に異議無く承認した。
Ⅱ．報告事項1. 文科省 坂下室長訪問(5/15)、重点課題後継施策に関する説明会(5/30)について
岡崎

資料３○文科省の重点課題継続施策に関する説明会の報告があった。
Ⅲ．審議事項(1) 成果創出フェーズに向けて

岡崎○重点課題５の成果の取りまとめについて審議が行われ、サブ課題毎に成果等を取りまとめることが承認された。
(2) 物材機構の材料データプラットフォームセンターについて 加藤 資料４○材料データプラットフォームセンターの紹介があり、連携検討を進めることが承認された。
Ⅳ．その他○基盤アプリ設計開発 WG から、今年度の活動状況について報告があった。
○インフォマティクス活用 WG から、活動報告と今後の活動予定の報告があった。
○広報 WG から、第 6 回公開シンポジウムのプログラム案と会場案の説明があった。
○資料 7 にもとづいて、NDA の今後の取扱いとゴードンベル賞向け｢富岳｣の資源利用計画について報告があった。
別添 1-1

Ⅴ．報告資料(1) 文科省 HPCI 計画推進委員会(第 39 回、5/24)

資料５(2) 文科省 HPCI 計画推進委員会(第 40 回、7/3)

資料６(3) 理研 今後の NDA の取扱について(7/25)

資料７(4) HPCI コンソーシアム通常総会(5/21)

資料８(5) HPCI コンソーシアム「HPCI システムの今後の運営の在り方に関する調査検討ワーキ
ンググループ」(7/8)

資料９(6) 文科省 将来の HPCI の在り方に関する検討ワーキンググループ(6/6)

資料１０(7) 第 2 回若手勉強会(8/28-30)について

資料１１(8) WG の活動について(ア)基盤アプリ設計開発 WG

資料１２(イ)インフォマティクス活用 WG

資料１３(ウ)広報 WG

資料１４(9) ｢京｣の計算資源使用実績

資料１５(10)論文の謝辞への重点課題５掲載依頼

資料１６

Ⅵ. 今後の予定
8 月 28 日(水)～30 日(金) 第 2 回若手勉強会@入鹿の里 MUSICA
9 月 2 日(月)～5 日(木) オータムカレッジ 分子シミュレーション@岡崎コンファレン
スセンター
9 月 9 日(月)～11 日(水) 分子シミュレーション学会 夏季研究会@奥州秋保温泉 蘭亭
10 月 18 日(金) 第 8 回材料系ワークショップ
12 月 16 日(月)～18 日(水) ウィンタースクール量子化学@岡崎コンファレンスセンター
3 月 9 日(月)～10 日(火) 第 6 回公開シンポジウム@東京国際フォーラム ホール D5
以

別添 1-2

上会議開催報告 K02
会議名称「エネルギーの高効率な創出、変換・貯蔵、利用の新規基盤技術の開発」
第 16 回運営委員会

日時2020 年 3 月 10 日(火) 11:00 ～ 11:45

場所

ＴＶ会議、分子研２００会議室

参加者

岡崎、天能、山下、CSE 事務局（分子研２００会議室）
中嶋、山下、杉野、館山、長岡、田中、武次、中井、奥村（ＴＶ会議）

重点課題５「エネルギーの高効率な創出、変換・貯蔵、利用の新規基盤技術の開発」
第１６回運営委員会議事概要
日時：２０２０年３月１０日（火）１１：００～１１：４５
場所：ＴＶ会議、分子研２００会議室
参加：岡崎、天能、中嶋、山下、杉野、館山、長岡、田中、武次、中井、奥村、事務局
議題

司会 天能

Ⅰ．確認事項
前回(7/28)議事録案、議事概要案

天能

資料１、

加藤

資料３

資料２
○特に異議無く承認した。
Ⅱ．審議事項(3) 令和元年度成果報告案について○令和元年度成果報告では、インフォマティクス活用 WG の活動報告と実施計画の最終目標の達成状況を追加記載することが承認された。
(4) 重点課題 5 開発アプリケーション紹介パンフレット案について

石谷○重点課題５で開発したアプリケーションを紹介するパンフレット案について事務局から説明があり、案通り承認された。
Ⅲ．報告事項(11)第 2 回若手勉強会(8/28-30)について

加藤

資料４

○招待講演の若手実験研究者を含め 20 名が参加し活発な討議が行われたと報告があった。
(12)文科省 HPCI 計画推進委員会(第 42 回、2/28)

加藤

資料５

○新型コロナウイルス対策のため傍聴中止となったが、傍聴資料について報告があった。
(13)HPCI 第二階層の計算資源使用実績

加藤

資料６

○計算資源利用状況について報告があり、引き続き計画的に利用するように説明があった。
(14)論文の謝辞への重点課題５掲載依頼
別添 1-3加藤

資料７

Ⅳ．その他○岡崎委員長より、「全サブ課題で大きな成果を出していただき、感謝している。この成果が今後の研究に活かされ、コミュニティで活用されることを心より願っている。」と挨拶があった。
Ⅴ．今後の予定
3 月 30 日(月) 令和元年度成果報告書、重点課題 5 開発アプリ紹介パンフレット発送
4 月 10 日(金) 令和元年度委託業務完了届提出期限
5 月 11 日(月) 令和元年度業務参加者・協力者リスト更新版の分子研産学連携係へ提出
締切
5 月 29 日(金) 令和元年度｢京｣利用の成果公開方法の登録締切（予定）
5 月 29 日(金) 令和元年度成果報告書提出期限
Ⅵ．参考資料
参考資料１ HPCI 計画推進委員会資料(第 42 回)
以 上

別添 1-4

会議開催報告 K03
会議名称「エネルギーの高効率な創出、変換・貯蔵、利用の新規基盤技術の開発」
第 14 回連携推進ワークショップ –FOCUS との連携

日時2019 年 4 月 26 日(金) 14:00 ～ 15:00

場所

名大工学研究科 1 号館 227 会議室

参加者

FOCUS：FOCUS 普及促進グループ長 中谷
コベルコ科研 技術本部 計算科学センター技監 井上
重点課題５：CSE 事務局 石谷

議事１．FOCUS の状況について
２．事例集への投稿について
３．その他

会議開催報告 K04
会議名称

重点課題５サブ課題会議

日時2019 年 5 月 20 日(月) 15:00 ～ 17:00

場所

名古屋 ABO HALL 403 号室

参加者

岡崎、天能、山下、中嶋、館山、CSE 事務局

議事

１．研究進捗状況について
２．研究成果の取りまとめについて
３．その他

会議開催報告 K05
会議名称「エネルギーの高効率な創出、変換・貯蔵、利用の新規基盤技術の開発」
第 15 回連携推進ワークショップ -電池

日時2019 年 5 月 23 日(木) 11:00 ～ 17:00

場所

ステーションコンファレンス万世橋 406

参加者

杉野、館山、長岡、岡崎、森川、濱田、大谷、赤木、笠松、春山、CSE 事
務局

議事

１．HPCI 計算機資源の調整について
２．研究進捗状況について
３．その他

別添 1-5

会議開催報告 K06
会議名称

重点課題５サブ課題会議

日時2019 年 6 月 4 日(火) 16:00 ～ 18:00

場所

名古屋 ABO HALL 403 号室

参加者

岡崎、天能、山下、中嶋、館山、CSE 事務局

議事

１．研究進捗状況について
２．研究成果報告について
３．その他

会議開催報告 K07
会議名称「エネルギーの高効率な創出、変換・貯蔵、利用の新規基盤技術の開発」
第 16 回連携推進ワークショップ –サブ課題Ｂ、インフォマティクス活用
WG

日時

2019 年 6 月 12 日(水) 12:30 ～ 15:00

場所

名古屋大学東京オフィス応接室

参加者

杉野、館山、岡崎議事１．研究進捗状況について
２．インフォマティクス活用 WG の検討状況について
３．その他

会議開催報告 K08
会議名称「エネルギーの高効率な創出、変換・貯蔵、利用の新規基盤技術の開発」
第 17 回連携推進ワークショップ –電池

日時2019 年 6 月 17 日(月) 18:00 ～ 20:00

場所

名古屋大学東京オフィス会議室

参加者

杉野、長岡、館山、岡崎

議事

１．研究進捗状況について
２．推進方針や課題について意見交換
３．その他
別添 1-6

会議開催報告 K09
会議名称

重点課題５サブ課題会議

日時2019 年 6 月 24 日(月) 13:00 ～ 15:00

場所

ＡＰ品川 １０階 Ｆルーム

参加者

岡崎、天能、山下、中嶋、館山、CSE 事務局

議事

１．研究進捗状況について
２．運営委員会開催について
３．その他

会議開催報告 K10
会議名称「エネルギーの高効率な創出、変換・貯蔵、利用の新規基盤技術の開発」
第 18 回連携推進ワークショップ –サブ課題Ｃ

日時2019 年 7 月 2 日(火) 17:00 ～ 19:00

場所

名古屋 ABO HALL 403 号室

参加者

田中、武次、中井、岡崎議事

１．研究進捗状況について
２．研究成果報告について
３．その他

会議開催報告 K11
会議名称「エネルギーの高効率な創出、変換・貯蔵、利用の新規基盤技術の開発」
第 19 回連携推進ワークショップ –電池

日時2019 年 7 月 13 日(土) 11:00 ～ 14:00

場所

TKP 東京駅セントラルカンファレンスセンター ミーティングルーム 10E

参加者

杉野、館山、長岡、岡崎

議事

１．研究進捗状況について
２．研究成果報告について
３．その他

別添 1-7

会議開催報告 K12
会議名称「エネルギーの高効率な創出、変換・貯蔵、利用の新規基盤技術の開発」
2019 年度第 1 回インフォマティクス活用ワーキンググループ

日時2019 年 7 月 28 日(日) 15:00 ～ 16:00

場所

ＡＰ品川 ９階 Ｊルーム

参加者

館山、中嶋、武次、中井、岡崎、CSE 事務局

議事１．第 15 回運営員会報告事項について
２．今後の活動予定について
３．その他

会議開催報告 K13
会議名称「エネルギーの高効率な創出、変換・貯蔵、利用の新規基盤技術の開発」
第 20 回連携推進ワークショップ -電池

日時2019 年 8 月 26 日(月) 10:00 ～ 16:30

場所

ステーションコンファレンス万世橋 404A

参加者

杉野、館山、長岡、岡崎、濱田、赤木、笠松、春山、藤本、永井、山本、
X. Gao、L. Yan、D. Azhikodan、高橋、CSE 事務局

議事

１．研究進捗状況について
２．各種連携について
３．今後の予定について
４．その他

別添 1-8

会議開催報告 K14
会議名称「エネルギーの高効率な創出、変換・貯蔵、利用の新規基盤技術の開発」
第 21 回連携推進ワークショップ –燃料電池

日時2019 年 8 月 26 日(月) 17:00 ～ 18:30

場所

東京大学工学部 8 号館 5 階 502 会議室

参加者

重点課題６：吉村、鹿園、望月、後藤、船井
重点課題５：岡崎、杉野、館山、中井、CSE 事務局

議事

１．研究状況の説明
２．共通の課題について意見交換
３．各種連携について意見交換
４．今後の予定について
５．その他

別添 1-9

会議開催報告 K15
会議名称「エネルギーの高効率な創出、変換・貯蔵、利用の新規基盤技術の開発」
第 2 回若手勉強会(若手研究者によるワークショップ)

日時2019 年 8 月 28 日(水) ～ 30 日(金)場所

入鹿の里 MUSICA

参加者

20 名

プログラム *敬称略
第１日目（８/２８）セッション１ 座長：笠松 秀輔(山形大学)
15:00 - 16:00

受付

16:00 - 16:30

挨拶・説明等

16:30 - 17:00

研究発表「Quantum chemistry approach to periodic[サブ課題 A]solid systems:a Wannierized on-site

西口 和孝

cluster method」(神戸大学)
17:00 - 17:30

研究発表「Reactive orbital energy theory and its[サブ課題 A]

recent progress」

常田 貴夫(神戸大学)
18:00 - 19:00

夕食

19:30 - 23:00

情報交換会／懇親会

第２日目（８/２９）セッション２ 座長：西村 好史(早稲田大学)
10:30 - 11:00

研究発表[サブ課題 A]「Virtual Screening of Non-Fullerene

川嶋 英佑

Acceptors for Organic Photovoltaics by(理化学研究所)

Density Functional Theory and Dynamic Monte
Carlo Method」

11:00 - 11:30

研究発表[サブ課題 A]「DFT study of perovskite oxide and金子 正徳(京都大学)

oxynitride materials for photocatalysis」

12:00 - 13:00

昼休み

13:00 - 14:30

自由討議

別添 1-10セッション３ 座長：藤本 和士(名古屋大学)
14:30 - 15:30

15:30 - 16:00

招待講演｢Recent improvement of N-doped graphene

武安 光太郎catalysts for oxygen reduction reaction by(筑波大学)hydrophobization｣

研究発表[サブ課題 B]「Exploring Free Energy Surface: Free

北村 勇吉

Energy Optimization and Vibrational(名古屋大学)

Frequency Analysis in Solution」

16:00 - 16:30

休憩

16:30 - 17:00

研究発表[サブ課題 B]「3D-RISM-SCF Study on Solvatochromism and田中 佑一

Solvation Structures of Brooker's(名古屋大学)

Merocyanine」

17:30 - 18:30

夕食

19:30 - 23:00

情報交換会／懇親会

第３日目（８/３０）
セッション４ 座長：矢ヶ崎 琢磨(岡山大学)
10:00 - 10:30

研究発表[サブ課題 B]｢Toward understanding of substance永井 哲郎

transportation in polymer membrane｣(名古屋大学)
10:30 - 11:00

自由討議

11:00 - 11:30

まとめ

別添 1-11

会議開催報告 K16
会議名称

ポスト「京」重点課題５ オータムカレッジ –分子シミュレーション-

日時2019 年 9 月 2 日(月) ～ 5 日(木)場所

岡崎コンファレンスセンター

参加者

123 名 講師 19 名 合計 142 名

プログラム

*敬称略

第 1 日目：2019 年 9 月 2 日（月）12:30-13:15

受付

13:15-13:30

開会式

13:30-15:00

松本充弘 (京都大学) 「シミュレーションの全体像・概論」

15:10-16:40

吉井範行（名古屋大学）「力学、解析力学、数値解法、拘束動力学」

17:00-18:30

奥村久士（生命創成探究センター）「各種統計アンサンブルの生成法」

第 2 日目：2019 年 9 月 3 日（火）9:00-10:30

甲賀研一郎（岡山大学）「統計力学」

10:40-12:10

三上益弘 (慶應義塾大学)「原子間・分子間相互作用エネルギー関数と長距離力計算法」

12:10-13:30

昼

食13:30-14:30

森田明弘 (東北大学)「分子シミュレーションと理論化学」

14:40-15:40

長岡正隆 (名古屋大学)「化学反応と分子シミュレーション」

16:00-17:30

松林伸幸 (大阪大学)「自由エネルギー計算」

17:40-18:00

樋渡保秋 (金沢大学）「コンピュータ・レジェンド」

18:15-19:45

懇親会

第 3 日目：2019 年 9 月 4 日（水）9:00-10:00

岡崎圭一（分子科学研究所）「反応速度論とマルコフモデル」

10:10-11:10

篠田 渉 (名古屋大学)「階層的分子モデリング-粗視化の方法について-」

11:20-12:20

高田彰二（京都大学）「機械学習と分子シミュレーション」

12:20-13:40

昼

13:40-14:40

杉井泰介（株式会社日立製作所）「分子シミュレーションの活用～企業に食おける取り組み方と事例～」
14:50-15:50

藤崎弘士 (日本医科大学）「生体分子の構造変化経路サンプリング」

16:10-17:10

志賀基之（日本原子力研究開発機構）「自由エネルギー計算手法・アラカ
ルト」

別添 1-12

17:20-18:20

芝 隼人（東北大学）「ガラス動力学のシミュレーション ー 基本手法と最近の発展」

第 4 日目：2019 年 9 月 5 日（木）9:00-10:00

安藤嘉倫（名古屋大学）「分子シミュレーションの高速・並列化 ー最近の進展ー 」

10:10-11:10

三浦伸一（金沢大学）「経路積分分子動力学法」

11:20-12:20

畝山多加志 (名古屋大学）「高分子の粗視化分子シミュレーション」

12:20-12:35

閉会式・修了書授与

別添 1-13

会議開催報告 K17
会議名称「エネルギーの高効率な創出、変換・貯蔵、利用の新規基盤技術の開発」
第 22 回連携推進ワークショップ –サブ課題Ｃ

日時2019 年 9 月 5 日(木) 13:00 ～ 17:00

場所

TKP 東京駅八重洲カンファレンスセンター ミーティングルーム 7E

参加者

田中、武次、中井、松本、小林、清野

議事

１．研究進捗状況について
２．各種連携について
３．今後の予定について
４．その他

会議参加報告 K18
会議名称

計算物質科学協議会設立に向けた打合せ

日時2019 年 9 月 6 日(金) 17:00 ～ 21:00

場所

名古屋大学東京オフィス会議室

参加者

重点課題 5：岡崎、天能議事

東大物性研、分子研 RCCS、東北大金研、計算物質科学の重点課題 5、重点
課題 7、萌芽的課題、PCoMS、Mi2i 連携のための協議会設立について

会議開催報告 K19
会議名称

第 23 回分子シミュレーション学会 夏季研究会（協賛）主催

分子シミュレーション研究会

日時2019 年 9 月 9 日(月) ～ 11 日(水)場所

奥州秋保温泉 蘭亭

参加者

30 名 講師 3 名 合計 33 名

別添 1-14

会議開催報告 K20
会議名称「エネルギーの高効率な創出、変換・貯蔵、利用の新規基盤技術の開発」
第 23 回連携推進ワークショップ –サブ課題Ｃ エネルギー・資源の有効利用 －化学エネルギー

日時2019 年 9 月 21 日(土) 13:00 ～ 17:30

場所

TKP 東京駅八重洲カンファレンスセンター カンファレンスルーム 9E

参加者

19 名

プログラム *敬称略
セッション１ 座長：(岡山大異分野基礎科学研) 田中 秀樹
13:00 - 13:10(早大先進理工学部)

趣旨説明

中井 浩巳
13:10 - 13:30(早大先進理工学部)

成果発表（CO2 の分離・回収）

中井 浩巳
13:30 - 13:50(北大院理学研究院)

成果発表（触媒）

武次 徹也
13:50 - 14:10(岡山大異分野基礎科学研)

成果発表（ハイドレート）

松本 正和
14:10 - 14:30

休憩

セッション２ 座長：(北大院理学研究院) 武次 徹也
14:30 - 14:50

14:50 - 15:10

15:10 - 15:30

15:30 - 15:50(北大院理学研究院)「反応経路自動探索 GRRM プログラム

前田 理の開発：大規模計算への取り組み」(北大触媒科学研)「二酸化炭素の有効利用に向けた理長谷川 淳也

論と実験のインタープレイ」(早大先進理工学部)「二酸化炭素回収・利用技術の現状

関根 泰

と今後」

休憩

セッション３ 座長：(早大先進理工学部) 中井 浩巳
15:50 - 16:10

16:10 - 16:30(早大創造理工学部)「CCUS の技術動向と計算化学への期

中垣 隆雄

待」

(福井大学術研究院工学系部門)「分子シミュレーションによる高効

玉井 良則

率 CO2 分離膜の探索」
別添 1-15

16:30 - 16:50

16:50 - 17:10(阪大院基礎工学研究科)「CO2 分離に向けた高分子材料の全

松林 伸幸

原子 MD 解析」

(分子研／名大院工学研究科)

まとめ

岡崎 進

別添 1-16

会議開催報告 K21
会議名称

第 8 回材料系ワークショップ 〜「富岳」時代の材料系シミュレーションの最前線〜（共催）

主催

一般財団法人 高度情報科学技術研究機構

日時2019 年 10 月 18 日(金) 10:00 ～ 17:30

場所

秋葉原 UDX ４階 NEXT-1

参加者

88 名 内企業 72 名

プログラム *敬称略
司会：白鳥 和矢(三菱ケミカル株式会社, 産応協)
10:00-10:05

開会挨拶
塩原 紀行（高度情報科学技術研究機構）

10:05-10:20「京」から「富岳」への移行期における RIST の利用支援－材料系アプ
リケーションの利用環境整備の状況
草間 義紀（高度情報科学技術研究機構）

10:20-10:40

材料系アプリケーションの利用について
吉澤 香奈子（高度情報科学技術研究機構）

10:40-11:15

粗視化モデルにおける粘着剥離シミュレーションの研究
岩方 裕一（リンテック株式会社）

11:15-11:50

高分子材料の全原子分子動力学計算
藤本 和士（名古屋大学）

11:50-12:50＜ランチタイム＞

12:50-13:25

第一原理ダイナミクスによる材料の物性・反応解析
重田 育照（筑波大学）

13:25-14:00

機械学習を活用したゴム材料開発
小石 正隆（横浜ゴム株式会社）

14:00-14:20

スーパーコンピュータ「富岳」の開発
清水 俊幸（富士通株式会社）

別添 1-17

14:20-14:35＜休憩＞

14:35-15:10

材料計算における量子コンピュータと HPC の展望について
湊 雄一郎（MDR 株式会社）

15:10-15:45

分子動力学計算データを用いた機械学習
泰岡 顕治（慶應義塾大学）

15:45-15:50＜休憩＞「将来の材料系シミュレーションを支えるスーパーコンピュータ」

15:50-17:15

パネルディスカッション
モデレータ：古宇田 光（東京大学物性研究所）
パネリスト：泰岡 顕治（慶應義塾大学） / 湊 雄一郎（MDR 株式会社）/ 清水 俊幸（富士通株式会社） / 奥田 基（高度情報科学技術研究機
構）

17:15-17:30

HPCI・アプリケーション利用相談、情報交換（希望者のみ）

別添 1-18

会議開催報告 K22
会議名称「エネルギーの高効率な創出、変換・貯蔵、利用の新規基盤技術の開発」
第 24 回連携推進ワークショップ –サブ課題Ｂ

日時

2019 年 10 月 26 日(土) 10:00 ～ 13:00

場所

名古屋大学東京オフィス

参加者

杉野、館山、岡崎、CSE 事務局

議事

１．研究進捗状況について
２．成果報告について
３．今後の予定について
４．その他

会議開催報告 K23
会議名称「エネルギーの高効率な創出、変換・貯蔵、利用の新規基盤技術の開発」
第 25 回連携推進ワークショップ –サブ課題Ｂ

日時

2019 年 11 月 2 日(土) 10:00 ～ 14:00

場所

名古屋大学東京オフィス

参加者

杉野、館山、岡崎議事１．成果報告について
２．今後の予定について
３．その他

別添 1-19

会議開催報告 K24
会議名称

ポスト「京」重点課題５ ウインタースクール –量子化学-

日時

2019 年 12 月 16 日(月) ～ 18 日(水)場所

岡崎コンファレンスセンター

参加者

79 名 講師 9 名 合計 88 名

プログラム *敬称略
12 月 16 日（月）司会：藤田貴敏（分子研）
13:25 - 13:40

開会式：岩田末廣校長

13:40 - 15:10

小林正人（北海道大学）「Hartree-Fock(-Roothaan)法: 理論概要から詳
細、数値結果まで」

15:20 - 16:50

中谷直輝（首都大学東京）「電子相関と post-HF 法」

17:00 - 18:30

神谷宗明（岐阜大学）「密度汎関数理論の基礎」

12 月 17 日（火）司会：川嶋英佑（R-CCS）
9:00 - 10:30

福田良一（京都大学）「電子励起状態の計算化学」

10:40 - 12:10

岸亮平（大阪大学）「量子化学に基づく分子物性の予測と解釈」

12:10 - 13:30

昼食
司会：吉川武司（早稲田大学）

13:30 - 15:00

原渕祐（北海道大学）「量子化学計算を用いた反応経路解析」

15:10 - 16:40

和佐田祐子（名古屋工業大学）「Gaussian による SCF および構造最適化計
算の実際」

16:50 - 17:50

受講者の研究発表（poster）受講者の研究発表（poster）ポスター発表

18:00 - 19:30

懇親会

12 月 18 日（水）司会：五十幡康弘（早稲田大学)
9:00 - 10:30

清野淳司（早稲田大学）「相対論的量子化学における理論・計算手法の基
礎」

10:40 - 12:10

白井聡一（豊田中央研究所）「企業の材料研究における量子化学の役割」

12:15 - 12:30

修了証授与、閉会式：岩田末廣 校長

別添 1-20

会議開催報告 K25
会議名称

第 9 回材料系ワークショップ 〜「富岳」で飛躍へ！計算データの価値〜
（共催）

主催

一般財団法人 高度情報科学技術研究機構

日時2020 年 2 月 17 日(月) 10:00 ～ 18:00、18 日(火) 10:00 ～ 17:00

場所

秋葉原コンベンションホール

参加者

17 日：184 名 内企業 79 名
18 日：155 名 内企業 81 名

プログラム *敬称略
2/17(月)司会：吉澤 香奈子(高度情報科学技術研究機構)
10:00-10:05

開会挨拶
草間 義紀(高度情報科学技術研究機構)

10:05-10:40

萌芽的課題「基礎科学の挑戦－複合・マルチスケール問題を通した極限の探求」
久保 百司(東北大学)

10:40-11:00

高精度第一原理計算手法の開発 − 量子コンピュータ・新物質構造探索・レーザー加工への展開
松下 雄一郎(東京工業大学)

11:00-11:35

重点課題(6)における材料・分子系のシミュレーション事例、ならびにデータ科学との連携事例
望月 祐志(立教大学)

11:35-12:50＜ランチタイム＞

12:50-14:20

ポスター発表(ポスト「京」重点課題(7)・萌芽的課題(1)で創出された
成果紹介)

14:20-14:55

重点課題(5)「エネルギーの高効率な創出、変換・貯蔵、利用の新規基盤技術の開発」
岡崎 進(名古屋大学)

14:55-15:30

重点課題(7)「次世代の産業を支える新機能デバイス、高性能材料の開発」
別添 1-21

常行 真司(東京大学)
15:30-15:50＜休憩＞

15:50-16:10

HPCI 利用環境と利用支援：HPCI における産業利用推進の取り組み
塩原 紀行(高度情報科学技術研究機構)

16:10-16:45

鉄鋼材料の高強度化に向けた基礎研究と産学連携
澤田 英明(日本製鉄株式会社)

16:45-16:50＜休憩＞「計算物質科学におけるエコシステムの構築は可能か」
16:50-18:00

パネルディスカッション
モデレータ：古宇田 光(東京大学物性研究所)
パネリスト：江原 正博(分子科学研究所) / 久保 百司(東北大学) / 森
川 良忠(大阪大学)/ 尾崎 泰助(東京大学物性研究所) / 茂本 勇(東レ株式会社, 産応協) / 奥田 基(高度情報科学技術研究機構)

18:00-20:00

意見交換会(希望者のみ：参加費 2,000 円)
HPCI・アプリケーション利用相談、情報交換(希望者のみ)

2/18(火)
司会：杉山 肇(三菱ケミカル株式会社, 産応協)
10:00-10:50

データを中心とした研究開発の課題と将来への期待
庄司 哲也(トヨタ自動車株式会社)

10:50-11:40

固体と液体の界面における電気化学反応シミュレーションに関するチュートリアル
大谷 実(産業技術総合研究所)

11:40-13:00＜ランチタイム＞

13:00-13:35

地震現象に類似した固体塑性挙動に対する原子スケール解析
新山 友暁(金沢大学)

13:35-14:10

ボルツマン機械で迫る高温超伝導の発現メカニズム
山地 洋平(東京大学)

別添 1-22

14:10-14:45

パナソニックにおける材料開発のデジタライゼーションについて
藤井 幹也(パナソニック株式会社)

14:45-15:20

JSR におけるマテリアルズ・インフォマティクスと量子コンピューティ
ングの取組
大西 裕也(JSR 株式会社)

15:20-15:40＜休憩＞「技術と人でつなぐ産学コミュニティの形成」
15:40-17:00

パネルディスカッション
モデレータ：寺田 弥生(東北大学)
パネリスト：新山 友暁(金沢大学) / 山地 洋平(東京大学) / 大西 裕也(JSR 株式会社) / 藤井 幹也(パナソニック株式会社) / 吉澤 香奈子(高度情報科学技術研究機構)

17:00-17:30

HPCI・アプリケーション利用相談、情報交換(希望者のみ)

会議開催報告 K26
会議名称「エネルギーの高効率な創出、変換・貯蔵、利用の新規基盤技術の開発」
第 6 回公開シンポジウム【新型コロナウイルス対策のため中止】

日時2020 年 3 月 10 日(火) 13:00 ～ 18:00

場所

岡崎コンファレンスセンター

会議開催報告 K27
会議名称

第 10 回 NTChem ワークショップ（共催）【新型コロナウイルス対策のため延期】

日時2020 年 3 月 26 日(木) 13:00 ～ 18:10

場所

理研計算科学研究センター

別添 1-23

（２）会議参加報告
会議参加報告 S01
会議名称

HPCI コンソーシアム令和元年度通常総会

日時2019 年 5 月 21 日(火) 15:00 ～ 17:00

場所

東京大学理学部４号館３階 １３２０号室

参加者

加藤

議事

１． 平成 30 年度事業報告
２． 平成 30 年度会計報告および監査報告
３． 令和元年度事業計画
４． 平成 31 年度（令和元年度）予算計画
５．ポスト「京」による成果創出に向けた提言について
６．HPCI システムの運用方針に関する提言について
７．報告 会員の入退会について
８．その他

会議参加報告 S02
会議名称

重点・萌芽的課題向け説明会

日時2019 年 7 月 25 日(木) 11:00 ～ 12:00

場所

理化学研究所 計算科学研究センター

参加者

加藤

議事

１. 今後の NDA 等の取扱について
２. その他

別添 1-24

会議参加報告 S03
会議名称

第 6 回計算物質科学連絡会議

日時2019 年 7 月 31 日(木) 18:00 ～ 20:00

場所

東北大学東京分室 会議室

参加者

岡崎、天能

議事

計算物質科学の重点課題 5、重点課題 7、萌芽的課題、PCoMS、Mi2i 間の連携のための情報交換

会議参加報告 S04
会議名称

第 6 回「京」を中核とする HPCI システム利用研究課題 成果報告会～スーパーコンピュータ「富岳」の胎動、計算科学、AI の融合に向けて～（ポスター出展）日時

2019 年 11 月 1 日(金) 10:00 ～ 17:40

場所

THE GRAND HALL (品川)

参加者

加藤

プログラム *敬称略
10:00 - 10:20
開会挨拶：関 昌弘 (一般財団法人高度情報科学技術研究機構 理事長)
開会挨拶：加藤 千幸 (一般社団法人 HPCI コンソーシアム 理事長)
開会挨拶：松岡 聡 (国立研究開発法人理化学研究所 計算科学研究センター長)
来賓挨拶：文部科学省
10:20 - 10:40
基調講演：石川 裕(理化学研究所 計算科学研究センター プロジェクトリーダー)「富岳スーパーコンピュータの開発状況」
10:40 - 11:00
基調講演：三好 建正 (理化学研究所 計算科学研究センター チームリーダー)「気象予報におけるビッグデータ同化と AI の協働に向けて」
11:00 - 11:20
基調講演：小石 正隆 (横浜ゴム株式会社 理事)「富岳への期待 :「機械学習」と「計算科学」で切り拓く革新的な材料開発と製品開発」

別添 1-25

11:20 - 12:20
パネルディスカッション：「データサイエンスと HPC の協働を考える」
モデレーター：朴 泰祐 (筑波大学 教授)
パネリスト：三好 建正 (理化学研究所 計算科学研究ｾﾝﾀｰ ﾁｰﾑﾘｰﾀﾞｰ)
佐藤 賢斗 (理化学研究所 計算科学研究ｾﾝﾀｰ ﾁｰﾑﾘｰﾀﾞｰ)
奥野 恭史 (京都大学 教授)
小石 正隆 (横浜ゴム株式会社 理事)
三宅 隆(産業技術総合研究所 研究ﾁｰﾑ長)

高橋 恒一 (理化学研究所 生命機能科学研究ｾﾝﾀｰ ﾁｰﾑﾘｰﾀﾞｰ)
12:20 - 13:20< 昼食 >

13:20 - 14:50
Session1：ポスターセッション
Session2：優秀成果賞受賞課題による成果発表
座長：安池 智一 (放送大学)
14:50 - 15:05
ボルツマン輻射流体コードを用いた回転大質量星の重力崩壊計算 (hp180111)
原田 了 (東京大学 宇宙線研究所)
15:05 - 15:20
先 進 ガ ス タ ー ビ ン 用 遷 音 速 軸 流 圧 縮 機 の 衝 撃 波 を 伴 う 乱 流 場 の LES 解 析(hp180081)
古川 雅人 (九州大学 大学院工学研究院 機械工学部門)
15:20 - 15:35
自転車競技における走行中の最適位置取りのための空力解析 (hp180146)
青木 尊之 (東京工業大学 学術国際情報センター)
15:35 - 15:50
合金凝固時の等軸晶の高精度予測シミュレーション法の確立 (hp180152)
高木 知弘 (京都工芸繊維大学 機械工学系)
15:50 - 16:10< 休憩 >

Session3：優秀成果賞受賞課題による成果発表
座長：押山 淳 (名古屋大学)
16:10 - 16:25
ヘム輸送体によるヘム鉄取り込みの全容解明 (hp180009)
田村 康一 (理化学研究所 計算科学研究センター 粒子系生物物理研究チーム)

別添 1-26

16:25 - 16:40
創薬応用を目指した XFEL テンプレートマッチング法によるクロマチン構造多形解析に関する研究 (hp180123)
徳久 淳師 (理化学研究所 RCH/MIH/R-CCS)
16:40 - 16:55
第一原理量子モンテカルロシミュレーションによるグラフェンの圧力誘起半金属-絶縁体転移 (hp170308)
柚木 清司 (理化学研究所 計算科学研究センター 量子系物質科学研究チーム)
16:55 - 17:10
有機ソフトクリスタルの弾性・光応答機構の解明 (hp180078)
河東田 道夫 (高度情報科学技術研究機構 計算科学技術部)
17:10 - 17:35
表彰、講評：小柳 義夫 (成果報告会プログラム委員会 委員長)
17:35 - 17:40
閉会挨拶：高津 英幸 (一般財団法人高度情報科学技術研究機構 常務理事・神戸センター長)

別添 1-27

会議参加報告 S05
会議名称2019 年度 理研計算科学研究センター一般公開(出展)主催

理化学研究所 計算科学研究センター

日時2019 年 11 月 9 日(土) 10:00 ～ 16:30

場所

理化学研究所 計算科学研究センター

会議参加報告 S06
会議名称

第 7 回計算物質科学連絡会議

日時2020 年 1 月 14 日(火) 18:00 ～ 20:00

場所

ステーションコンファレンス東京 5F 502

参加者

岡崎、天能

議事

計算物質科学の重点課題 5、重点課題 7、萌芽的課題、PCoMS、Mi2i 間の連携のための情報交換

会議参加報告 S07
会議名称

今後の HPCI システムの構築とその利用に関する意見交換会

日時2020 年 1 月 27 日(月) 15:00 ～ 17:00

場所

TKP 東京駅セントラルカンファレンスセンター 11 階 ホール 11A

参加者

加藤

プログラム

１. 趣旨説明
２. 「富岳」開発状況
３. 「今後の HPCI システムの構築とその利用に関する基本的な考え方について」 報告書(案)の紹介
４. 会場から意見交換
５. 閉会挨拶

別添 1-28

（３）コデザイン検討会議報告
コデザイン検討会議報告 C01
会議名称

第 54 回重点課題アプリ 5 ワーキンググループ

日時2019 年 4 月 26 日(金) 14:00 ～ 16:00

場所

理研 計算科学研究センター

参加者

土持

議事

１. 重点課題 5 開発アプリの性能評価について
２. その他

コデザイン検討会議報告 C02
会議名称

第 55 回重点課題アプリ 5 ワーキンググループ

日時2019 年 5 月 21 日(火) 13:00 ～ 15:00

場所

理研 計算科学研究センター

参加者

土持

議事

１. 重点課題 5 開発アプリの性能評価について
２. その他

コデザイン検討会議報告 C03
会議名称

第 56 回重点課題アプリ 5 ワーキンググループ

日時2019 年 7 月 9 日(火) 10:00 ～ 12:00

場所

理研 計算科学研究センター

参加者

土持

議事

１. 重点課題 5 開発アプリの性能評価について
２. その他

別添 1-29

コデザイン検討会議報告 C04
会議名称

第 57 回重点課題アプリ 5 ワーキンググループ

日時2019 年 8 月 2 日(金) 13:00 ～ 15:00

場所

理研 計算科学研究センター

参加者

土持

議事

１. 重点課題 5 開発アプリの性能評価について
２. その他

コデザイン検討会議報告 C05
会議名称

第 60 回重点課題アプリ 5 ワーキンググループ

日時2020 年 1 月 24 日(金) 13:00 ～ 15:00

場所

理研 計算科学研究センター

参加者

土持

議事

１. 重点課題 5 開発アプリの性能評価について
２. その他

別添 1-30

様式 21（４）学会等発表実績
委託業務題目「エネルギーの高効率な創出、変換・貯蔵、利用の新規基盤技術の開発」
機関名 大学共同利用機関法人 自然科学研究機構

分子科学研究所

１．学会等における口頭・ポスター発表（a）口頭発表
発表した成果（発表題目）

発表者氏名

発表した場所（学会

発表し

国

等名）

た時期

内
・
外
の
別

拡 張 Koopmans 定理を用いた強相

土持崇嗣、天能第 22 回理論化学討2019 年

国

関系におけるイオン化ポテンシャ

精一郎

論会

5月

内

西口和孝

ポスト「京」重点課

2019 年国

systems:a

題 5 第 2 回若手勉強8月

内cluster会(若手研究者によポスト「京」重点課

2019 年

国

題 5 第 2 回若手勉強

8月

内2019 年

国

9月

外

ルの計算
Quantum chemistry approach toperiodic
Wannierizedsolid
on-sitemethodるワークショッ
プ )( 入 鹿 の 里MUSICA)

Reactive orbital energy theory

常田貴夫

and its recent progress会(若手研究者によるワークショッ
プ )( 入 鹿 の 里MUSICA)
Second-order perturbation theory

土持崇嗣

with spin-projected Hartree-Fock

The

Ninth

Conference of the
Asia-Pacific
Association

ofTheoreticalandComputational
Chemists2019)
別添 1-31(APATCC

Virtual

Screening

ポスト「京」重点課

2019 年

国for

題 5 第 2 回若手勉強8月

内Organic Photovoltaics by Density会(若手研究者によFunctional Theory and Dynamic

るワークショッ

Monte Carlo Method

プ )( 入 鹿 の 里
慶應義塾大学理工学

2019 年

国

部化学科化学特別講

4月

内2019 年

国7月

外

ポスト「京」重点課

2019 年

国

題 5 第 2 回若手勉強8月

内

Non-FullereneofAcceptors

川嶋英佑

MUSICA)
化学反応ダイナミクスとエネルギ

山下晃一

ー変換の分子論義
Entropy

Promotes

Chargein

Bulk

Separation
Heterojunction

Organic

Photovoltaics

EisukeThe

Kawashima,

International

MikiyaConference

Fujii,

29thon

KoichiPhotochemistry

Yamashita"Device-Inspired
Photochemistry andPhotophysics"

DFT study of perovskite oxide andoxynitride

materials

金子正徳

for

photocatalysis

会(若手研究者によるワークショッ
プ )( 入 鹿 の 里MUSICA)

ペロブスカイト型酸窒化物におけ金子正徳、山下日本コンピュータ化2019 年国るアニオン配置の回帰および予測

晃一

学会 2019 秋季年会

10 月

内

Eisuke29th International

2019 年国

Kawashima,

Photovoltaic

11 月

外

MikiyaScienceモデル
Entropy

Promotes

Chargein

Bulk

Separation
Heterojunction
Photovoltaics

Organic

Fujii,

KoichiEngineering

Yamashita

Conference（PVSEC-29）

別添 1-32

andElectronic Structures of Doped

Koichi

3rd

International

BaTaO2N: A DFT StudyYamashita,

Solar

Hiroki

Conference (ISF-3)

Iriguchi,International

Masanori

Conference

KanekoArtificial

Fuels

2019 年

国11 月

内2019 年

国

onPhotosynthesis-201
9 (ICARP2019)
NO + CO Reaction on Rh Surface:

AtsushiSpring2019

ACS

DFT Investigation Combined with

Ishikawa,

National Meeting

4月

外Microkinetic Analysis

Yoshitaka
22nd International

2019 年

国

6月

外2019 年

国7月

外11th International

2019 年国High-Throughput DFT Calculations

Conference on the

7月

外and Bayesian Optimization for

Science

Discovery

andTechnology

Tateyama
DFT

computational

study

on

Randy

Jalem,

stability and ion diffusion in

YoshitakaConference on Solid

Na3SbS4

Tateyama

State

solid

electrolyteforall-solid-state batteries

Ionics(SSI-22)

Combined

Methods

fromHigh-Throughput

Density

Randy Jalem

CECAM

Workshop:

Accelerating

Functional Theory and Materials

material discovery

Informatics to Efficiently Find

by

Novel

high-throughput

SolidElectrolyte

Candidates for All-Solid-State

smart

computations

Battery Application
ExploringMaterial Spaces UsingofRandy Jalem

All-Solid-State

Battery Materials

Advanced

for

Ceramics(STAC-11)
Structure Search and Property

Bo Gao, Randy

11th International

2019 年

国

Analysis of Interfaces between

Jalem, Yanming

Conference on the

7月

外Cathode and Solid Electrolyte in

Ma,

Science

All-Solid-State

Tateyama

Battery

via

Yoshitaka

DFT-CALYPSO Method

andTechnology
Advanced(STAC-11)

別添 1-33

for

Ceramics

Theoretical Study on Termination

Yoshitaka

ISE

Dependent Redox Reactivity of

Tateyama,

Meeting

Boron-Doped

Shota

Diamond/

Water

Interface

70th

Annual2019 年

国

8月

外2019 年

国

8月

外2019 年

国

8月

外Iizuka,KeisukeNatsui,
Yasuaki Einaga

Density functional theory-based

Atsushi

8th

Asia

Pacific

microkineticofIshikawa,

Congressonoxidative coupling of methane

Yoshitaka

Catalysis

catalyzed

Tateyama(APCAT-8)

Density Functional Theory-Based

AtsushiEuropaCat201

MicrokineticofIshikawa,

Oxidative Coupling of Methane

Yoshitaka

Catalyzed

Tateyama

analysis
by

pure

and

lithium-doped magnesium oxide
Analysis
by

Pure

and

Lithium-Doped Magnesium Oxide
LiNi0.5Mn1.5O4 正極／電解液界面に

館山佳尚、後瀉

第 13 回分子科学討2019 年

国

おける電解液分子の吸着状態及び啓介、奥野幸洋

論会

9月

内

Randy

第 60 回電池討論会

2019 年

国

11 月

外2019 年

国

11 月

外2019 年

国11 月

外酸化分解機構に関する第一原理計
算研究
DFT-based

study

on

the

Jalem,

electrode-contact stability andYoshitaka

ion transport of Na3SbS4 solid

Tateyama

electrolyte for all-solid-statebatteries
Insights

on

the

Randy

Jalem,

10th

Asian

electrode-contact stability andYoshitakaConferenceion

Tateyama

Electrochemical

conduction

Na3SbS4

solidmechanism

inelectrolyte

byonPower Sources 2019

DFT-based calculations(ACEPS10)

Structure Search and Property

Bo Gao, Randy

10thAnalysis of Interfaces between

Jalem, Yanming

Conference

Cathode and Solid Electrolyte in

Ma,Electrochemical

All-Solid-State

Tateyama

Battery

via

Yoshitaka

DFT-CALYPSO MethodonPower Sources 2019
(ACEPS10)

別添 1-34

AsianComputational screening of novel

Randysolid electrolyte candidates for
all-solid-state

Materials Research2019 年

国

Yoshitaka

Meeting

12 月

外Tateyama,(MRM2019)

ポスト「京」重点課

2019 年

国

題 5 第 2 回若手勉強

8月

内

ポスト「京」重点課

2019 年国

ロシアニンのソルバトクロミズム

題 5 第 2 回若手勉強

8月

内と溶媒和構造に関する研究会(若手研究者によhigh-throughput

battery
DFT

and

by
data

science techniques

Jalem,

2019

IchiroTakeuchi,Masanobu
Nakayama,

自由エネルギー面探索：溶液中の自北村勇吉

由エネルギー最適化と振動数解析会(若手研究者によるワークショッ
プ )( 入 鹿 の 里MUSICA)
3D-RISM-SCF 法によるブルッカーメ

田中佑一

るワークショッ
プ )( 入 鹿 の 里MUSICA)
分子凝集状態の複合反応系に対す

長岡 正隆，鈴木

第 13 回分子科学討2019 年国

る Red Moon 方法論にもとづく計算

雄一，竹中 規論 会 名 古 屋 2019

9月

内

化学

雄，高柳 昌芳（名古屋大学）Salt

A. Bouibes,

第 60 回電池討論会

2019 年国

Concentration Effect on SEI Film

N. Takenaka,（国立京都国際会

11 月

内Formation

S. Saha,館）
2019 年

国

5月

外Theoretical

Study
in

of

Non-Flammable

Electrolyte.

M. Nagaoka

Performance evaluation of the

S. Ohshima,

The

MODYLAS application on modern

S. Suzuki,

International

multi-core

T.

Parallelandmany-coreenvironments

Sakashita,

33rd

M. Ogino,

Distributed

T. Katagiri,

Processing

Y. AndohSymposium

IEEE
and

Workshops
非晶高分子の衝撃破壊に関する分

藤本和士、湯之第 68 回高分子学会

2019 年

国子論的研究 I：延性と脆性

也、篠田渉、岡

年次大会

5月

内

崎進

別添 1-35

非晶高分子の衝撃破壊に関する分

湯之也、藤本和第 68 回高分子学会

2019 年

国子論的研究 II：分子論的解釈

士、篠田渉、岡

年次大会

5月

内

崎進
全原子分子動力学計算による純ブ

パヤル ラジデ

第 68 回高分子学会

2019 年

国

タジエンゴム破壊の分子機構の研ィープ 、藤本和

年次大会

5月

内

究

士、ジャン チャンウーン、篠田渉、武井祐樹、
島広志、角田克彦、岡崎進○

ガラス状高分子の衝撃破壊に関す

藤本和士、湯之第 22 回理論化学討2019 年

国

る分子論的研究也、篠田渉、岡論会

5月

内第 22 回理論化学討2019 年

国

5月

内2019 年

国8月

外

ポスト「京」重点課

2019 年

国

題 5 第 2 回若手勉強

8月

内Molecular
ImpactAll-atom

Dynamics
Fracture

Study
of

of

崎進

GlassyPolymers
高速多重極展開法における圧力テ

吉井範行、安藤ンソル計算のベクトル表示による

嘉倫、坂下達哉、 論会

高速化

岡崎進

Acceleration of pressure tensor
calculation of fast multipole
methodbyavector-representation
Novelmethodtoposition-dependent

evaluate

T. Nagai,thediffusion

S.

International

Tsurumaki,

36thconstant of small molecules in

R. Urano,

Conferenceonheterogeneous systems

K. Fujimoto,

Solution Chemistry

W. Shinoda,(ICSC2019)

S. Okazaki
Towardunderstandingofsubstancetransportation

in

永井哲郎

polymer membrane会(若手研究者によるワークショッ
プ )( 入 鹿 の 里MUSICA)

別添 1-36

Molecular

dynamics

thermodynamic
polymerstudy

stabilityofof

T. Taddese, M.

Joint

a

Kitabata,

solution;non-solvent

inducedphase

separationS.

EMLG/JMLG

2019 年

国

conference 20199月

外Okazakiof

PVDF/NMP/water
非対称な脂質組成を持った脂質二

安藤嘉倫、早川

第 13 回分子科学討2019 年

国

重層膜内での脂質分子側方凝集に志保、岡崎進論会

9月

内

静電相互作用計算に高速多重極展

吉井範行、 安藤第 13 回分子科学討2019 年

国

開法を用いたときの嘉倫、 坂下達論会

9月

内

圧力テンソル計算の高速化

哉、 岡崎進関

するMolecular

理論

的dynamics

研

究

simulation

study on lateral clustering oflipid molecules in lipid bilayers
withanisotropic

lipid

composition

Acceleration of Pressure Tensor
Calculation in Fast Multipole
Method分子動力学シミュレーションによ北畑雅弘、セデ

第 68 回高分子討論2019 年国る

ン タデセ、岡崎会

9月

内

第 68 回高分子討論2019 年

国9月

内poly(vinylidene

fluoride)(PVDF) 表面における良溶媒および

進

良/貧混合溶媒による濡れ性の分子論的研究
非晶高分子の衝撃破壊に関する分

湯 之也、藤本子論的研究:ミクロの視点における

和士、篠田 渉、 会

降伏現象の解明岡崎 進

非晶高分子の衝撃破壊に関する分

藤本 和士、湯第 68 回高分子討論2019 年

国子論的研究之也、岡崎 進会

9月

内

細胞膜内でのコレステロール分子

安藤嘉倫、 早川

第 42 回溶液化学シ

2019 年

国側方凝集に関する理論的研究

志保、 岡崎進

ンポジウム

10 月

内

Theoretical

study

aggregationofmolecules

inonlateralcholesterolcellplasmamembranes

別添 1-37

高分子溶液における非溶媒誘起相

セデン タデセ、 第 42 回溶液化学シ

2019 年

国

分離過程の自由エネルギー解析―

北畑雅弘、 岡崎10 月

内

全 原 子 分 子 動 力 学 計 算進2019 年

国

11 月

外

Free

energyNon-solvent

analysis
Induced

ンポジウム

of
Phase

Separation in Polymer Solution All-atom

Molecular

Dynamics

Calculation
Molecular

dynamics

thermodynamic

study

stabilityofof

T. Taddese,TheaM. Kitabata,International

S. Okazaki

Conference

polymer solution;
non-solvent

inducedphase

MolecularStudy

ImpactofSimulation

Dynamics

FractureofGlassy Polymers

K. Fujimoto,Materials Research2019 年国

Z. Tang,

Meeting 2019

12 月

外

K. Fujimoto,第 29 回日本 MRS 年次

2019 年国

Z. Tang,

大会, 万国橋会議セ

11 月

外

S. Okazaki

ンター2019 年

国12 月

内2019 年

国12 月

内2019 年

国12 月

内

S. Okazaki

All-atomMolecularStudy

Impactofon

Molecular

separation of PVDF/NMP/water
All-atom

5th

Dynamics

FractureofGlassy Polymers

次期スパコン「富岳」での大規模・ 安藤嘉倫、 坂下

第 33 回分子シミュ

長時間分子動力学計算実現のため

達哉、 張家超、 レーション討論会,のソフトウェア MODYLAS の性能向朱喆、 浦野諒、 名古屋市公会堂

上藤本和士、 吉井範行、 岡崎進

不均一系での物質輸送を評価の際永井哲郎、弦巻

第 33 回分子シミュに利用する位置に依存した拡散係

周平、 浦野諒、 レーション討論会,

数の新規評価方法

藤本和士、 篠田名古屋市公会堂

渉、 岡崎進
分子動力学計算による界面活性剤

武田康助、 安藤

含水ラメラの構造決定および分子

嘉倫、 篠田渉、 レーション討論会,

挙動に関する研究岡崎進

名古屋市公会堂

Poly(vinylidene uoride) (PVDF)

北 畑 雅 弘 、

第 33 回分子シミュ2019 年国

表面における良溶媒および良/貧混

Tsedenレーション討論会,

12 月

内

合溶媒による濡れ性の分子論的研

Taddese、岡崎進

名古屋市公会堂

究別添 1-38

第 33 回分子シミュ

CO2 ハイドレートの基礎科学とその松本 正和

産業的可能性

文部科学省 ポスト2019 年

国「京」重点課題５ 連

9月

内携推進ワークショッ
プ サブ課題Ｃ エネ
ルギー・資源の有効利用－化学エネルギー（東京）
水溶液の液-液相転移矢ケ崎琢磨, 松

第 33 回分子シミュ2019 年

国

本正和, 田中秀

レーション討論会

12 月

内

樹
非調和下方歪みに基づくポテンシ

海老澤 修一,第 22 回理論化学討2019 年国ャルエネルギー超曲面の代数幾 何

堤 拓朗, 武次論会（札幌）

5月

内

的解析

徹也

OMS-2 担 持 Au 触媒におけるピペ

宮崎 玲, 金 雄

第 22 回理論化学討2019 年

国

リドン分子の C-H 結合活性化機構

傑, 吉井 大地,論会（札幌）

5月

内に関する理論的研究

谷田部 孝文,35th Symposium on

2019 年

国

6月

内2019 年国

7月

内2019 年国山口 和也, 水野 哲孝, 長谷川 淳也
From static to dynamic picture:

Tsutsumi

elucidation of dynamics effects

Takuro,Ono

Chemicalfrom

Yuriko,Arai

and Dynamics

on-the-fly

trajectory

analyses

Kinetics

Zin, Taketsugu
Tetsuya

Visualization

TakuroXV

Tsutsumi,

WORKSHOP ON QUANTUM

application to non-IRC pathways

Yuriko Ono, Zin

REACTIVE

of SN2 reaction

Arai,

SCATTERING

dynamical

techniquereactionofpathways:

Tetsuya

Taketsugu

INTERNATIONAL(QRS2019 Workshop)(Saitama)

触媒活性予測のための表面モデル

小林正人，小野

第 13 回分子科学討

計算データベースの構 築 と メ タ ン

田遼，武次徹也

論会 2019（名古屋） 9 月

水蒸気改質触媒への応用

別添 1-39

内

二座ホスフィン配位金クラスター

七分勇勝，岩佐

第 13 回分子科学討2019 年国の発光特性における配位子環境の豪，武次徹也，論会 2019（名古屋） 9 月

内

影響

小西克明

Au/OMS-2 触媒に よるピペリドン分

宮崎玲 ・金雄

第 124 回触媒討論会

2019 年国子の C-H 結合 活性化機構に関す

傑・吉井大地・9月

内る理論的研究谷田 部孝文・山文部科学省 ポスト2019 年

国「京」重点課題５ 連

9月内2019 年

国11 月

外口和也・水野哲
孝 ・長谷川淳也
触媒への理論的アプローチ：未知機

武次徹也

構解明と未知触媒提案にむけて携推進ワークショッ
プ サブ課題Ｃ エネ
ルギー・資源の有効利用－化学エネルギー（東京）
TheoryofChemical

Reaction:

Kohei

Oda,

Reaction Path and Dynamics Effect

TakuroUniversity-Hokkaid

Tsutsumi,

o

Kenji

Joint Symposium

Furuya,The

15th

Nanjing

University-NIMS

Tetsuya
Taketsugu
相関エネルギー密度の完全基底極

五十幡康弘，橳

第 22 回理論化学討2019 年

国限に基づく機械学習型電子相関モ

嶋拓朗，清野淳

論会

5月

内

デルの開発

司，吉川武司，
中井浩巳

分割統治型密度汎関数強束縛法に

浦谷 浩輝，周第 22 回理論化学討2019 年国よるペロブスカイト太陽電池材料

建斌，中井 浩巳

論会

5月

内

相対論的量子化学計算プログラム

五十幡康弘，吉日本コンピュータ化2019 年国

RAQET の公開

川武司，中井浩

学会 2019 年春季年

6月

内

巳

会

触媒担体の格子酸素が関わる NO-CO

藤代天佑，大越日本コンピュータ化2019 年

国

反応の理論的解析

昌樹，中井浩巳

学会 2019 年春季年

6月

内におけるポーラロン形成動力学シ
ミュレーション

会

別添 1-40

ペロブスカイト太陽電池材料にお浦谷浩輝、周 建

日本コンピュータ化2019 年国けるポーラロン形成の量子的分子

斌、中井 浩巳

学会 2019 年春季年

6月

内動力学シミュレーション
Local

HybridRelativistic会

Functionals
1s

Core

for

T. M. Maier,

18th International

2019 年

国

OrbitalY. Ikabata,Conference

7月

外

H. NakaiDensity-Functional

Shifts

Theory

and

on
its

Applications
Machine-Learned

Electron

Y. Ikabata,

18th International

2019 年

国

Correlation Model in the Form ofT. Nudejima,

Conference

7月

外Density Functional

J. Seino,

Density-Functional

T.

Theory重点課題５サブ課題Ｃ 中井 G 成果

Yoshikawa,

and

on
its

H. NakaiApplications

中井浩巳

文部科学省 ポスト2019 年

国「京」重点課題５ 連

9月

内

報告と今後の展開

携推進ワークショッ
プ サブ課題Ｃ エネ
ルギー・資源の有効利用－化学エネルギー（東京）
鉛ハライドペロブスカイト材料に

浦谷 浩輝、周第 13 回分子科学討2019 年国

おけるポーラロン形成過程の量子

建斌、中井 浩巳

論会

9月

内

機械学習型電子相関モデルの開発

五十幡康弘、橳

第 42 回ケモインフ

2019 年

国と数値検証

嶋拓朗、清野淳ォマティクス討論会

10 月

内

分子動力学シミュレーション司、吉川武司、
藤澤遼、中井浩巳

別添 1-41（b）ポスター発表
発表した成果（発表題目）

発表者氏名

発表した場所（学会

発表し

国

等名）

た時期

内
・
外
の
別

Stochastic perturbation theory

Ladoczki

第 22 回理論化学討2019 年

国

in a limited configuration space

Bence, 天 能 精

論会

5月

内

一郎
拡張 Koopmans 定理を用いた強相

土持崇嗣、天能第 22 回理論化学討2019 年

国

関系におけるイオン化ポテンシャ

精一郎

論会

5月

内

for

土持崇嗣、天能

9thMolecular

2019 年

国

via

精一郎

Quantum

Mechanics

6月

外

ルの計算
Ionization

potentials

multi-reference
post-PHF:

systems

Extended

Koopmans

Conference

Theorem(MQM2019)

強電子相関系のイオン化ポテンシ

土持崇嗣、天能第 13 回分子化学討

2019 年

国

ャル

精一郎

論会

9月

内

First-principles study of the

ShotaroInternational

2019 年

国interfaces

Sakurai,Workshop

11 月

内

of

SrTiO3

withmediator and cocatalyst for the

Kotarohydrogen

Kazutaka

and Technology for

Nishiguchi, 天Solarphotosynthesis

能精一郎

Conversion

非フラーレン型有機薄膜太陽電池

太田 希、村岡

第１３回分子科学討2019 年

国の D/A 遷移におけるフッ素化の役

梓、山下晃一論会（名古屋大学東9月

内2019 年

国

8月

外evolutionZ-scheme

intheartificial

Okano,

on

割

Frontier of Science
Energy山キャンパス）ChargeCarrierTrapping

Surface

Defects

andatOpticalKoichi

Faraday

Yamashita

Discussion

Properties of Perovskites：

Ultrafast
Photoinduced
Energy and Charge
Transfer (Ventura,USA)

別添 1-42非フラーレン型有機薄膜太陽電池

池山すみれ、村日本コンピュータ化2019 年国のアクセプター分子の光吸収性

岡梓、山下晃一

学会 2019 秋季年会

10 月

内

DFT 計算による(Na)n の安定構造と

寿崎文音、村岡

日本コンピュータ化2019 年国

NMR 解析

梓、山下晃一学会 2019 秋季年会

10 月

内

非フラーレン型アクセプター分子

太田希、山下晃

日本コンピュータ化2019 年

国が示す有機薄膜太陽電池の D/A 遷

一、村岡梓

学会 2019 秋季年会

10 月

内

酸化タングステン光触媒の電子-フ

金子正徳、山下日本コンピュータ化2019 年国ォノン相互作用晃一

学会 2019 秋季年会

10 月

内

Ashu

CPMD Meeting 20192019 年

国

7月

外2019 年

国

9月

外2019 年

国9月

外

計算物質科学人材育2019 年

国

10 月

外

移の特徴

EffectsofMagnesium-Organo-Haloaluminate

Choudhary,complex in Magnesium Ion Battery

Keitaroelectrolytes: A Car-Parrinello

Sodeyama,

Molecular Dynamics (CPMD) Study

Yoshitaka
Tateyama

First-Principles Study on Na+ Ion

Randy

Transport

Solid

Yoshitaka

conference on Solid

Electrolyte for All-Solid-State

Tateyama

Electrolytesin

Na3SbS4

Jalem,

Na Ion Battery

2nd

World
for

Advanced
Applications:
Garnets

andCompetitors
Atomic-Scale

Bo Gao, Randy

2nd

Surface Morphology and Stability

Jalem,

conference on Solidof

GarnetYoshitaka

Electrolytes

Li7La3Zr2O12 and Li Metal from

Tateyama

Advanced

Interface

Insight
between

into

First Principles

World
for

Applications:
Garnets

andCompetitors
Genetic Algorithm Based Force

XichanField

forYoshitaka

成コンソーシアム

Lithium-Ion Battery Applications

Tateyama,（PCoMS）シンポジウ

Kazuto Akagi

ム

ParameterizationGao,

別添 1-43

ForceField

Parameterization

using

Genetic

Algorithm

XichanGao,

2nd Asian Workshop

2019 年

国

10 月

外

for

Yoshitakaon

Lithium-Ion Battery Applications

Tateyama,

First-Principles

Kazuto Akagi

Electronic
structure
Calculations(ASIAN-22)

AMP2: A Package for AutomatedYong Youn, Miso

2nd Asian Workshop

2019 年

国

Ab-initio

Lee,

Changho

on

10 月

外

Hong,

DoyeonFirst-Principles

Kim,

Kanghoon

Electronic

Yim, Yoshitaka

structure

Tateyama

Calculations

Calculationfor

Crystalline Materials(ASIAN-22)
The Oxidative Coupling of Methane

Atsushi

2nd Asian Workshop

2019 年国Catalyzed

A

Ishikawa,

on

10 月

外

Based

YoshitakaFirst-Principles

Ab-initio

Tateyama

Electronic

by

MgO;

First-Principle
Microkinetics

andMolecular Dynamics Study

structure
Calculations(ASIAN-22)

Structure Search and Property

Bo Gao, Yanming

2nd Asian Workshop

2019 年

国

Analysis of Interfaces between

Ma,

on

10 月

外

Cathode and Solid Electrolyte in

Tateyama

All-Solid-State

Battery

Yoshitaka

via

First-Principles
Electronic

DFT-CALYPSO Method

structure
Calculations(ASIAN-22)

Microscope mechanism of Li-ion

Bo Gao, Randy

Materials Research2019 年

国transport at Interfaces between

Jalem, Yanming

Meeting

12 月

外LiCoO2Ma,(MRM2019)

Cathodeand

SulfideElectrolyte in All-Solid-State

Yoshitaka

Tateyama

Battery via DFT-CALYPSO Method

別添 1-442019

Effectsof

Ashu

Materials Research2019 年国

Magnesium-Organo-Haloaluminate

Choudhary,

Meeting

12 月

外complex in Magnesium Ion Battery

Keitaro(MRM2019)

Electrolytes: A Car-Parrinello

Sodeyama,

Molecular Dynamics Study

Yoshitaka

Materials Research2019 年

国

12 月

外

2019

Tateyama
Lithium Diffusion Mechanism in

Yang

Sun,

Highly Concentrated Electrolytes

KeitaroMeeting

via First-Principles Molecular

Sodeyama, Yuki

(MRM2019)

Dynamics Sampling

Yamada,

2019

Atsuo

Yamada,Yoshitaka
Tateyama
Multiple Adsorption Modes andYoshitaka

Materials Research2019 年

国

Decomposition

Tateyama,

Meeting

12 月

外Carbonate Electrolyte Molecules

Keisuke(MRM2019)

at

Ushirogata,

Pathways

LiNi0.5Mn1.5O4of

CathodeInterfaces: Ab Initio Study

Ganes

2019

Shukri,

Yukihiro Okuno
Microscopic

SEI

A.Bouibes,

Materials Research2019 年

国HighlyN.Takenaka,

Meeting

12 月

外Concentrated Electrolytes Based

S.Saha,（横浜シンポジア）

on the Nonflammable Trimethyl

M.Nagaoka

Layer

Mechanism

Formation

inof(MRM2019)

Phosphate Solvent
Microscopic Mechanism of SEI Film

A.Bouibes,

APATCC20192019 年国

Formation in Highly Concentrated

N.Takenaka,

（

10 月

外

Electrolytes

S.Saha,Business School of

M.Nagaoka

the University of

Based

on

Nonflammable Trimethyl Phosphate
Solvent

Abercrombie

Sydney）

ansa-zirconocene 触媒によるプロ

田中 佑一、守屋

第 13 回分子科学討2019 年

国

ピレン重合反応における立体規則

宏一、鈴木 雄論 会 名 古 屋 20199月

内性の理論的解析

一、三澤 奈々、 （名古屋大学）
古賀 伸明、長岡正隆

別添 1-45

フェノキシイミン触媒によるオレ守 屋 宏 一 、

第 13 回分子科学討2019 年

国

フィン重合反応における活性点開

Soumen Saha、田論 会 名 古 屋 20199月

内放機構の理論的解析

中佑一、三澤

（名古屋大学）奈々、鈴木雄一、
古賀伸明、長岡正隆
Microscopic

Amine Bouibes,

化学反応経路探索の2019 年

国Norio

ニューフロンティア

9月

内Concentrated Electrolytes Based

Takenaka,（SRPS2019）(名古屋

on the Nonflammable Trimethyl

SoumenPhosphate Solvent

Masataka

Layer

Mechanism

Formation

in

of

SEI

HighlySaha,

大学)

Nagaoka
非晶高分子衝撃破壊に関する分子

石川博章、藤本

第 68 回高分子学会

2019 年

国論的研究Ⅲ：圧縮破壊

和士、湯之也、

年次大会

5月

内

岡崎進
非晶高分子の圧縮破壊に関する分

石川博章、藤本

第 22 回理論化学討2019 年

国子論的研究

和士、湯之也、論会

5月

内2019 年

国

8月

内Molecular

All-atom
Dynamics

Study

of

岡崎進

Compressive Fracture of Glassy
Polymers
Performanceof

M. Nakao,The

directH. Murai,International

memory access on the K computer

M. Sato,Conference

Y. Andoh,

Parallel

S. Okazaki

Processing

分子動力学法を用いたナノチャン

伊藤有毅、安藤第 13 回分子科学討2019 年国

ネル内における負圧下での水の安嘉倫、岡崎進論会

9月

内

非晶高分子衝撃破壊に関する分子

石川博章、藤本

第 68 回高分子討論2019 年

国論的研究Ⅲ：圧縮破壊

和士、湯之也、会

9月

内

MODYLAS

improvement

using

remote48thon

定 性 メ カ ニ ズ ム の 解 明
Molecular

dynamics

study

on

stability of liquid water undernegativepressureinnanochannels

岡崎進

別添 1-46不均一系における位置に依存した

永井哲郎、 弦巻計算物質科学人材育2019 年

国拡 散 係 数 の 新 規 評 価 手 法 Novel

周平、 藤本和成コンソーシアム

10 月

内

method士、岡崎進（PCoMS）シンポジウ

toevaluate

position-dependent
constantinthediffusion

ム ＆計算物質科学

heterogeneous

スーパーコンピュー

systems

タ事業報告会

ミセルが多数分散する溶液中にお吉井範行、岡崎

第 42 回溶液化学シ

2019 年国

け る 溶 質 分 子 の 拡 散

進

ンポジウム

10 月

内

Y. Andoh,The

2019 年

国

S. Hayakawa,International

11 月

外

S. Okazaki

Conference

2019 年

国

11 月

外2019 年

国

11 月

外2019 年

国

11 月

外2019 年

国11 月

外Diffusivity of solute moleculesin micellar solution
Molecular

dynamics

correlationofproperties

betweenstudy

onmembrane
outer

and

inner leaflets of cell plasma

Molecular

membranes

Simulation

Extensions

of

Fast

Multipole

N. Yoshii,

The

Method for Molecular Dynamics

Y. Andoh,International

Simulations

S. Okazaki

Conference

5th
on

5th
on

Molecular
Simulation
Molecular
ImpactDynamics
Fracture

Study
of

of

H. Ishikawa,

The

GlassyK. Fujimoto,International

Z. Tang,

Conference

S. Okazaki

Molecular

Polymers : Compressive Fracture

5thon

Simulation
All-atomMolecularStudy

ImpactofDynamics

FractureofGlassy Polymers: On the Yielding

Z. Tang,

The

K. Fujimoto,International

S. Okazaki

Conference

Phenomenon

5thon

Molecular
Simulation

A new method to obtain position

T. Nagai,Thedependent-diffusion

S.

International

constant

with flat-bottom potential

Tsurumaki,

K. Fujimoto,Conference

S. Okazaki

Molecular
Simulation

別添 1-47

5thonMolecular

Dynamics

Study

of

H. Ishikawa,

Materials Research2019 年国

Compressive Fracture of Glassy

K. Fujimoto,Meeting 2019

12 月

内

Polymers

Z. Tang,
S. Okazaki

非晶高分子の衝撃破壊に関する分

藤本和士、湯第 33 回分子シミュ2019 年

国子論的研究之也、 岡崎 進

レーション討論会,

12 月

内2019 年

国12 月

内名古屋市公会堂
次期スパコン「富岳」での大規模・ 安藤嘉倫、 坂下

第 33 回分子シミュ

長時間分子動力学計算実現のため

達哉、 張家超、 レーション討論会,のソフトウェア MODYLAS の性能向朱喆、 浦野諒、 名古屋市公会堂

上藤本和士、 吉井範行、 岡崎進

親水性壁に挟まれた負圧下にある

伊藤有毅、安藤第 33 回分子シミュ2019 年

国

水液膜内の分子構造およびダイナ

嘉倫、岡崎進レーション討論会,

12 月

内

ミクスに関する研究

名古屋市公会堂

非晶高分子の衝撃破壊に関する分

湯之也、藤本和第 33 回分子シミュ2019 年

国子論的研究：ミクロの視点における士、 岡崎進レーション討論会,

12 月

内2019 年

国12 月

内

降伏現象の解明名古屋市公会堂

非晶高分子圧縮破壊に関する分子

石川博章、藤本

第 33 回分子シミュ論的研究

和士、 湯之也、 レーション討論会,
岡崎進

名古屋市公会堂

K. Fujimoto,Materials Research2019 年国

Z. Tang,

Meeting 2019, 横浜

12 月

内

Glassy Polymers

S. Okazaki

シンポジア

All-Atomistic Molecular Dynamics

Z. Tang,

Materials Research2019 年

国Study

K. Fujimoto,Meeting 2019, 横浜

12 月

内

GlassyW.

シンポジア

Polymers:Molecular Mechanism of

S. Okazaki

All-atomMolecularStudy

Impactofof

ImpactDynamics

Fracture

Fractureofof

Shinoda,Brittleness and Ductility
遷移金属クラスターを用いたアン

毛利広野，岩佐ナノ学会第 17 回大2019 年

国

モニア分解反応の理論的研究

豪，武次徹也会

5月

内

Au25(SR)18-クラスターの触媒機構の高原里奈・岩佐ナノ学会第 17 回大2019 年

国解明に向けた理論的研究

豪・武次徹也会

5月

内

別添 1-48

o-ニトロフェノールの励起状態分

和田 諒, 堤 拓

第 22 回理論化学討2019 年国

子内プロトン移動と光解離過程に朗, 新田 優輝,

論会

5月

内

対する理論的研究

関川 太郎, 武第 22 回理論化学討2019 年

国

論会

5月

内

次 徹也
Controlled intersystem crossing

LimingZhao,

in iron porphycene substituted

Akira

myoglobin for cyclopropanation

Nakayama,Kojireaction: a theoretical study

Oohora,Hiroyuki
Meichin,TakashiHayashi,Jun-yaHasegawa
Origin of the enantioselectivity

高 敏, 大保政第 22 回理論化学討2019 年

国of貴, 長谷川淳也

論会

5月

内

the

Manussada

第 22 回理論化学討2019 年国

Dehydrative

Ratanasak,

論会

5月

内

Fuyu Yin, Min

第 22 回理論化学討2019 年

国

Gao,

論会

5月

内

Ru(III)-Chial

disulfonate

hybrid catalysis for C-H bondfunctionalization
Mechanistic

Study

Asymmetric
Allylative
AlcoholsofCyclization
toCyclicof
Ethers

Shinji Tanaka,
MasatoCatalyzed CpRu Complex of Chiral

Kitamura,

Picolinic Acid-type Ligand

Jun-yaHasegawa

Ligandcrossing

ControlledofIntersystemhydrogenbindingreaction on Metallocene

Akira

Nakayama,
Jun-yaHasegawa

金属ドープされた酸 化 セ リ ウ ム に

伊勢家 正裕,第 22 回理論化学討2019 年

国よるメタンの C-H 結合活性化に関中山 哲, 長谷

論会

5月

内

する理論的研究川 淳也

別添 1-49

Soft X-ray Emission Spectroscopy

Andrey Lyalin ,第 22 回理論化学討2019 年

国

ofAmorphous

Vladimir

論会

5月

内

Lithium-Ion

Kuznetsov

Crystalline

Li-Si

AlloysandinBatteries Anode

,

Akira
Nakayama, Igor
Abarenkov,
Ilya Tupitsyn,
Igor

Gabis,

Kohei

Uosakiand

Tetsuya

Taketsugu
演算子変換を用いた効率的時間発

赤間 知子, 武第 22 回理論化学討2019 年

国

展:3 項間漸化式法の拡張

次 徹也

論会

5月

内

多次元データ縮約法による動的反堤 拓朗, 小野第 22 回理論化学討2019 年

国

応経路の可視化ゆり子, 荒井論会

5月

内迅, 武次徹也
単核 ReOx/CeO2 触媒による脱酸素

保坂 龍, 中山

第 22 回理論化学討2019 年

国

脱水反応の理論的研究

哲, 田村 正純,

論会

5月

内

中川 善直, 冨重 圭一, 長谷
川 淳也
分割統治エネルギー勾配計算に対

藤森 俊和, 小

第 22 回理論化学討2019 年国するバッファ領域自動制御法の開林 正人, 武次

論会

5月

内

発

徹也

金チオラートクラスターの触媒機

高原 里奈, 岩

第 22 回理論化学討2019 年

国構の解明に向けた理論的研究

佐 豪, 武次 徹

論会

5月

内

也
金属クラスターを用いたアンモニ

毛利 広野, 岩

第 22 回理論化学討2019 年

国

ア分解反応経路の探索

佐 豪, 武次 徹

論会

5月

内

也
プラズモン増強ラマン分光法にお竹中 将斗, 岩

第 22 回理論化学討2019 年国

ける電磁気学的増強に関する理論

佐 豪, 武次 徹

論会

5月

内

研究

也

別添 1-50

金錯体二量体の励起状態計算:CC2

岩佐 豪, 武次第 22 回理論化学討2019 年

国

法と DFT-D3 法の比較検討

徹也

論会

5月

内

希土類錯体の 4f 軌道凍結近似計

大場 祐汰, 小

第 22 回理論化学討2019 年国

算と回転最適化による改良

林 正人, 武次

論会

5月

内

徹也
ヒドロキシメチルフルフラールの田代 啓介, 小

第 22 回理論化学討2019 年国

不 安 定 性 : 系統的計算化学に基づ

林 正人, 中 島

論会

5月

内

く研究

清隆, 武次 徹也+

CF3 -CO 衝突反応の動力学:固有反織田 耕平, 堤

第 22 回理論化学討2019 年国

応座標と AIMD 解析

拓朗, 古屋 謙

論会

5月

内

治, 武次 徹 也
MgO-SiO2 系 高 温 融 体 の 系 統 的

宮越 洸二, 小

第 22 回理論化学討2019 年国

DFTB-MD

シミュレーションとパー

林 正人, 小野

論会

5月

内

システント・ホモロジー 解 析 :ガ

寺 陽平, 小原

ラスへのなりやすさの理解にむけ

真司, 武次徹也てTheoretical

study

isocyanides

adsorbedonaryl

王 奔, 高 敏,

第 22 回理論化学討2019 年

国

the

武次 徹也

論会

5月

内

Ar-PtCO の 振動スペクトルにおけ小野 ゆり子,

第 22 回理論化学討2019 年国

る異常な希ガス効果

八木 清, 高柳

論会

5月

内

on

Pt(111) surface

敏幸, 武次 徹也
がん光免疫療法薬剤 IR700 の細胞

原田 芽生, 小

第 22 回理論化学討2019 年

国

障害機構に関する計算化学的研究

林 正人, 安藤

論会

5月

内

完太, 高倉 栄男, 小川 美香子, 武次 徹也
金属クラスター触媒による NO 還

近藤 有輔, 岩

第 22 回理論化学討2019 年

国

元反応に関する理論的研究

佐 豪,武次 徹

論会

5月

内

也

別添 1-51

Reaction pathways and dynamical+

ODA,

Kohei,

35th Symposium on

2019 年

国

6月

内

effects on the CF3 + CO collision

TSUTSUMI,

Chemical

Kinetics

reaction

Takuro,and Dynamics

FURUYA, Kenji,
TAKETSUGU,
Tetsuya
Algebraic geometric analysis of

Ebisawa

35th Symposium on

2019 年国

chemicalon

Shuichi,

Chemical

6月

内

anharmonic downward distortion

Tstsumiand Dynamics

35th Symposium on

2019 年国

Chemical

6月

内reaction

based

Kinetics

Takuro,Taketsugu
Tetsuya
Ab initio dynamics study on the

Wada

excited-state

intramolecular

Tsutsumi

proton transfer and dissociation

Takuro,of ortho-nitrophenol

Yuuki,

Satoi,
Nitta

Sekikawa Taro,
Taketsugu
Tetsuya

別添 1-52

Kinetics

and Dynamics

Studyon

decay

KINOSHITA,

35th Symposium on

2019 年

国

cisShin-nosuke;

Chemical

6月

内

photoisomerization of the most

INOKUCHI,

and Dynamics

simple cinnamate

Yoshiya;2019 年国

7月

内2019 年

国

7月

内

process

nonradiative
and

trans

→

Kinetics

NAGAMORI,
Keigo; NAKATA,
Hiroyuki;
ONITSUKA,
Yuuki;
KOHGUCHI,
Hiroshi; AKAI,
Nobuyuki;
SHIRAOGAWA,
Takafumi;
EHARA,
Masahiro;
YAMAZAKI,
Kaoru;HARABUCHI, Yu;
MAEDA,
Satoshi;
TAKETSUGU,
Tetsuya;
EBATA,
TakayukiOn-the-fly

molecular

dynamics

Tetsuya

XV
Yu

INTERNATIONAL

simulations of the excited-state

Taketsugu,

WORKSHOP ON QUANTUM

branching reaction of stilbene

Harabuchi,

REACTIVE

derivatives

TakuroSCATTERING

Tsutsumi, Rina

(QRS2019 Workshop)

Yamamoto,(Saitama)

Satoshi Maeda
Visualization

TakuroXV

Tsutsumi,

WORKSHOP ON QUANTUM

application to non-IRC pathways

Yuriko Ono, Zin

REACTIVE

of SN2 reaction

Arai,

SCATTERING

dynamical

techniquereactionofpathways:

Tetsuya

Taketsugu

INTERNATIONAL(QRS2019 Workshop)(Saitama)

別添 1-53

AutomatedMasatoXVCorrelation

Kobayashi,

WORKSHOP ON QUANTUM

Treatment in Divide-and-Conquer

Toshikazu

REACTIVE

MethodFujimori,

SCATTERING

Ryosuke(QRS2019 Workshop)

Kodama,(Saitama)

Static

Error
Electron

Controland

INTERNATIONAL

2019 年国

7月

内2019 年国

7月

内2019 年国

7月

内2019 年国

7月

内2019 年

国

7月

内Tetsuya
Taketsugu
Developmentof

efficient

Tomokotime-evolution method based on

Osamu

WORKSHOP ON QUANTUM

operator

Kobayashi,

REACTIVE

Shinkoh Nanbu,

SCATTERING

Tetsuya(QRS2019 Workshop)

Taketsugu(Saitama)

Theoretical study of static and

ODA,

XV

dynamic

on

TSUTSUMI,

WORKSHOP ON QUANTUM

and CO

Takuro1,

REACTIVEFURUYA, Kenji,

SCATTERINGTAKETSUGU,(QRS2019 Workshop)

Tetsuya(Saitama)

Algebraic geometric analysis of

S. EBISAWA,XVADDF paths around one equilibrium

T. TSUTSUMI,

WORKSHOP ON QUANTUM

T. TAKETSUGU

REACTIVE

transformation:

three-termrecurrence-relation

methodreaction

pathwayscollision reaction of CF+
3

Akama,

Kohei,XVINTERNATIONALINTERNATIONALINTERNATIONALSCATTERING(QRS2019 Workshop)(Saitama)Abinitiodynamics

Satoi

excited-state

TakuroWORKSHOP ON QUANTUM

intramolecular proton transfer

Tsutsumi,

REACTIVE

and

Yuuki

SCATTERING

study

molecularofthedissociationofortho-nitrophenol

Wada,

Nitta,XVINTERNATIONAL

Taro Sekikawa,(QRS2019 Workshop)

and(Saitama)

Tetsuya

Taketsugu
1,2-ブタジエン励起緩和過程の振小西里緒，堤拓

化学反応経路探索の2019 年

国

動マッピング解析

朗，高敏，小野ニューフロンティア

9月

内ゆり子，原渕祐， 2019（名古屋）
武次徹也

別添 1-54

LE-ΔSCF 法を用いた電荷移動状態

竹中将斗，岩佐

化学反応経路探索の2019 年国の反応経路探索豪，武次徹也

ニューフロンティア

9月

内

2019（名古屋）
Au25(SR)18- クラスターの触媒反応

高原里奈，岩佐

化学反応経路探索の2019 年

国に関する理論的研究

豪，武次徹也

ニューフロンティア

9月

内

2019（名古屋）
次元縮約法による ab initio MD 古

堤拓朗、小野ゆ

化学反応経路探索の2019 年

国

典軌道の射影と動力学効果に関す

り子、荒井迅、

ニューフロンティア

9月

内る理論的研究

武次徹也

2019（名古屋）

金属クラスターモデルを用いたア

毛利広野，岩佐

化学反応経路探索の2019 年

国

ンモニア分解反応の理論的研究

豪，武次徹也

ニューフロンティア

9月

内

2019（名古屋）
近接場光誘起の電子励起状態

岩佐豪，竹中将

化学反応経路探索の2019 年

国斗，武次徹也

ニューフロンティア

9月

内

2019（名古屋）
Theoretical

study

isocyanides

adsorbedonaryl

Ben Wang, Min

化学反応経路探索の2019 年

国

the

Gao,

ニューフロンティア

9月

内

on

TetsuyaPt(111) surface

Taketsugu

2019（名古屋）

固有反応座標に従わない動的な反織田耕平，堤拓

化学反応経路探索の2019 年

国

応経路に関する理論的研究

朗，古屋謙治，ニューフロンティア

9月

内

武次徹也

2019（名古屋）

AIMD 振動マッピング解析と 1,2-ブ

小西里緒，堤拓第 13 回分子科学討2019 年国

タジエン励起緩和過程への適用

朗，高敏，小野論会 2019（名古屋） 9 月

内

国ゆり子，原渕祐，
武次徹也
チップ増強ラマン分光イメージン

竹中将斗，岩佐

第 13 回分子科学討

グの理論研究豪，武次徹也論会 2019（名古屋） 9 月

内

金チオラートクラスターの触媒機

高原里奈，岩佐

第 13 回分子科学討

国構の解明に向けた理論的研究

豪，武次徹也論会 2019（名古屋） 9 月

内

演算子変換を用いた効率的時間発

赤間知子，武次第 13 回分子科学討

国

展:3 項間漸化式法の開発と拡張

徹也

論会 2019（名古屋） 9 月

別添 1-55

2019 年

2019 年

2019 年

内金属 4 量体を用いたアンモニア分

毛利広野，岩佐

第 13 回分子科学討2019 年

解反応の理論的研究

豪，武次徹也論会 2019（名古屋） 9 月

内

時間分解光電子分光法による o-ニ

新 田 優 輝 ,第 13 回分子科学討

国トロフェノールの超高速光解離反Oliver Schalk,

論会 2019（名古屋） 9 月

内

応の観測

和田諒, 堤拓

岩佐豪，竹中将

第 13 回分子科学討

国斗，武次徹也論会 2019（名古屋） 9 月

内

aryl

Ben Wang, Min

第 13 回分子科学討

国

the

Gao,

論会 2019（名古屋） 9 月

内国2019 年

国朗, 武次徹也
金島圭佑, 関川太郎
近接場光が誘起する電子励起状態

Theoretical

study

isocyanides

adsorbedonon

Tetsuya2019 年

2019 年

Pt(111) surface

Taketsugu

動力学効果による固有反応経路の

織田耕平，堤拓第 13 回分子科学討破綻に関する理論的研究

朗，古屋謙治，論会 2019（名古屋） 9 月

2019 年

内武次徹也
ミオグロビンのシクロプロパン化

趙黎明，中山哲， 第 13 回分子科学討

反応における項間交差の制御:鉄ポ

大洞光司，林高ルフィセン置換の効果に関する理史，長谷川淳也

2019 年

国論会 2019（名古屋） 9 月

内

国

論的研究
Theoretical

Study

on

the

Manussada

第 13 回分子科学討2019 年

Mechanism and Enantioselectivity

Ratanasak,論会 2019（名古屋） 9 月

内of the Asymmetric Dehydrative

Shinji Tanaka,

Cyclization of Alcohol to Cyclic

MasatoEther

Kitamura,

第 124 回触媒討論会

2019 年

国9月

内Jun-yaHasegawa
単核 ReOx/CeO2 触媒による脱酸素

保坂龍・中山脱水反応の理論的研究

哲・田村正純・
中川善直・冨重圭一・長谷川淳也

別添 1-56

Computational

Studiesof

MasatoThe

9thAdsorption and SERS Spectra of

Takenaka,

Asia-Pacific2,2 ’ -Bipyridyl on Au, Ag, andYoshikazu

Associationof

Au-Ag Nanoalloy

Hashimoto,

TheoreticalandTakeshi Iwasa,

Computational

Tetsuya

Chemists

Taketsugu,(APATCC-9)

2019 年

国

9月

外2019 年

国

9月

外Gediminas
Seniutinas,
ArmandasBalcytis,
SauliusJuodkazis,
YoshiakiNishijima
Energy-Based
Fragmentation

Automatic

Toshikazu

The

the

Fujimori,

Asia-Pacific

MasatoAssociationof

Kobayashi,

TheoreticalandTetsuyaComputational

Taketsugu

ChemistsinLinear-Scaling
Divide-and-Conquer

Electron

Correlation Calculations

9th(APATCC-9)
主座標分析による静的反応経路の

堤拓朗，小野ゆ第 42 回ケモインフ

2019 年

国

可視化と動的反応経路の埋め込み

り子，荒井迅，ォマティクス討論会

10 月

内

武次徹也

（東大本郷）
2019 年

国11 月

外Computational
vibrational

study

of

Ben Wang, Min

Theoreticalfrequency

and

Gao,

High

and

Performancenatural population analysis for

TetsuyaComputational

aryl

Taketsugu

Chemistry

isocyanide

molecules

adsorbed on the Pt surface

and

2019

(ICT-HPCC19)(Guiyang, China)

フェノール-アンモニアクラスター

岩田健一郎、堤

化学系学協会北海道

2020 年

国の励起プロトン共役電子移動反応

拓朗、和田諒、

支部 2020 年冬季研1月

内に関する理論的研究

武次徹也

究発表会（札幌）

有機修飾 Au25 クラスターにおける

宮本真帆、岩佐

化学系学協会北海道

2020 年

国

金コア構造と光物性の関係性の解

豪、武次徹也支部 2020 年冬季研

1月

内

明

究発表会（札幌）

別添 1-57

最適汎関数を自動生成するオンデ

伊藤小夜子、小化学系学協会北海道

2020 年

国

マンド DFT の開発

林正人、常田貴支部 2020 年冬季研

1月

内夫、武次徹也究発表会（札幌）

高精度励起状態計算のための西田叡倫、赤間化学系学協会北海道

2020 年国

RT-TDHFB 法の開発

知子、小林正人、 支部 2020 年冬季研

1月

内

武次徹也

究発表会（札幌）

近接場光によるジメチルスフィド

戸田敬二郎、岩化学系学協会北海道

2020 年

国

解離反応の理論研究

佐豪、武次徹也

支部 2020 年冬季研1月

内物性研究所スパコン

2019 年

国

共同利用・CCMS 合同

4月

内2019 年

国5月

内究発表会（札幌）
GPGPU に基づく分割統治型密度汎関

吉川

数強束縛法の高速化

井浩巳

武司、中

研究会「計算物質科
学の新展開」
DC-DFTB-MD 法によるバクテリオロ

小野純一，岡田

第 22 回理論化学討

ドプシンの長距離プロトン移動反千果，西村好史， 論会

応の理論的解析中井浩巳

有限温度法に基づく単参照型励起

吉川 武司，土井

第 22 回理論化学討2019 年

国

状態計算手法の開発

俊輝，中井 浩巳

論会

5月

内

機械学習型半局所的運動エネルギ

清野淳司，影山

第 22 回理論化学討2019 年

国ー汎関数に基づく orbital-free 密椋，藤波美起登， 論会

5月

内

度汎関数理論の開発

五十幡康弘，中井浩巳

インフォマティクス手法による結中村海里，清野

第 22 回理論化学討2019 年国合エネルギー密度解析の高精度化

淳司，中井浩巳論会

5月

内

インフォマティクス手法を活用し中村海里，清野

日本コンピュータ化2019 年国

た結合エネルギー密度解析の開発

淳司，中井浩巳

学会 2019 年春季年

6月

内

会
カチオン性イリジウム触媒を用い髙島千波，五十日本コンピュータ化2019 年

国

た均一系触媒反応における相対論

幡康弘，栗田久学会 2019 年春季年

6月

内

効果

樹，高野秀明，会

柴田高範，中井浩巳

別添 1-58

Relativistic
Shifts

1s

using

Core

OrbitalT. M. Maier,10th

congress

Local

HybridY. Ikabata,theInternational

H. NakaiSociety

Functionalsof2019 年

国

7月

外2019 年

国

7月

外

of

Theoretical
ChemicalPhysics(ISTCP-X)
Divide-and-conquer

Hiroki10th

congresssimulations of polaron formation

Uratani,theInternational

process

Chien-Pin

Society

Chou,

Theoreticalina

DFTB-MD
lead

halideperovskite material

Hiromi

Nakai

ChemicalofofPhysics(ISTCP-X)
ジアザジボレチジン誘導体の励起

五十幡康弘，庄第 13 回分子科学討2019 年

国

状態特性に関する理論的研究

子良晃，福島孝

論会

9月

内典，中井浩巳
球面調和型基底関数を用いた凍結樽見望都，清野

第 13 回分子科学討2019 年国

内殻ポテンシャル法の高精度化

淳司，中井浩巳論会

9月

内

円錐交差構造の電子状態に関する

稲森真由, 五十第 13 回分子科学討2019 年

国

知見の探索とその応用

幡康弘, 中井浩

論会

9月

内

巳
長距離補正法に基づく分割統治型

河本奈々，吉川

第 13 回分子科学討2019 年

国

時間依存密度汎関数強束縛法の開武司，中井浩巳論会

9月

内

密度汎関数強束縛法による Rh ナノ

中村崇玖, 周建

第 13 回分子科学討2019 年

国クラスター上の NO 解離過程の理論

斌，吉川武司，

論会

9月

内

的解析

大越昌樹，小野発と光異性化への応用

純 一 ， Aditya
WibawaSakti,

中井浩巳

別添 1-59

Semi-local

machine-learned

kinetic

energyfunctional

fordensityorbital-freedensity functional theory

Junji
Ryo

Seino,
Kageyama,

The

Ninth

Conference of the

MikitoAsia-PacificFujinami,

AssociationofYasuhiro

TheoreticalandIkabata,Computational

Hiromi Nakai

Chemists

2019 年

国

9月

外2019 年

国

9月

外2019 年

国

9月

外2019 年

国

9月

外(APATCC2019)
Linear-scaling

TakeshiThe

divide-and-conquer

Yoshikawa,

Conference of thefinite-temperature

Toshiki

self-consistent field for static

Hiromi Nakai

Doi,correlation systems

NinthAsia-Pacific
Association

ofTheoreticalandComputational
Chemists(APATCC

2019)
RecentDevelopment

AutomatizedTight-Bindingof

Chien-PinThe

Density-Functional

Chou,

AdityaConference of theParameterization

WibawaSakti,

Asia-Pacificfor Metal-Containing Systems

Hiromi Nakai

Ninth

Association

ofTheoreticalandComputational
Chemists(APATCC2019)
Machinelearning

study

for

MikitoThe

Ninthoptimizationofreaction

Fujinami,

Conference of theconditions

including

discrete

HirokiAsia-Pacificvariables with small number ofMaekawara,

Associationofexperiments

Junji

TheoreticalandSeino,

Hiromi Nakai

Computational
Chemists2019)

別添 1-60(APATCC

Large-scalequantum-mechanicalHirokiThe

molecular dynamics simulations

Uratani,

Conference of theof polaron formation process in a

Chien-PinAsia-Pacificlead halide perovskite material

Chou,

Association

of

using

Nakai

Theoreticalanddivide-and-conquer

type

HiromiNinth2019 年

国

9月

外2019 年

国

9月

外2019 年

国9月

外

CECAM-Workshop

2019 年

国10 月

外CECAM-Workshop

2019 年

国10 月

外density-functional

Computationaltight-binding method

Chemists(APATCC

2019)
Key

factorof

S0/S1

minimumenergy conical intersection

Mayu

Inamori,

The

Ninth

Yasuhiro

Conference of the

Ikabata,

Asia-PacificTakeshi

AssociationofYoshikawa,

TheoreticalandHiromi Nakai

Computational
Chemists(APATCC

2019)
Practical

excited-state

simulation of thousands of atoms

Nana

Komoto,

The

Ninth

Takeshi

Conference of the

Yoshikawa,

Asia-Pacific

Junichi

Ono,

AssociationofYoshifumi

TheoreticalandNishimura,Computational

Hiromi Nakai

Chemists(APATCC

2019)
Density-Functional

AdityaWibawaTight-Binding Metadynamics Study

Sakti,"Thinkingof Oxy-Carbon Diffusion on (100)-

Chien-Pinthe box - beyond

γ-Al2O3 SurfaceChou,machinelearning

forquantum

HiromiNakai

outsidechemistry"Long-timequantum

molecular

JunichiOno,dynamics simulations based on

Chien-Pin"Thinkingdivide-and-conquer

Chou,

the box - beyond

density-functional

Nakai

tight-binding
sodium-ion

Hiromimachinelearning
quantum

methodforfortransportinchemistry"electrolyte solutions

別添 1-61

outsideHierarchical parallelization of

Yoshifumi

CECAM-Workshop

2019 年国

DFTB simulations with DCDFTBMD

Nishimura,"Thinking

10 月

外Hiromi Nakai

the box - beyond

2019 年

国10 月

内2019 年

国11 月

内2019 年

国12 月

内

outsidemachinelearning

forquantumchemistry"
バクテリオロドプシンのプロトン

竹村俊晃、小野第 9 回 CSJ 化学フェ

貯蔵・放出過程に関する大規模量子

純一、西村好史、 スタ 2019

的分子動力学シミュレーション

中井浩巳

光受容タンパク質の光励起プロト

吉川武司、河本

ンダイナミクスの研究

奈々、小野純一、 とする HPCI システ

第 6 回「京」を中核

今井みの莉、中ム利用研究課題成果

井浩巳

報告会

バクテリオロドプシンのプロトン

竹村俊晃、小野

第 33 回分子シミュ

貯蔵・放出過程に関する DC-DFTB-MD

純一、西村好史、 レーション討論会

シミュレーション中井浩巳

Mg-MOF-74 による二酸化炭素固定化

土屋佑太、周建第 33 回分子シミュ2019 年

国

反応の DFTB-MD, MetaD シミュレー

斌レーション討論会

12 月

内

ション

Wibawa Sakti、Materials Research2019 年

国

12 月

内

、

Aditya中井浩巳
Microscopic

mechanismofJunichiOno,diffusion processes in dilute

Chien-Pin

Meeting

electrolyte

Chou,

Hiromi(MRM2019)

WibawaMaterials Research2019 年

国12 月

内Materials Research2019 年国

Meeting

12 月

内

solutionsforsodium-ion batteries

Nakai

Density-Functional

AdityaTight-Binding Study on Oxygen

Sakti,

Meeting

Vacancy

Chien-Pin(MRM2019)

Diffusion

in

Ceria

Systems

Chou,

2019

2019

Hiromi

Nakai
Reversible

sodiumelectrodes:Isessential
component?

metal

fluorineaninterphasial

Kyosuke
Yuki

Doi,
Yamada,Masaki Okoshi,
JunichiOno,

Chien-Pin
Chou,

Hiromi

Nakai,

Atsuo

Yamada

別添 1-62(MRM2019)

2019

Machine-Learned Kinetic Energy

Junji

Functional in Isolated Systems

Ryo

and

Mikitoits

Combination

with

Seino,
Kageyama,

Materials Research2019 年国

Meeting

12 月

内

2019

(MRM2019)

Orbital-Free Density Functional

Fujinami,

TheoryYasuhiro
Ikabata,
Hiromi Nakai

量子コンピュータによる量子化学

高梨倫哉、吉川

第 9 回量子化学スク

2019 年

国計算

武司、中井浩巳

ール

12 月

内

バクテリオロドプシンのプロトン

竹村俊晃、小野第 9 回量子化学スク

2019 年

国

貯蔵・放出過程に関する DC-DFTB-MD

純一、西村好史、 ール

12 月

内

シミュレーション

中井浩巳

Python による量子化学計算

田嶋一輝、吉川

第 9 回量子化学スク

2019 年

国

武司、中井浩巳

ール

12 月

内

Mg-MOF-74 による二酸化炭素固定化

土屋佑太、周建第 9 回量子化学スク

2019 年

国

反応の DFTB-MD, MetaD シミュレー

斌

ール

12 月

内

ション

Wibawa Sakti、、Aditya中井浩巳
ハイスループット・シミュレーショ

清 水 伊 織 、

第 9 回量子化学スク

2019 年

国ンに向けた MD 計算の自動化

Aditya

ール

12 月

内

WibawaSakti、藤波美起
登、中井浩巳別添 1-63

（c）招待講演発表した成果（発表題目）

発表者氏名

発表した場所（学会

発表し

国

等名）

た時期

内
・
外
の
別

Selected

coupled-cluster

and

天能精一郎

stochastic perturbation theory

New

Frontiers

inElectron2019 年

国

6月

外Correlation
Workshop
Full coupled-cluster reductionforstrongly

天能精一郎

correlated

electrons

9th

Molecular

2019 年国Quantum

Mechanics

6月

外2019 年

国

7月

外2019 年

国

9月

外2019 年

国10 月

外Conference(MQM2019)

Explicitly correlated F12 theory

天能精一郎

10th

Triennial

on modern electronic structure

Congressofcalculations

International
SocietytheforTheoretical
ChemicalPhysics(ISTCP2019)
Full coupled-cluster reductionforstrongly

天能精一郎

correlated

The

Ninth

Conference of theelectrons

Asia-Pacific
Association

ofTheoreticalandComputational
Chemists(APATCC2019)
Selected

coupled-cluster

for

天能精一郎

strong electron correlation

Workshop
Strongly
CorrelatedElectrons

別添 1-64onMaterials

designofT. Nakajima,

Asia-Pacific2019 年国

hole-transporting materials forT. Matsuoka

Conference

on

10 月

外

Theoretical&2019 年

国

7月

内新化学技術推進協会

2019 年

国第一原理シミュレーションによる先端化学・材料技術

5月

内

新材料設計

部会講演会
“AI と有機合成化

2020 年

国

分子シミュレーションとインフォ学” 第 4 回公開講演

2月

内

マティクスによる新材料設計会
理研シンポジウム

2019 年国

ミュレーションとインフォマティ

第 20 回 分析・解析

12 月

内

クス～NMR を中心に技術と化学の最先端
量子科学技術研究開2019 年

国発機構学術情報流通11 月

内

第 5 回キャタリスト

2019 年国

ィクスの融合による新材料設計 –インフォマティクス

11 月

内富岳に向けて–”シンポジウム開拓プロジェクト

2019 年

国｢階層縦断的アプロ

4月

内2019 年

国

5月

外perovskite solar cells

Computational
Chemistry 2019
京を利用した第一原理計算とマテ中嶋隆人

高分子同友会勉強会

リアルズ・インフォマティクスによる新材料設計スーパーコンピュータを利用した

スーパーコンピュータを利用した分析・解析技術としての量子化学シ

驚くべきスパコンの世界–その活用

中嶋隆人

中嶋隆人

中嶋隆人

中嶋隆人

と未来展望–

講座
シミュレーションとインフォマテ

第一原理計算とスーパーコンピュ

中嶋隆人

中嶋隆人

ータによる新材料設計ーチによる革新的光エネルギー変換系の開拓｣第 1 回シンポ
ジウム
Post

Lithium

Ion

Batteries:

Saeid

International

Characterization of Phosphorous

ARABNEJAD,

Conference

and Tin for Potassium-ion Anodes

Megumi KOJIMA、 Material

Strength

KoichiandAppliedYAMASHITA

Mechanics

on

(MSAM

2019)
(Kiev, Ukraine)
別添 1-65

Post

Lithium

Ion

Batteries:

Saeid

EMN

Amsterdam

2019 年国

Theoretical Characterization of

ARABNEJAD,

Meeting

2019

6月

外

Phosphorous

Megumi KOJIMA、 Energy

2019 年

国

4月

外2019 年

国

8月

外

and

Tin

for

Potassium-ion Anodes：

Storage

KoichiMaterials

YAMASHITA（ Amsterdam 、 The
Netherland)

ChargeCarrierTrapping

Surface

Defects

andatOpticalKoichi2019

Yamashita

Meeting & Exhibit

Properties of Perovskites

MRS

SpringSymposium

ES15:

Fundamental
Understanding
theofMultifaceted

Optoelectronic
Properties

ofHalide Perovskites
Entropy

Promotes

Chargein

Bulk

Separation
Heterojunction

KoichiThe

Yamashita

International

Organic

24th

Workshop on QUANTUM

Photovoltaics

SYSTEMSIN

CHEMISTRY,PHYSICS,AND

BIOLOGY(QSCP-XXIV)(Odessa, Ukraine)Electronic Structures of Doped

Koichi5th EMN Meeting on

2019 年国

BaTaO2N: A DFT Study & Carrier

Yamashita,

Computation

11 月

外

Relaxation Time of BaTaO2N

Hiroki

Theory2019 年

国

4月

外

and

Iriguchi,Masanori
KanekoDFT Studies on Li-Ions Around
Electrode-Solid
Interfaces

via

館山佳尚

Electrolyte

2019

MRS

SpringMeeting and Exhibit

Efficient

Structure Search Techniques

別添 1-66

Approaches

andChallenges

inRandy Jalem

2019 年

国Open Seminar Series

6月

内

第 74 回固体イオニ

2019 年

国

クス研究会

7月

内

CPMD Meeting 20192019 年

国

7月

外2019 年

国

9月

外2019 年

国9月

内2nd Asian Workshop

2019 年国

Disordered

on

10 月

外

Solid-Solid

First-Principles

2019 年

国

10 月

外Finding Promising Novel Solid

44th

NIMS-MADISElectrolytes forAll-Solid-State
Battery Application by Materials
Simulations and Machine Learning
Techniques
第一原理計算からみた蓄電池界面

館山佳尚のイオン・電子状態

DFT

sampling

approachof

館山佳尚interface and surface processes
in battery and catalyst
DFT

studies

electronic

on

ionic

statesand館山佳尚

around2nd

conference on Solidelectrode/solid-electrolyte

Electrolytesinterfaces

Advanced

via

World

efficient

structure search techniquesforApplications:
Garnets

andCompetitors
第一原理計算と反応速度論の融合

石川敦之

第 124 回触媒討論会

による触媒活性の理論的予測

DFT Sampling Studies on Interface
Ionicsat

Heterogeneous

館山佳尚

Interfaces

Electronic
structure
Calculations(ASIAN-22)

Smart

and

Exploration

Data-efficient
of

Novel

Randy Jalem

SolidElectrolytes by DFT and Machine
Learning

別添 1-67

NIMS WEEK 2019

Computational

and2019 年

国11 月

外The 5th EMN Meeting2019 年国

on Computation and

11 月

外

第 29 回日本 MRS 年次

2019 年

国

大会

11 月

内

第 58 回玉城嘉十郎

2019 年

国

教授記念公開学術講12 月

内第 33 回分子シミュ2019 年

国

レーション討論会

12 月

内

高分子同友会勉強会

2020 年

国1月

内

第 4 回元素戦略シン2020 年

国

ポジウム

2月

内

日本物理学会 20192019 年

国

次電池電解液開発に向けた理論的

年秋季大会(岐阜大

9月

内

研究

学)

Electrochemistry

Theoretical
of

館山佳尚

Li-ion

10th

Asian

ConferenceonStates around Electrode / Solid

Electrochemical

Electrolyte Interfaces

Power Sources 2019
(ACEPS10)

Density functional theory-based
microkinetic

analysis

石川敦之

ofoxidative coupling of methane
catalyzed

by

pure

Theoryandlithium-doped magnesium oxide
DFT and informatics approaches
forfindingnovel

Randy Jalem

solidelectrolytes for all-solid-statebatteries
エネルギー物質科学と界面イオニ

館山佳尚

クス・エレクトロニクス

演会
第一原理酸化還元反応シミュレー

館山佳尚

ション

「京」を用いた蓄電池の計算科学研

館山佳尚

究

「京」コンピュータを駆使した第一館山佳尚

原理 MD 法による電解液開発支援

計算分子技術 Red Moon 法による二長岡正隆

別添 1-68

Toward

Understanding

2019 年

国

9月

内Twenty-fourth2019 年国Technology for Complex ChemicalInternational

8月

外Reaction

Workshop on Quantum

APATCC20192019 年国Technology for Complex Chemical

（

10 月

外

Reaction

Business School of

新電池構想部会「電2019 年

国

理論化学的研究：計算分子技術 Red

解質の革新とナトリ

9月

内Moon 法の適用

ウムイオン蓄電池の化学反応経路探索の2019 年

国けた自由エネルギー面探索：溶液中

ニューフロンティア

9月

内の構造最適化と振動解析（SRPS2019）(名古屋

Mechanism

Reactionof

M. Nagaoka

Enzymatic

The

10th

ToyotaRIKEN

Catalyzation: A Treatment using

International

Red Moon Methodology

Workshop on Scenceof Life Phenomena
Woven by Water andBiomolecules(Toyota

PhysicalandChemicalResearch
Institute)A

Computational

Molecular

Systems:Red

M. Nagaoka

Moon

Methodology

Systemsin

Chemistry,
Physics,

andBiology(QSCP-XXIV),(Odessa,Ukraine)A

Computational
Systems:

Molecular
Red

M. Nagaoka

Moon

Methodology

Abercrombie

the University ofSydney）

二次電池用電解液の開発に向けた

長岡正隆

新展開」（AP 横浜）
化学反応エルゴードグラフィに向

北村勇吉

大学)

別添 1-69

分子動力学計算と NMR 測定による

吉井範行

両親媒性分子集合体の溶液化学
Solutionchemistry

第 42 回溶液化学シ

2019 年

国

ンポジウム

10 月

内

2019 年

国

11 月

外2019 年

国11 月

外第 28 回ポリマー材

2019 年国

料フォーラム, ウィ

11 月

内

of

amphiphilic molecular assemblies
bymolecular

calculations

dynamics
andNMR

measurements
Molecular

dynamics

thermodynamic
polymerstudy

stabilityofof

T. Taddese,TheaM. Kitabata,International

S. Okazaki

Conference

solution;non-solvent

inducedphase

separation

of

5th
on

Molecular

PVDF/NMP/water

Simulation,

Lotte

Hotel Jeju(Korea)
All-atomMolecularStudy

ImpactofDynamics

FractureofGlassy Polymers

K. Fujimoto,The

Z. Tang,

International

S. Okazaki

Conference

5thon

Molecular
Simulation,

Lotte

Hotel Jeju(Korea)
高分子材料の大規模分子動力学計

岡崎 進

算の現状

ンクあいち
All-Atomistic Molecular Dynamics

K. Fujimoto,Materials Research2019 年国

Study

Z. Tang,

Meeting 2019, 横浜

12 月

内

S. Okazaki

シンポジア

矢ケ崎琢磨

第 55 回 GH 研究会

2019 年

国

8月

内シンポジウム「氷の2019 年

国

分子科学 II」（埼玉

10 月

内

第 65 回熱エネルギ

2019 年

国

ー有効利用研究会

11 月

内

of

ImpactFractureofGlassyPolymers
分子動力学シミュレーションによるクラスレートハイドレートの生成・分解と阻害剤の研究
水と氷の準安定状態の相図

矢ケ崎琢磨

大学）
水，氷，クラスレートハイドレート

田中秀樹の基礎科学とその工学的可能性

別添 1-70

水，氷，包接水和物の安定性と熱物

田中秀樹

性

スーパーコンピュー2019 年

国

タワークショップ

12 月

内PCoMS シンポジウム

2019 年

国＆計算物質科学スー

10 月

内2019 年

国

6月

外2019 年

国

6月

外2019 年国

7月

内2019 年国

7月

内2019 年

国

7月

外

2019
固体表面で生じる熱い氷

松本正和

パーコンピュータ共用事業報告会A new strategy for reaction path

TetsuyaThe

concept and dynamics effects

Taketsugu,

International

TakuroAnnual Symposium on

Tsutsumi,

andYuriko Ono

23rdComputational
ScienceandEngineering(ANSCSE23)
Methane to Ethane Conversion by

Y. Ohtsuka,

The

LiquidA. Nakayama,International

Y.

Annual Symposium on

Metal

Indium:A

DFT

Mechanistic Study

Nishikawa,

23rd

H. Ogihara,

Computational

I.

Science

Yamanaka,and J. Hasegawa

andEngineering(ANSCSE23)

Reaction pathways and dynamics oftheexcited-state

T. Taketsugu

International

branchingSymposium

reaction of stilbene derivatives

Ultrafaston

Molecular Dynamics(UMD2019) (Sendai)
理論化学の視点からの触媒(Computational

高 敏

XV

catalysis:

INTERNATIONAL

WORKSHOP ON QUANTUM

Theory, Models and Applications)

REACTIVESCATTERING(QRS2019 Workshop)(Saitama)

A

DFT

Mechanistic

Study

of

Y. Ohtsuka,

7thDehydrogenative Methane Coupling

A. Nakayama,

symposiumofby Liquid Metal Indium

Y.

Institutefor

Nishikawa,

H. Ogihara,
I.

Yamanaka,and J. Hasegawa
別添 1-71

international

Catalysis

メタン脱水素カップリングにおけ長谷川淳也

る液体インジウムの触媒機構に関第 124 回触媒討論会

2019 年

国（長崎大学）

9月

内文部科学省 ポスト2019 年

国「京」重点課題５ 連

9月内2019 年

国

9月

外2019 年

国

9月

外2019 年

国

9月

外する理論的研究
二酸化炭素の有効利用に向けた理長谷川淳也

論と実験のインタープレイ

携推進ワークショッ
プ サブ課題Ｃ エネ
ルギー・資源の有効利用－化学エネルギー（東京）
Reaction path concept: Intrinsic

TetsuyaThe

Reaction Coordinate, Anharmonic

Taketsugu,

Asia-Pacific

Downward Distortion Following,

TakuroAssociationofand Ab Initio MD

Tsutsumi,

TheoreticalandShuichiComputational

Ebisawa,and9thChemists

Yuriko Ono(APATCC-9)

for

Manussada

TheofRatanasak,

Asia-PacificandJingyuan Deng,

Associationof

Cyclohexene Oxide Catalyzed by

Hideki Tokuda,

Theoretical

and

Novel

Chihiro Maeda,

Computational

Tadashi

Chemists

Theoreticalthe

Investigation
Mechanism

Copolymerization

of

CO2

Bifunctional

Al(III)

Porphyrin Catalyst

Kyoko

Ema,
Nozaki,9th(APATCC-9)

Jun-yaHasegawa
Surfacemodel

calculation

MasatoThe

databaseforpredicting

Kobayashi,

Asia-PacificAn

HarukaAssociation

of

steam

Tetsuya

TheoreticalandTaketsugu

Computational

catalytic
application
reforming

activity:tomethaneOnoda,

Chemists(APATCC-9)

別添 1-72

9thReaction

path

concept

dynamics

effects:abandT. Taketsugu

initioICReDDworkshop:2019 年

国10 月

内2019 年

国10 月

内2019 年

国

11 月

外2019 年

国11 月

外

第３５回化学反応討2019 年

国

論会

6月

内

2019 年

国

7月

外International

approach&Interdisciplinary
Workshopon

Chemical

Reaction

Dynamics-

Mathematics
Informatics,

andPhysics

Meet

Chemistry(Sapporo)
量子化学計算に基づくダイナミク

武次徹也

ス研究の展開

日本化学会

2019

青森地区講演会（弘前）Excited-state branching reaction

T. Taketsugu

of stilbene derivatives

Theoretical
High

and

Performance

Computational
Chemistry

2019(ICT-HPCC19)(Guiyang, China)
Theoreticalelucidation

photo-reaction
applications

ofT. Taketsugu

mechanism:
to

The

15th

Nanjing

University-Hokkaid

stilbeneoderivatives

University-NIMS

Joint

Symposium(Nanjing, China)
Theoretical

AnalysesCondensed-Phase
Reactions

of

中井浩巳

Chemical
BasedonDivide-and-Conquer
Density-Functional
Tight-Binding Molecular Dynamics(DC-DFTB-MD) Simulations
Relativistic density functional
theorywith

Hiromi Nakai

picture-change

corrected electron density

10th

congresstheInternational

Societyofof

Theoretical
Chemical(ISTCP-X)
別添 1-73

Physics

Orbital-free density functional

J. Seino,

2nd Global Forum on

2019 年国

theory calculation combined with

R. Kageyama,

Advanced Materials

7月

外semi-local

M. Fujinami,andTechnologies

Y. Ikabata,for

Sustainable

H. Nakai

Development
第 29 回格子欠陥フ2019 年国ォーラム「格子欠陥

9月

内第 57 回日本生物物

2019 年

国

理学会年会

9月

内

2019 年

国

9月

外2019 年

国9月

外machine-learned

kinetic

energydensityfunctional(GFMAT-2)
インフォマテクスを導入した密度

清野淳司

汎関数理論の開発とマテリアルズ・イ
ンフォマティクス」
Clarification of proton transfer

JunichiOno,reactions

in

Chika

Okada,

proteins

using

quantum

molecular

photoreceptive
large-scale

Yoshifumi

dynamics

Nishimura,simulations

Hiromi Nakai

How Can Artificial Intelligence

Hiromi Nakai

Help Quantum Chemists?

The

Ninth

Conference of the
Asia-Pacific
Association

ofTheoreticalandComputational
Chemists(APATCC2019)
Machine-learned

electron

YasuhiroThe

correlation model for accurate

Ikabata,

Conference of the

reproduction

TakuroAsia-PacificNudejima,

Association

of

Junji

Theoretical

and

of

correlationenergy at the basis-set limit

Seino,

Ninth

TakeshiComputational

Yoshikawa,

Chemists

Hiromi Nakai

2019)

別添 1-74(APATCC

Density-Functional

AdityaWibawaTight-Binding Metadynamics Study

Sakti,

Conference of theof Oxy-Carbon Diffusion on (100)-

Chien-PinAsia-Pacificγ-Al2O3 Surface

Chou,

Association

ofTheoreticalandHiromi

Nakai

The

Ninth

2019 年

国

9月

外2019 年

国9月

外

CECAM-Workshop

2019 年国"Thinking

10 月

外2019 年

国10 月

内2019 年

国11 月

外Computational
Chemists(APATCC2019)
Large-scale

JunichiOno,molecular dynamics simulations

Chika

Okada,

for

Yoshifumi

Asia-PacificNishimura,

Associationof

Hiromi Nakai

Theoretical

and

the

quantum-mechanicallong-distanceprotontransfer in bacteriorhodopsin

The

Ninth

Conference of theComputational
Chemists(APATCC2019)
Semi ‐ local

machine-learned

kinetic

energyfunctional

with

Hiromi Nakai

density
third-orderoutsidethe box - beyond

gradients of electron density

machinelearning

forquantumchemistry"
GPU-Accelerated

Large-Scale

Excited-State Simulation Basedon

Takeshi

8th ADAC Workshop

Yoshikawa

Divide-and-Conquer

Time-Dependent
Density-Functional
Tight-Binding
Machine-Learned

Correlation

Yasuhiro

The

Model for Accurate and Efficient

Ikabata,International

Computation

TakuroConference

Nudejima,

Molecular

Junji

Simulation

EnergyofCorrelation

Seino,

Takeshi
Yoshikawa,
Hiromi Nakai

別添 1-75(ICMS2019)

5thon大規模量子化学計算の開発と量子

吉川武司

計算への適用に向けて

別添 1-76

量子化学と量子情2019 年

国報・量子生命の接点

12 月

内２．学会誌・雑誌等における論文掲載
掲載した論文（発表題目）

発表者氏名

発表した場所（学会

発表し

国誌・雑誌等名）

た時期

内
・
外
の
別

Effectof

S.Tanimoto,J.Chem. Inf.

2019 年国

N.Yoshida,

Moldel., 59

8月

外Solvation Free Energy Computed by

天能精一郎、

3770-3781(2019)

Reference Interaction Site Model

H. Nakano

Orientational

Molecular
Correlations

on

TheoryStochastic perturbation theory

B.Ladoczki,

J.Chem.Phys., 151

2019 年

国

in a limited configuration space

天能精一郎

114113(2019)9月

外Second-order perturbation theory

T. Tsuchimoch,

J. Chem. Theor.

2019 年

国

with

天能精一郎

Comp., 15 6688

10 月

外

spin-symmetry

projected

Hartree-Fock
Trajectory(2019).
surface

hopping

N. Minezawa,J. Chem. Phys. 150,2019 年

国

molecular dynamics simulation by

T. Nakajima

204120 (2019).

5月

外

spin-flip time-dependent density

10.1063/1.5096217

functional theory
Electron dynamics method using aT. Yonehara,

Chem. Phys. 528,2020 年

国

locally projected group diabatic

T. Nakajima

110508 (2020).

1月

外Fock matrix for molecules and10.1016/j.chemphys

aggregates.2019.110508

Excited-State Dynamics in NTChem

T. Yonehara,in Molecular2019 年国

N. Minezawa,

Spectroscopy: A

5月外T. Nakajima

Quantum Chemistry
Approach, edited by
Y. Ozaki, M. J.
Wojcik, J. Popp
(Willey), 43–78(2019).

別添 1-77

Quantummechanical/molecular

N. Minezawa,J. Chem. Phys. 152,2020 年国

mechanicaltrajectory

T. Nakajima

024119 (2020).

1月

外

E.

J. Photochemistry &2019 年国

M. Fujii,

Photobiology A:

5月外

K. Yamashita

Chemistry, 382,

hoppingsurfacemolecular

dynamicsbyspin-flip

simulation
time-dependent

densityfunctional theory
Entropy

Promotes

Chargein

Bulk

Separation
Heterojunction

Organic

Kawashima,

Photovoltaics

111875 (6 pages)(2019)

ImportanceofSide-Chainson

K. Mishima,

ACS Omega, 4,

2019 年

国

Molecular

CharacteristicsofK. Yamashita

10396-10404 (2019)6月

外First-principles approach to the

J. Nagakubo,Chem. Phys. 528,2020 年

国

first step of metal – phosphine

T. Nishihashi,

110512 (2020)

1月

外

bond

K. Mishima,

Interacting Organic Molecules

formation

alloyedtoquantum

synthesize
dots

using

K.Yamashita

OxygenYoshiyuki

J.Phys.Chem.c2019 年国

Reduction Reaction Intermediates

Yamamoto,Shusu

2019, 123, 32,

7月

外at Defective TiO2 Surfaceske19486-19492

dissimilar metal precursor
Scaling

Relationof

Kasamatsu,Osamu Sugino
Reaction Energy Benchmarks ofAtsushiJ. Comp. Chem. 40,

2019 年国Hydrocarbon

byIshikawa,

1866-18734月

外Gaussian Basis and Plane Wave

Yoshitaka

Basis Approaches

Tateyama
Chizu

Phys. Chem. Chem.

2019 年国

fluorinated boron-doped diamond

Yamaguchi,

Phys. 21, 13788

6月

外electrodes

via

KeisukeplasmaNatsui,Electrochemical

Combustion

properties

fluorine-containing
treatment

of

Shota

Iizuka,Yoshitaka
Tateyama,
Yasuaki Einaga

別添 1-78

Theoretical picture of positive

Yoshitakaelectrode / solid electrolyte

Tateyama,interfacebattery
and

Bo

in

all-solid-state

Gao,

Randy

from

electrochemistry

Jalem,

Jun

semiconductor

physics

Curr. Opin.

2019 年国Electrochem. 17,

6月

外

149-157

Haruyama

viewpoints
On principal features of organic

Takao Tsuneda,

Phys. Chem. Chem.

2019 年

国

electrolyte molecules in lithium

YoshitakaPhys. 21,10 月

外ion battery performance

Tateyama

22990-22998

Machine learning prediction ofAtsushiPhys. Chem. Chem.

2019 年国

coordination energies for alkali

Ishikawa,

Phys. 21,

11 月

外

group

Keitaro26399-26405

elements

inbatteryelectrolyte solvents

Sodeyama,
Yasuhiko
Igarashi,
Tomofumi
Nakayama,
Yoshitaka
Tateyama,
Masato Okada

Li+ Transport Mechanism at the

Bo Gao, Randy

Chem. Mater. 32,

2019 年国

Heterogeneous

Jalem, Yanming

85-96

11 月

外

Phys. Rev. Mater.

2020 年

国4, 015401

1月

外Electrolyte

Cathode/Solid
Interfaceinan

All-Solid-State Battery via theFirst-Principles

Ma,

Yoshitaka

Tateyama

Structure

Prediction Scheme
Possible high-potential ilmenite

M.

H.

N.

type Na1MO3 (M = V–Ni) cathodes

Assadi,realized by dominant oxygen redox

Masashi Okubo,

reaction

Atsuo

Yamada,Yoshitaka
Tateyama

別添 1-79

Li-ion transport at the interface

Takeshibetween a graphite anode andLi2CO3

Phys. Chem. Chem.

2020 年国

Keitaro

Phys

2月

外

electrolyte

Sodeyama,

DOI:

interphase: ab initio molecular

Yoshiumi

10.1039/c9cp06608j

dynamics study

Kawamuraa

solid

Baba,

and

Yoshitaka
Tateyama
Microscopic Origin of the Solid

A. Bouibes,

The Journal of2019 年国Electrolyte Interphase Formation

N. Takenaka,

Physical Chemistry

9月

外

in

S. Saha,Letters,

M. Nagaoka

10,5949-5955,

Fire

Extinguishing

Electrolyte: Formation of Pure
Inorganic Layer in Highly Salt

(2019)

Concentration
Computational

Molecular

Technology

TowardChemicalPhenomena:Red

Methodology

andMacroscopic
its

Moon

Realated

Applications

M. Nagaoka,

Molecular

2019 年国

M. Takayanagi,

Technology, Volume

8月

外

Y. Suzuki,

3: Materials

K.

Innovation,(Eds.,

Matsumoto,

S.K.Sankaran,

H. Tamamoto, T.

P. Uppula,Kato), P.201-234,

Y. Kitamura(2019)

in

C. Bistafa,

Journal of Chemical

2019 年国

Solution Through Perturbative Ab

Y. Kitamura,

Theory and

6月

外InitioM.

Computaion, 15,

Martins-Costa,

4615-4622, (2019)

Vibrational

Spectroscopy

Molecular

Dynamics

Simulations

M. Nagaoka,
M. Ruiz-Lopez
Electrode Polarization Effects

T. Inagaki,

Journal of2019 年国

on Interfacial Kinetics of Ionic

M. Nagaoka

Computational

6月

外Liquid at Graphite Surface: An

Chemistry, 40(24),Extended

2131-2145, (2019)

Constant

Lagrangian-based
Potential

Molecular

Dynamics Simulation Study

別添 1-80

Impact of Cis- versus Trans-

K. Miyazaki,

ACS Applied

2019 年国

Configuration

N. Takenaka,

Materials &4月

外T. Fujie,

Interfaces,

E. Watanabe,

11(17),

Interphase Formation Processes

Y. Yamada,

15623-15629 (2019)

in Lithium-Ion Batteries

A. Yamada,of

Butylene

CarbonateElectrolyte

Microscopic

Solid

on

Electrolyte

M. Nagaoka
Developmentof

dissociative

K. Fujimoto ,J. Comput. Chem.

2019 年

国

force field for all-atomistic

R. S. Payal,

2019, 40, 2571–

7月

外

molecular dynamics calculation

T. Hattori,

2576.

of fracture of polymers. Shinoda,

DOI:

M. Nakagaki,

10.1002/jcc.26034

S. Sakaki,
S. Okazaki
Performance evaluation of the

S.Ohshima,

Proceedings - 20192019 年

国

MODYLAS application on modern

S.Suzuki,IEEE 33rd

5月

外

multi-core

T.Sakashita,

International

M.Ogino,Parallel and

T.Katagiri,

Distributed

Y.Andoh,

Processing

andmany-coreenvironments

Symposium
Workshops, IPDPSW
2019, 787-796.
DOI:
10.1109/IPDPSW.201
9.00129.
Structure of Hydrated Crystal

K. Takeda,

Langmuir, 35,

2019 年

国(Lc), Tilted Gel (L β '), and

Y. Andoh,

9011-9019.

6月

外Liquid Crystal (L α ) Phases of

W. Shinoda,

LinearAlkylbenzene

S. Okazaki(LAS)

StudiedDiffraction

Sulfonate
by

and

X-ray
Molecular

Dynamics Simulation
Molecular

Behavior

AlkylbenzeneofLinearK. Takeda,

Langmuir, 35,

2019 年国inY. Andoh,

10877-10884.

8月

外

Sulfonate

Hydrated Crystal, Tilted Gel, andW. Shinoda,

Liquid Crystal Phases Studied by

S. Okazaki

Molecular Dynamics Simulation
別添 1-81Hydrogen Permeation in Hydrated

K.Takeuchi,

The Journal of2019 年

国

Perfluorosulfonic Acid Polymer

An-Tsung

Physical Chemistry

8月

外Membranes:

T.Hirai,C, 123,

T.Miyajima,

20628-20638.

EffectCrystallinity

of

and

PolymerEquivalent

WeightKuo,

S.Urata,
S.Terazono,
S.Okazaki,W.Sh
inoda

Molecular

dynamics

study

K. Takeda,

J. Comput. Chem. 40

2019 年国

solubilization of cyclohexane,

K. Fujimoto,(2019), 2722-2729

8月

外benzene, and phenol into mixed

N. Yoshii,

DOI:

micellesS. Okazaki

10.1002/jcc.26047

Large-scale Molecular Dynamics

A. Kuo,Polymer, 181 (2019)2019 年国Simulation of Perfluorosulfonic

Y. Miyazaki,

121766.

8月

外

Acid

C. Jang,

K.Fujimoto,

Polymer, 178 (2019)2019 年国

Z.Tang,121570.

9月

外POLYMER, 170

2019 年国(2019), 113-119

4月

外composedofof

sodiumdodecyl sulfate and octaethylene
glycol monododecyl ether

Membranes:

Remapping

Coarse-Grained to All-Atomistic

T. Miyajima,

Simulations

S. Urata,
S.O.Nielsen,
S. Okazaki,
W. Shinoda

All-atommolecular

study

impactofdynamics

fractureofglassy polymers. I: Molecular

W.Shinoda,

mechanism of brittleness of PMMA

S.Okazaki

and ductility of PC
Molecular mechanism of material

R.S.

deformation

K.

and

failurein

Payal,
Fujimoto,butadiene rubber: Insight from

C. Jang,

all-atomdynamics

S. Wataru,

simulation using a bond breaking

Y. Takei,

potential model

H. Shima,

molecular

K.Tsunoda,
S.Okazaki

別添 1-82

Fast multipole method for three

N. Yoshii,

J Comput Chem.

2020 年国

dimensional

with

Y. Andoh,

2020;1–9.

1月

外

periodic boundary condition in

S. Okazaki

https://doi.org/10

systems

two directions.1002/jcc.26141

Extension of the fast multipole

Y. Andoh,

J Comput Chem.

2020 年国

method for the rectangular cells

N. Yoshii,

2020;1–15.

2月

外with an anisotropic partition

S. Okazaki

https://doi.org/10

tree structure.1002/jcc.26180

Negative Thermal Expansivity of

M. M. Huda,

Crystals 9, 248,

2019 年国

Ice: Comparison of the Monatomic

T. Yagasaki,

1-11 (2019).

5月

外

mW

M.

J. Chem. Phys. 150,2019 年

国214504, 1-6 (2019).

6月

外

T. Yagasaki,

J. Chem. Phys. 150,2019 年

国

aqueous solutions: A molecular

M.

214506, 1-8 (2019).

6月

外dynamics study

H. Tanaka

Formation of hot ice caused by

T. Yagasaki,

J. Chem. Phys. 151,

2019 年国

carbon nanobrushes

M. Matsumoto,064702, 1-8(2019).

6月

外

Model

with

the

All-Atom

TIP4P/2005 Water Model
A

BayesianMatsumoto,H. Tanaka

approachforM.

Matsumoto,identification of ice Ih, ice Ic,

T. Yagasaki,high density, and low density

H. Tanakaliquid water with a torsional
order parameter
Liquid-liquid

separationof

Matsumoto,H. Tanaka
On the role of intermolecular

H. Tanaka,

J. Chem. Phys. 151,

2019 年

国

vibrationalmotionsice

T. Yagasaki,

114501 1-14 (2019).

9月

外polymorphs

I:

Volumetric

M. Matsumotoforproperties of crystalline andamorphous ices
On the role of intermolecular

H. Tanaka,

J. Chem. Phys. 152,2020 年

国

vibrationalmotionsice

T. Yagasaki,

074501 (2020).

2月

外polymorphs

II:

AtomicM. Matsumotoforvibrational

amplitudes

andlocalizationofinphononsordered and disordered ices

別添 1-83

DFT Mechanistic Study on the

R. Miyazaki,

J. Phys. Chem. C,

2019 年

国Complete Oxidation of Ethylene by

N. Nakatani,123, 12706-12715

5月

外

the

S.

Mol. Catal., 475,

2019 年

国

110459 (2019)6月

外

L. Zhao,J. Org. Chem., 84,2019 年国

Rhodium-Catalyzed

N. Nakatani,8552-8561 (2019)6月

外Hydrosilylation of C=C and C=O

Y. Sunada,

Double Bonds with Tertiary Silane

H.

J. Chem. Phys.,2019 年

国

151, 064104 (2019).

8月

外Silica-Supported

Pt

V.

Catalyst: C═C Activation via the

Levchenko,

Ethylene Dioxide Intermediate

T. Yokoya,(2019)

K. Nakajima,
K. Hara,A. Fukuoka, and
J. Hasegawa
Adsorption Mediated Tandem Acid

D.

Catalyzed Cellulose Hydrolysis

Chavez, M. Gao,by

H.

Ortho-substituted

Benzoic

Acids

P.

De

Kobayashi,

A. Fukuoka,
J. Hasegawa

Theoretical

Study

on

the

Nagashima,

J. Hasegawa
Anharmonic

Vibrational

Computations with a Quartic Force

Y.

Field

R. Tani,for

Curvilinear

Coordinates

Harabuchi,

N. DeSilva,
B. Njegic,
M. S. Gordon,
andT. Taketsugu

Roles of silver nanoclusters in

T. Tsuneda,

J. Chem. Phys.,2019 年

国

surface-enhanced

T. Iwasa, and151, 094102 (2019).

9月

外

Raman

spectroscopy

T. Taketsugu

Theoretical Study on the C-H

Y. Ohtsuka,

J. Phys. Chem. A,

2019 年国

ActivationY.

123, 8907-8912

9月

外

of

Methaneby

Nishikawa,

Liquid-Metal Indium: Catalytic

H. Ogihara,

Activity of Small Indium Clusters

I. Yamanaka,
M.

Ratanasak,A. Nakayama,
J. Hasegawa

別添 1-84(2019)

Observations

K. Sakaushi,

Current Opinion in2019 年国

A. Lyalin, andElectrochemistry,

11 月

外

transfer electrode processes

T. Taketsugu

19, 96-105 (2020).

L-cysteine modified acacia gum as

Q. Qi, Y. Deng,ACS Appl. Mater.

2019 年国aS. Gu, M. Gao,

Interfaces, 11,

11 月

外

J. Hasegawa, G.

47956-47962 (2019)

quantumandtheories

effectsinmultifunctionalofprotonbinderforlithium-sulfur batteriesZhou, X. Lv, W.
Lv, Q-H. Yang,
Single-Phase

N. A.

ACS Nano, 13,2019 年

国

Structure

Vinogradov,14511-14518

12 月

外

and Decoupling from the Support

A. Lyalin,(2019).

J. Comput. Chem.

2020 年

国

Jap., in press.

2月

内2019 年

国

Ir(111):

Borophene

Formation,on

T. Taketsugu,
A. S.
Vinogradov,and A.
Preobrajenski
Surfaceadsorption

calculation

databaseapplication

toprediction

of

model
and

its

activity
heterogeneousM.

Kobayashi,

H. Onoda,
Y. Kuroda, andT. Taketsugu

catalysts
分割統治型密度汎関数強束縛分子

中井 浩巳, 西表面と真空 62 巻 8

動力学(DC-DFTB-MD)法による表面

村号 P.486-491（2019） 4 月

内反応シミュレーション：Pt(111)表Aditya面上のプロトン拡散

Sakti, Tanabat

A. Sakti,

WIREs

2019 年国Y.

Computational

4月

外

好 史 ,
WibawaMudchimo,

周建斌
RecentAdvances

Quantum-Mechanicalin
Molecular

Dynamics Simulations of Proton

Nishimura,

H. NakaiMolecular Science

Transfer Mechanism in Various

2019;e1419

Water-Based Environments

DOI:
10.1002/wcms.1419

Quantummechanicalmolecular

浦谷 浩輝, 周

Journal of Computer2019 年

国

dynamics simulations of polaron

建斌, 中井 浩

Chemistry, Japan

8月

内

formation in methylammonium lead巳

iodide perovskite

別添 1-85

３．プレス発表掲載された成果

発表者氏名発表メディア

発表時

国

期

内
・
外
の
別

複雑な固体材料界面の電子・イオン 館 山 佳 尚 ,

掲載：日刊産業新聞、 2019 年

国状態の高精度シミュレーション手

JALEM

NEWSPICK

内法を開発

GAO BoRandy,

別添 1-86

11 月

（５）特許出願状況
委託業務題目「エネルギーの高効率な創出、変換・貯蔵、利用の新規基盤技術の開発」
機関名 大学共同利用機関法人 自然科学研究機構
業務コー

実

発明の

ド

施

名称

年

発明者

出願

出願番号

登録

（出願日）

区分

度
14120014

01

分子科学研究所なし

別添 1-87

出願区分

出願国

登録番

メ

号（登録

モ

日）

別添 2

公開版

「エネルギーの高効率な創出、変換・貯蔵、利用の新規基盤技術の開発」
実施計画

平成 31 年 2 月 7 日
大学共同利用機関法人自然科学研究機構
分子科学研究所
岡崎

進

改訂履歴
版

項目

ページ

初版

主な改訂内容（概要）初版発行

平成 28 年 2 月 29 日
第2版

－

－

平成 29 年 6 月 12 日

諮問委員のご指摘、実験研究者からの意見等を反映し
更新

改訂履歴

－

新規追加

１．
（１）

1

表 1-1 国内外の主な関連プロジェクトを最新情報に
更新

１．
（２）

3

サブ課題Ｂを諮問委員のご指摘、実験研究者からの意
見等を反映し更新

１．
（３）

5～6

サブ課題Ｂを諮問委員のご指摘、実験研究者からの意
見等を反映し更新

１．
（３）

6～7

１．
（４）

9

サブ課題Ｃの計画を具体化
エネルギーの変換・貯蔵でサブ課題Ｂの更新に対応し
訂正

１．
（５）

11～18

サブ課題Ａは具体化・詳細化、サブ課題Ｂは諮問委員のご指摘、実験研究者からの意見等を反映し更新、サ
ブ課題Ｃは具体化・詳細化

１．
（６）

19

図 1-2 推進体制を最新情報に更新

１．
（６）

20

図 1-3 運営体制に担当者氏名、所属を追加

１．
（６）

23～27

１．
（７）

33

２－２．

47～55

表 1-2 平成 29 年度以降の実施体制を最新情報に更新
平成 29 年度分を配分量に更新
サブ課題Ｂ エネルギーの変換・貯蔵 –電気エネルギ
ーを諮問委員のご指摘、実験研究者からの意見等を反
映し更新

２－３．
（３） 59～61

目標・期待される成果を具体化

２－４－４．

66

stat-CPMD を最新情報に更新

別紙１

72～73

平成 29 年度の体制に変更

別紙２

74

所要経費区分を「委託契約事務処理要領の改正 （H29
年 3 月 17 日付け）」に対応し変更

第3版

別紙３

75

平成 29 年度分を配分量に更新

別紙４

76

平成 29 年度分を配分量に更新

別紙５

77～80

－

－

最新情報に更新
中間評価指摘事項を受け更新

平成 29 年 12 月 22 日

１．
（３）

8

図 1-1 ポスト｢京｣でなければできない研究をより具体化・詳細化１．
（５）

10

人工知能技術とシミュレーションの融合を作成、それに伴い１.実施概要の以降の項番を変更

１．
（７）

19

図 1-2 推進体制を最新情報に更新

１．
（７）

21

図 1-4 研究開発における連携についてを最新情報に
更新

２－４－５
４．
第4版

68
72～80

－

－

平成 30 年 3 月 26 日

表 2-4-1 基盤アプリ設計開発を最新情報に更新
中間評価時の指摘事項への対応状況を作成
平成 30 年度予算および｢京｣計算資源配分決定を反映
し更新

１．
（８）

33

平成 30 年度分を配分量に更新

別紙２

83

平成 30 年度の所要経費に更新

別紙３

84

平成 30 年度分を配分量に更新

別紙４

85

平成 30 年度分を配分量に更新

第5版

－

－

諮問委員会の審議結果を反映し更新

平成 30 年 5 月 31 日

１．
（２）

3～4

研究開発内容を最新情報に更新、具体化・詳細化

１．
（３）

6

サブ課題Ｂの計画を具体化・詳細化

１．
（３）

7

サブ課題Ｃの計画を具体化・詳細化

１．
（４）

9

最新情報に更新

１．
（５）

10～11

諮問委員会の審議結果及び運営委員会の検討結果を
反映し更新

１．
（５）

11

図 1-2 インフォマティクス活用ワーキンググループ
設置を追加、それに伴い１.実施概要の以降の図の項
番を変更

１．
（６）

12～20

年次計画を具体化・詳細化

１．
（７）

21～22

実施体制を最新情報に更新

１．
（７）

21

図 1-3 推進体制を最新情報に更新

１．
（７）

22

図 1-4 運営体制を最新情報に更新

１．
（７）

23

図 1-5 研究開発における連携についてを最新情報に
更新

１．
（７）

25～30

表 1-2 平成 30 年度以降の実施体制を最新情報に更新

１．
（７）

33～35

表 1-3 人員計画を最新情報に更新

２－１．
（５） 48～49

実施体制を最新情報に更新

２－１．
（５）

図 2-1-6 サブ課題Ａ実施体制を最新情報に更新

48

２－２．
（２） 51～53

実施内容を最新情報に更新、具体化・詳細化

２－２．
（３）

計画を具体化・詳細化

54

２－２．
（５） 57～58

実施体制を最新情報に更新

２－３．
（２） 60～61

実施内容を最新情報に更新、具体化・詳細化

２－３．
（３） 62～63計画を具体化・詳細化

２－３．
（４）

具体化・詳細化64

２－３．
（５） 64～66

実施体制を最新情報に更新

２－３．
（５）

66

図 2-3-7 サブ課題Ｃ実施体制を最新情報に更新

２－４－５．

70

最新情報に更新

２－４－５．

70

図 2-4-1 コデザインと重点課題間連携を最新情報に
更新

４．

75

図 4-1 出口に向けた産業界との連携を最新情報に更
新

４．

78

図 4-2 成果利活用の道筋を最新情報に更新

４．

83

表 4-2｢京｣を中核とする HPCI システム：利用実績のあるアプリケーションを更新

４．

84

図 4-3 大型国家プロジェクトとの連携を最新情報に
更新

別紙１

85～86

別紙２

87

平成 28 年度経費を確定値に更新－－実施体制の変更、平成 31 年度予算および｢京｣計算資第6版
平成 31 年 2 月 7 日

平成 30 年度の体制に更新

源配分決定を反映し更新
１．
（５）

11

図 1-2 インフォマティクス活用ワーキンググループ
設置を最新情報に更新

１．
（７）

21～22

実施体制を最新情報に更新

１．
（７）

21

図 1-3 推進体制を最新情報に更新

１．
（７）

22

図 1-4 運営体制を最新情報に更新

１．
（７）

23

図 1-5 研究開発における連携についてを最新情報に
更新

１．
（７）

25～30

１．
（８）

34

表 1-2 平成 31 年度以降の実施体制を最新情報に更新
平成 31 年度分を配分値に更新

２－１．
（２） 36～38

実施体制を最新情報に更新

２－１．
（５）

41

実施体制を最新情報に更新

２－１．
（５）

41

図 2-1-6 サブ課題Ａ実施体制を最新情報に更新

２－４－５．

59

図 2-4-1 コデザインと重点課題間連携を最新情報に
更新

４．

63

図 4-1 出口に向けた産業界との連携を最新情報に更
新

４．

64

図 4-2 成果利活用の道筋を最新情報に更新

４．（６）

66

参加者数を最新情報に更新

４．

67

表 4-2｢京｣を中核とする HPCI システム：利用実績のあるアプリケーションを最新情報に更新

４．（７）

67

大型国家プロジェクトとの連携数を最新情報に更新

４．

68

図 4-3 大型国家プロジェクトとの連携を最新情報に
更新

別紙１

69～70

別紙２

71

平成 31 年度の体制に更新
平成 29 年度を確定値に、平成 31 年度所要経費に更
新

別紙３

72

平成 31 年度分を配分量に更新

別紙４

73

平成 31 年度分を配分量に更新

内容
1．実施概要 .............................................................................. 1(1) 目的・意義 ........................................................................ 1(2) 研究開発内容 ...................................................................... 2(3) 目標・期待される成果 .............................................................. 4(4) 周辺領域への波及効果、課題全体における計算科学やシミュレーションの位置づけ ......... 8(5) 機械学習やデータサイエンスの技術活用の検討........................................ 10(6) 年次計画 ......................................................................... 12(7) 実施体制 ......................................................................... 21(8) 必要計算資源 ..................................................................... 34
2．研究開発内容詳細 ..................................................................... 35
2-1．サブ課題 A 新エネルギー源の創出・確保 － 太陽光エネルギー ....................... 35(1) 目的・意義 ....................................................................... 35(2) 実施内容 ......................................................................... 36(3) 目標・期待される成果 ............................................................. 39(4) 「京」でできていること、ポスト「京」でなければできないこと ........................ 40(5) 実施体制 ......................................................................... 41
2-2．サブ課題 B エネルギーの変換・貯蔵 － 電気エネルギー ............................. 42(1) 目的・意義 ....................................................................... 42(2) 実施内容 ......................................................................... 42(3) 目標・期待される成果 ............................................................. 45(4) 「京」でできていること、ポスト「京」でなければできないこと ........................ 48(5) 実施体制 ......................................................................... 48
2-3．サブ課題 C エネルギー・資源の有効利用 － 化学エネルギー ......................... 50(1) 目的・意義 ....................................................................... 50(2) 実施内容 ......................................................................... 51(3) 目標・期待される成果 ............................................................. 53(4) 「京」でできていること、ポスト「京」でなければできないこと ........................ 55(5) 実施体制 ......................................................................... 55
2-4．基盤アプリ設計・開発 ............................................................ 57
2-4-1．NTChem ........................................................................ 57
2-4-2．GELLAN ........................................................................ 57
2-4-3．MODYLAS ....................................................................... 57
2-4-4．stat-CPMD ..................................................................... 57
2-4-5．コデザイン .................................................................... 58
3．採択時の留意事項への対応状況 ......................................................... 61
4．中間評価時の指摘事項への対応状況 ..................................................... 63i別紙１ 実施機関一覧 ................................................................. 69
別紙２ 所要経費 ..................................................................... 71
別紙３ 「京」の計算資源量 ........................................................... 72
別紙４ 「京」以外の計算資源量 ....................................................... 73
別紙 5 用語の説明書 .................................................................. 74

ii

1．実施概要（１）目的・意義
ポスト「京」を駆使することにより、太陽電池、人工光合成による新エネルギーの創出・確保、燃料
電池、二次電池によるエネルギーの変換・貯蔵、また、メタンや CO2 の分離・回収、貯蔵、触媒反応によるエネルギー・資源の有効利用など、太陽光エネルギー、電気エネルギーや化学エネルギーにおいて中心的な役割を担う複雑で複合的な分子・物質過程に対する電子・分子レベルでの全系シミュレー
ションを行い、実験研究者、産業界と連携して、高効率、低コスト、また環境に優しく持続可能なエネ
ルギー新規基盤技術を確立する。
同時に、これまで計算機資源の不足により制限されていた孤立系や部分系における単一現象の科学から脱却し、現実系である界面、不均一性を有する電子、分子の複合現象を統合的に捉え得る新しい
学術的視点を確立し、科学的なブレークスルーを達成する。
国内外における主な関連プロジェクトを表 1-1 にまとめる。実験主体のプロジェクトが多く、計算はマテリアルゲノム中心であり、基本原理に基づく計算は小規模である。米国 DOE 傘下の計算機セン
ターにおいては、2016 年から導入の始まるプリ・エクサシステムへのアプリケーション移行のプロジ
ェクトが行われている。当面、メニコアアーキテクチャ等への移行が主目的にみえる。但し、その発展・成果については、競合する可能性が高く注視していく必要がある。国内の実験プロジェクトには、
本課題研究者が直接参加することも含め密接に連携していく。
表 1-1 国内外の主な関連プロジェクト

別添 2-1

資源小国である我が国にとって、エネルギー問題の解決は喫緊の重要課題である。本重点課題において確立する技術は、新エネルギー源としての太陽光利用、また自動車産業の根幹を変革する可能性を持つ低コスト電気自動車、燃料電池車の世界に先駆けた開発、さらには、ハイドレートからのメタ
ン資源の確保、高性能触媒の開発によるエネルギー多消費型工業プロセスの革新、CO2 問題の解決による化石燃料の安定的利用の実現を目的としており、いずれも国家的課題の解決に大きく貢献するものである。さらには、安価な太陽電池や二次電池は発展途上国のエネルギー問題を大幅に改善するものであり、地球規模での資源、環境問題の解決にもつながる国際貢献が可能となる。
（２）研究開発内容
本重点課題では上記の目的を達成するために、サブ課題Ａ「新エネルギー源の創出・確保 －太陽光エネルギー」、サブ課題Ｂ「エネルギーの変換・貯蔵－電気エネルギー」、サブ課題Ｃ「エネルギー・
資源の有効利用－化学エネルギー」を設定し、ポスト「京」を最大限に活用するアプリケーション開発により各サブ課題での目標を実現する。開発内容の概要は以下の通りである。
サブ課題Ａ 新エネルギー源の創出・確保－太陽光エネルギー
高効率太陽光エネルギー変換による新エネルギー源の創出を目指す。複雑なスピン状態を含む天然・
人工光合成系の素反応から物質設計までを取り扱える統合的な計算手法を確立し、水分解反応の本質解明と新エネルギー創出に有望な物質探索を行う。また、太陽電池の物質設計とモルフォロジー・界面の制御に貢献できるシミュレータの開発を行い、高効率太陽電池の実現に向けた計算的アプローチを推進することにより次世代のエネルギー資源の創出に貢献する。
人工光合成の物質設計と実用化を目的とした光合成シミュレータの開発と、高効率な太陽電池の予測を可能にする太陽電池シミュレータの開発を行う。
光合成シミュレータでは、複雑なスピン状態を伴う多核金属錯体の電子状態の正確な取り扱いを可能にする強相関ソルバーの開発を行い、ESR や EDNMR をプローブとした応用に展開する。大規模な量
子エンタングルメントを取り扱う新規な理論と数値解法を発展させ、光合成の機構解明をポスト「京」で始めて可能とする。基礎となる天然光合成系については Kok サイクルの各酸化状態での水分解サイ
トの構造決定を行い、反応機構を明らかにする。半導体光触媒については、大規模な時間依存密度汎関数計算によるバンドギャップと水の酸化還元準位とのバンドアライメント最適化を行う。
更に、上記研究で開発した光合成シミュレータを用い、新規光触媒設計と助触媒の最適化の応用研究を行う。
太陽電池シミュレータではメモリ分割を施した時間依存密度汎関数法を開発し、数千〜１万原子規
模のドナー・アクセプター界面での電荷分離状態のシミュレーションを行うと共に、領域分割によるアプローチも検討する。更に、有機電子供与体・有機電子受容体の相互作用と光誘起による電子物性に強く依存する ISC を飛躍的に増加させる有機物材料の設計指針を明らかにする。
更に、上記研究で開発した太陽電池シミュレータを用い、ペロブスカイト太陽電池の光電荷移動機
構や自由キャリア機構の解明に向けた研究を行う。

別添 2-2

これらの目標を達成し、出口に向けた成果を創出するために、サブ課題 A では、岡山大学、大阪市立大学をはじめとする実験研究者と共同研究を行い、また、ARPChem、NEDO、CREST 及び元素戦略などの国家プロジェクトと連携し、更に三菱ケミカル等の民間企業との連携も行っていく。
サブ課題Ｂ エネルギーの変換・貯蔵－電気エネルギー
第一原理電子状態理論に基づく電極反応の計算と分子動力学法に基づく電解質の計算を統合させる
ことにより、均一系の化学・表面物性・粗視化に基づく材料科学的なアプローチでは理解が困難であった二次電池や燃料電池の分子論を構築する。またこの方法を用いて、測定が困難な電極界面を解明
しそれを二次電池や燃料電池の電流電圧曲線等の予測につなげ、信頼性の向上に貢献できる手法を確立する。これを用いて次世代・次々世代電池技術の重要問題に挑戦し、蓄電・水素エネルギー社会の実現に貢献する。
本サブ課題は、電極シミュレーション、イオン輸送・電解質膜シミュレーションから成るシミュレータを開発し、電極界面の微視的挙動の解析を実現する。これを用いて、サイクリック・ボルタンメ
トリー（電流電圧曲線）計算や界面酸化還元反応の計算を行いながら、電極界面が関わる問題の解決が可能なレベルにシミュレータを発展させる。電極シミュレーションでは、アプリケーションソフト
ウエア stat-CPMD、STATE を拡張し、電位差が印加された状況下等での反応自由エネルギーの計算を可能にし、その手法の有効性をリチウムイオン電池や燃料電池で確認した後に、全固体電池、ナトリウ
ムイオン電池、リチウム空気電池などの次世代二次電池や白金代替燃料電池へと展開する。イオン輸
送・電解質膜シミュレーションでは、主として MODYLAS による古典分子動力学シミュレーションに基づいて二次電池電極界面、燃料電池三相界面等の不均一系におけるイオン輸送の分子機構を解明する。
更に、アプリケーションソフトウエア RedMoon により、電極−電解液界面の SEI 膜形成機構の解明を行う。リチウムイオン電池系の界面被膜形成に電解液組成などが与える効果を原子レベルから解析する。
これらの目標を達成し、出口に向けた成果を創出するために、サブ課題 B では、物材機構、東京理科大、SPring-8 等をはじめとする実験研究者と共同研究を行い、また、ImPACT、JST-ALCA、NEDO、CREST
及び元素戦略などの国家プロジェクトと連携し、更にトヨタ自動車、富士フィルム、日産アーク、昭和電工等の民間企業との連携も行っていく。
サブ課題Ｃ エネルギー・資源の有効利用－化学エネルギー
化学エネルギー創成から消費に至る過程において、メタンや CO2 の分離・回収、貯蔵、触媒反応によるエネルギー・資源の有効利用に関わる基盤技術を開発し、高効率な分離・回収、貯蔵、相互変換法の実用への橋渡しとするための指針を提供する。そのために、電子状態理論と分子動力学法を基盤とした統合シミュレーション技術を構築し、実用的な物質設計に向け分子レベルからの指針を提供する。
ハイドレート分解によるメタン資源の採取方法の効率化、燃料電池非白金系触媒の開発、アミンをはじめ高効率材料を用いた CO2 の分離・回収技術の発展に貢献することにより、エネルギー多消費型工業プロセスを革新する。

別添 2-3

化学エネルギーを対象とする本サブ課題は、ハイドレート、触媒、CO2 分離・回収から構成される。
エネルギー資源として大量に存在するメタンハイドレートの効率的採取法の開発を目指して、大規模長時間
MD シミュレーションを実施して、メソスケールでの解離の機構解明、解離の律速過程の探索を行ない、効率的な融解法への指針を得る。更に、ポスト「京」を駆使した大規模な構造探索から、蓄冷材としてのセミクラスレートの性能の向上のための包括的な評価を行う。触媒では、反応経路自動探索法を
NTChem に連成し、CO2 有効資源化と燃料電池非白金系触媒に焦点を当てた研究を行う。CO2 分離・回収
では、分割統治法を中心としたアプリの高度化を行い、消費エネルギーコストを削減する新規アミンの提案・最適なアミン混合比の予測を行う。更に、溶液系だけでなく金属有機構造体（MOF ）やゼオ
ライトのような多孔質材料を用いた手法に関する技術を確立する。
これらの目標を達成し、出口に向けた成果を創出するために、サブ課題 C では、北大等をはじめとする実験研究者と共同研究を行い、また、CREST 及び元素戦略などの国家プロジェクトと連携し、更にパナソニック、三菱ケミカル、IHI 等の民間企業との連携も行っていく。
（３）目標・期待される成果
サブ課題Ａ 新エネルギー源の創出・確保－太陽光エネルギー
アウトプット成果：
・平成２９年度終了時
数千～１万原子から成る大規模な分子系の励起状態計算の実現に向けて、基底状態に関する密度汎関数計算のためのメモリ分割版プログラムを完成させ、太陽電池シミュレータに実装する。有機系太陽電池のエネルギー変換機構を解明するための手法とプログラムを開発し、太陽電池シミュレータに実装する。又、光合成シミュレータにおいては、ポスト「京」による光合成系の理論研究を可能にする計算手法と分光学的プローブの基本設計とプロトタイプ実装を終了する。
更に、上記研究で開発した光合成シミュレータを用いた新規光触媒への応用研究を実施すると共に、
太陽電池シミュレータを用い、ペロブスカイト太陽電池の光電荷移動機構を解明する。
・本格実施フェーズ終了時
1020 以上の複雑な電子配置が重要な寄与をする電子系の高精度計算が可能な光合成シミュレータを完成させ、複雑な組成を持つ半導体光触媒や、電子相関が強くこれまで取り扱いが困難であった多核金属錯体による人工光合成系の定量的な取り扱いを可能にする。また、太陽電池シミュレータを完成させる。数千～１万原子から成る大規模な太陽電池材料の基底状態に加えて励起状態での挙動や物性のシミュレーションを可能とする。
光合成シミュレータを用いた新規光触媒設計と助触媒の最適化を行う。また、太陽電池シミュレー
タを用いペロブスカイト太陽電池の高効率性に関わる自由キャリア機構を解明する。更に、ドナー・アクセプター界面の電子的特性を明らかにすることにより有機系太陽電池などの実用化のめどとされる変換効率 15%に向けた提案を行う。

別添 2-4

・ポスト「京」運用開始 5 年後
天然の光合成系を模倣した新規触媒の開発を行う。(1)可視光領域で水から水素を効率良く作ることのできる光触媒の理論設計、(2) 水を分解して酸素を取り出す高効率な金属錯体触媒のシミュレーシ
ョン設計を実現する。太陽電池シミュレータの幅広い分野での活用・普及を行うと共に、太陽電池のさらなる高効率化を目指して、新規変換機構に基づく太陽電池に関する知見を得る。
アウトカム成果：・ ポスト「京」運用開始５年後企業との連携によるプロトタイプ実証が開始される。
・ポスト「京」運用開始１０年後
企業との連携による製品化が目指される。分子・物質レベルのミクロな情報から材料の物性や挙動を予測できるマテリアルデザインのための総合的なモデリング/シミュレーション環境を提供し、触媒、医薬品、ポリマー、燃料電池、太陽電池、強相関物質などをターゲットとして多くの分野のニーズに資する統合シミュレータとして普及する。
サブ課題Ｂ エネルギーの変換・貯蔵－電気エネルギー
アウトプット成果：
・平成２９年度終了時
二次電池に関しては、固体電子論に基づく計算プログラムを発展させ、数千原子規模の電極界面に対して電極反応等の自由エネルギー計算が可能なシミュレータを、stat-CPMD、STATE をベースに開発する。また、混合 MC/MD 反応法プログラムを発展させ、数十万原子規模の電極・電極被膜界面での反応シミュレーションを行えるシミュレータを開発する。燃料電池に関しては、燃料電池電極界面の構造や反応自由エネルギーを計算することが可能な電極シミュレータを、第一原理分子動力学法(STATE,
stat-CPMD)をベースに開発する。また、高分子電解質膜など 100 万～1,000 万原子の高分子系に対して分子動力学計算による相分離構造の解析や破壊シミュレーションが可能なシミュレー タを、
MODYLAS をベースに開発する。
これらのシミュレータを用い、リチウムイオン電池やナトリウムイオン電池の電解液探索、被膜形
成過程に電解液組成などが与える効果の原子レベルの解析や二次電池電極界面近傍、燃料電池三相界面でのイオン輸送など、電池材料としての機能発現の分子過程の解明を行う。また、燃料電池の反応・輸送抵抗を予測するのに必要な物性値の導出、遷移金属酸化物などの白金代替物質の構造や反応に関する電極シミュレーションを行い、電極開発に資する。
・本格実施フェーズ終了時
二次電池に関しては、固体電子論に基づく計算プログラムを用いた 5000 原子規模の反応自由エネ
ルギー計算が可能になるシミュレータを開発する。また、混合 MC/MD 反応法による数十 nm オーダーの厚みを有する現実の SEI 膜との直接比較が可能な 100 万原子規模のシミュレータを開発する。燃料電池に関しては、電極界面の構造や反応自由エネルギーの計算効率や精度を向上させ、界面構造等と反応機構や反応抵抗との関連を解明することが可能な電極シミュレータを開発する。高分子電解質膜

別添 2-5

に特徴的な大域的構造とそれに由来する膜強度やイオン伝導度、また電極・電解質膜界面等の解析が可能な 1 億～10 億原子系に対する分子動力学計算を実現するシミュレータを開発する。上記、微視的
シミュレーションから得られる反応抵抗や輸送抵抗に基づいて、電流電圧曲線の予測計算を可能なレ
ベルのシミュレータとして発展する。開発シミュレータの産業界等への技術移転を開始する。
これらのシミュレータを用い、二次電池に関しては、リチウムイオン電池等の電極界面被膜や電解液の反応性・イオン伝導性を解析し、また力場計算連携解析・材料相関の機械学習解析も実行し、より高効率かつ高安全性をもつ電解液・電解質材料の設計指針を提案する。加えて、ポストリチウムイ
オン電池の有力候補である全固体電池の電解質—電極界面におけるイオン輸送や、リチウム空気電池
や多価イオン電池における電解液—電極反応に関してもポスト京利用に向けた予備的な成果を得る。
燃料電池に関しては、遷移金属酸化物などの白金代替物質の活性向上のための組成や構造に関する設計指針を獲得する。標準的な電解質膜に対して乾湿サイクルによるモルフォロジー変化を明らかにするとともに、破壊の分子機構を解明する。加えて、プロトンの輸送、酸素や水素の遮断など電池材料としての機能発現の分子過程を解明する。更に、電解質膜開発に関しては内閣府 ImPACT プロジェク
ト「しなやかタフポリマー」と連携し、開発企業と共同で、社会的に緊急度の高い強靭で高耐久性、高信頼性を持つ実用的な自動車用燃料電池の電解質膜の設計指針を提供し、「京」を用いた先行的成果としてコンセプトカーの試作につなげる。
・ポスト「京」運用開始５年後
開発シミュレータを用いた二次電池や燃料電池の電流電圧曲線の計算技術を確立させるとともに、大域的モルフォロジーと微視的な電極反応の関連を明確にするなど電池の微視的理論を充実させる。
次世代二次電池や燃料電池の反応機構に関する微視的理論を発展させ、材料開発に貢献する。また、シミュレーション技術の産業界への移転を始める。
アウトカム成果：
・ポスト「京」運用開始５年後「京」およびポスト「京」によって提案あるいは確認された電池の部材の商品化がいくつか行われる。電気自動車、燃料電池車の開発やスマートグリッド社会の構築が加速する。開発シミュレータが企業等で用いられ始め、開発期間の短縮に貢献する。
・ポスト「京」運用開始１０年後
蓄電社会、水素社会の構築が進んだ結果、自然エネルギーの全エネルギーに対する割合が増加する。
全電池シミュレータ技術が普及し、電池開発に不可欠な基盤となる。
サブ課題Ｃ エネルギー・資源の有効利用－化学エネルギー
アウトプット成果：
・平成２９年度終了時
化学エネルギー創成から消費に至る過程の、高効率な分離・回収、貯蔵、相互変換法の計算科学における開発を目指す。ハイドレートを用いた物質貯蔵に関して、高効率、低エネルギーコスト低環境
負荷で貯蔵・廃棄するため、自由エネルギー計算や数十万原子規模の分子系、ミリ秒のシミュレーシ
ョンにより最適条件を提示する。更に、蓄冷材としてのセミクラスレートについて、未解明の構造や別添 2-6

熱力学的特性の解析方法を開発する。触媒設計では反応経路自動探索プログラムを NTChem に連結させ、京の上での反応経路探索計算を可能にする。更に、金属ナノクラスターによる触媒反応の全面経
路探索を行い、サイズ効果やクラスター構造変化の効果について知見を得る。CO2 について、100 万原
子規模の化学反応ダイナミクスに必要な DFTB などのアプリケーションの大枠の開発、また拡散と反応性の関係を明らかにする。更に、力場（DFTB パラメータ）の拡張を実施して、MOF などの多孔質材
料の CO2 吸収量や吸収速度、回収に必要な熱量などの基礎的知見を獲得する。
・本格実施フェーズ終了時
化学エネルギー創成から消費に至る過程について、計算科学により高効率な分離・回収、貯蔵、相互変換法の実用へ橋渡しとするための指針を提供する。ハイドレートについては、最大数千万原子規
模の分子系、ミリ秒程度のシミュレーションを行い、生成解離機構を解明し、マクロなシミュレーシ
ョンへデータを提供することにより、メタンの効率的回収の指針を得ることに貢献する。更に、メタン資源化と CO2 投棄のために、メタンハイドレート中のメタンの CO2 への置換機構を解明するとともに、蓄冷材としてのセミクラスレートの構造と潜熱の基礎原理を確立する。触媒設計では、反応経路
自動探索プログラムを NTChem と連結し反応経路自動探索を実現し、1000 原子程度の複雑な触媒反応機構を調べる計算手法を開発する。CO2 有効資源化の触媒や燃料電池非白金系触媒へと適用し、高機能触媒設計に資する知見を得る。CO2 分離・回収では、アミンの pKa 依存性など 100 万原子程度の大規模系解析に基づいて、最適な反応条件の提案を行う。更に、CO2 分離・回収候補となる MOF などの多孔質材料の指針を吸収量や吸収速度、回収に必要な熱量の観点から示す。
・ポスト「京」運用開始 5 年後
メタン、水素を長時間貯蔵するために、ハイドレートの分解を緩和する“自己保存効果”を高める手法の開発、CO2 固定の高機能触媒、サブ課題 B と連携した燃料電池非白金系触媒、最適化されたアミン吸収液に対するより定量的な CO2 吸収特性の予測を実現する。
アウトカム成果：
・ポスト「京」運用開始５年後
ハイドレートに対する低環境負荷が一般に認められ、また反応経路自動探索計算や凝縮相内化学反応シミュレーションが化学プロセスや材料設計で普及する。
・ポスト「京」運用開始１０年後
メタンハイドレート由来のメタンが利用されるようになり、反応経路自動探索法が産業界に普及し、合理化されたプロセスに基づく CO2 分離・回収技術の実証試験が進み産業化がなされる。
上に述べたような分子過程が重要なエネルギー技術においては、複雑に絡みあった電子、分子の振る舞いが中心的な役割を担っている場合が多い。しかしながら一般的に、これまでの計算科学研究は、均一系に対するものでしかなかった。このため、理想的な要素に対するモデル研究にとどまっており、構成要素が複合して形成されている実在系の現象を直接取り扱うことができていない。ここにおいて、
ポスト「京」を用いた超大規模並列シミュレーションにより、広域なヘテロ複合系の計算を実行し、そこで初めて生起する重要な現象を世界に先駆けて解明する。これにより、エネルギー問題の解決の鍵となっている分子過程を計算科学的に明らかにし、実験研究者と協力しながら問題解決に向けて一

別添 2-7

歩を踏み出すことが可能となる。このような研究は学術的にも意義が高く、ポスト「京」なくしては不可能であり、ポスト「京」の利用による明確な投資効果を有している。その例を図 1-1 に示す。
例えば、「京」においては 1000 原子までの分子の励起状態の量子化学計算が実現されているが、有機太陽電池の開発に必要なヘテロジャンクションを含めた現実系界面のシミュレーションには 10000 原子規模の取扱いが不可欠である。この計算を終えるには「京」では 1 年を必要とし成果は見込まれない。
また例えば、「京」においては燃料電池高分子電解質膜だけからなる系に対する分子動力学計算は可能である。しかしながら、実際の開発研究においては高分子電解質膜と電解液からなる系が触媒層に圧着されている数億原子からなる現実系に対する計算が必要となる。この計算は「京」では数年かかり実質的に研究不可能である。ポスト「京」においては、新規アルゴリズム開発も含めて 2 から 20ms/MDstep の実現を目標としており、その場合 1 週間以下で計算を終了できる。

図 1-1 ポスト「京」でなければできない研究（４）周辺領域への波及効果、課題全体における計算科学やシミュレーションの位置づけ
本重点課題で取り扱うエネルギー技術においては、いずれも電子や分子のミクロな振る舞いが中心的な役割を果たしている。このような分子レベルの情報は実験のみからでは得ることは難しく、開発指針も経験のみから定めることは困難である。このため、エネルギーシステムにおける分子のミクロな理解は、新規材料の合理的な理論設計と機能制御の開発において最も重要なファクターとなっている。
本課題は実験研究者、企業研究者との連携に基づいて課題解決を目指すものであり、以下のように実験と別添 2-8計算の相互的な関係、課題全体における計算科学の位置づけ、役割は明確である。
まず「新エネルギー源の創出・確保」における太陽光エネルギー技術全体の課題は、低コスト、汎用元素、高変換効率、長寿命の高性能太陽電池の開発と、高効率水素発生光触媒の開発である。これらを実現するにあたって特に計算科学に求められていることは、前者に対しては短絡電流密度、開放
電圧、曲線因子の計算、界面・モルフォロジー制御や電荷再結合等の太陽電池のエネルギー変換効率
要因の特定であり、また、アップコンバージョン、ホットキャリア、熱電変換利用等の理論限界を超える太陽電池の新機構提案である。また、後者に対しては、金属錯体や半導体光触媒での水素発生機
構解明と設計、CO2 固定法の指針開発である。このため、上述したように太陽電池シミュレータならびに人工光合成シミュレータの開発を行うことが強く求められており、これらに基づいて実験研究者、
企業研究者と連携して新しい原理に基づく太陽電池、光触媒の開発につなげる。
「エネルギーの変換・貯蔵」における電気化学エネルギー技術全体の課題は、二次電池、燃料電池
共に、ひとえに低コスト化、高信頼性、高耐久性、汎用元素利用の電池開発である。そこにおいては
特に高エネルギー密度、高出力密度、高速充放電を実現することが求められているが、さらには次世
代、次々世代電池の構築もすでに要求されている。これらの課題解決のために計算科学に求められていることは、一つは各種電池共通課題として、電極反応、電極被膜生成、イオン輸送に関わる電極/電極被膜・電解質膜/電解液界面挙動の解明である。もう一つは、高電圧・高エネルギー密度に繋がる正極・負極、高イオン伝導度、高耐久性を持つ電解液・電解質・電解質膜、さらには燃料電池における白金代替触媒など種々の電池に個別な電池部材の最適材料設計、材料探索である。このため、電極反応、電極被膜、電極界面の研究を進めることができ、また電解質膜、電極被膜と電解液との界面を研究するシミュレータの開発が不可欠となっており、これらは information transfer により電極界面の反応抵抗、輸送抵抗、電気二重層などを統合して、CV 曲線のシミュレーションを可能とすることが期
待されている。これら計算科学の課題を解決し、その上で ImPACT、元素戦略、JST-ALCA など大規模国家プロジェクト等において実験研究者、企業研究者と連携し、自動車産業で日本が優位に立ち得る高性能燃料電池、二次電池の開発へと繋げるとともに、次世代、次々世代電池開発を加速化する。
「エネルギー・資源の有効利用」における化学エネルギー技術全体の課題は、ハイドレートからのメタンの効率的採集技術の確立、元素戦略に立脚した高性能触媒の開発、CO2 の低コスト分離・回収、廃棄、資源化である。これらの中で計算科学に具体的に求められていることは、ハイドレート分解の律速過程の解明とその消去法の提案、メタン/CO2 の高効率変換の可能性の検証であり、CO2 還元を実現する高機能触媒の提案、低コストで CO2 回収を実現するアミン系吸収剤の設計、また MOF など新規吸収媒体の提案である。これには、多相共存シミュレータ、触媒反応経路探索シミュレータ、凝縮相内化学反応シミュレータの開発を要し、これらを用いた大規模計算に基づいて上述の課題解決に向けた提案、設計・開発指針の提示を行い、メタンハイドレートの資源化、CO2 の低コスト分離・回収、廃棄、資源化を分子技術、元素戦略の実験研究者とともに実現する。
このような技術は単にエネルギー問題に限られることなく広く応用され、我が国の産業の革新的発展に大きく貢献することが期待されるが、同時に基礎科学分野においても大きなブレークスルーをもたらすものである。
本課題の成功は、自動車産業、化学産業、電機産業等に極めて大きな波及効果をもたらすことが期待される。たとえば低コスト高性能電気自動車や燃料電池車は、自動車メーカーが激烈な国際競争の別添 2-9

下に開発を進めており、この分野で市場を制することは我が国に計り知れない利益をもたらす。中核技術となる電池本体の中でも特に新規材料の開発がその鍵を握っており、産業界や実験研究者と手を携えた計算科学研究が大きな変革をもたらす。また、たとえば人工光合成系の研究においては、酸素発生を促す物質の電子状態に加えて、それを制御する周辺環境との相関が最も重要となる。この複合現象の解明は、新エネルギー創成の出発点となるものであり、今後 20 年の研究の方向性を決定するな
ど、我が国の産業・経済への大きな波及効果が期待される。
また、本課題では孤立系や部分系における単一現象の科学から脱却し、現実系である界面、不均一性を有する電子、分子の複合現象を統合的に捉え得る新しい学術的視点を確立することができ、科学的にも大きな革新をもたらすことが期待される。
本課題において開発した高精度量子化学計算、大規模第一原理計算、超大規模分子動力学計算などの方法論、アプリケーションは化学、物理、材料、生物分野等に適用できるものであり、エネルギー問題に限ることなく、広く他分野での展開も予想され、研究ツールとして重点課題 1、６、７等へ提供する。
開発アプリケーションは、ポスト「京」に限ることなく情報基盤センターや共同利用研等のインフラにおいても効率的に稼働するよう設計、開発し、またスーパーコンピューティング技術産業応用協議会等と連携して、産業利用を念頭に置いて使い勝手のよいアプリケーションとなるよう開発する。これにより、既存のスーパーコン
ピュータはもちろんのこと、企業内のシステムにおいても広く展開、利用されることが期待できる。また、開発したシミュレータは、スーパーコンピューティング技術産業応用協議会ならびに重点課題６、７等と連携し、産業界での利用促進、普及を図る。
（５）機械学習やデータサイエンスの技術活用の検討
本重点課題では、｢複雑で複合的な分子・物質過程に対する電子・分子レベルでの全系シミュレーション｣に基づきエネルギーの基盤技術を研究開発している。即ち、研究対象となる物質は無限に存在する。限られた時間・計算機資源の中で、研究成果を最大化するためには、機械学習やデータサイエンスの活用はきわめて重要である。本重点課題ではポスト｢京｣に向けたシミュレータ開発に注力しているところではあるが、課題参加者においては、他プロジェクト等も含め機械学習やデータサイエンスの技術活用に関し、既に以下のような研究を推進している。
・スーパーコンピュータを利用したハイスループット・コンピューティングに基づいたマテリアルズ・インフォマティクスによる太陽電池と半導体光触媒の新材料設計（理研 R-CCS 中嶋）・機械学習による最適な太陽電池材料と半導体光触媒材料のシミュレーション設計に向けたデータベー
ス作成（理研 R-CCS 中嶋）
・ハイスループット第一原理 MD 計算による構造—物性相関のデータベース化（物材機構 館山）
・電解液・界面被膜トラジェクトリのパーシステントダイアグラム解析（物材機構 館山）
・高分子破壊標準データベースプロトタイプの構築（名大 岡崎）・粒子間相互作用パラメータの最適化による、より正確な物性予測の可能性追求（岡山大 田中）・機械学習と反応経路地図を活用した吸着・触媒活性の評価・解析（北大 武次）
・機械学習と反応経路地図を利用した化学反応 MD トラジェクトリの自動分類（北大 武次）
・DFTB 計算パラメータ開発で群知能の一つである粒子群最適化法を用いた最適解の探索（早大 中井）
これらの研究を活かし、機械学習やデータサイエンスの技術活用を検討する。物質予測に向けた研究にはスーパーコンピューターと人工知能を合わせた活動が重要であり、エネルギー変換・エネルギー貯蔵・物

別添 2-10

質変換に向けた材料探索のためのインフォマティクス活用ワーキンググループ（責任者：館山佳尚・物材機構）を設置し、エネルギー問題への積極的活用の可能性を組織的に検討する。本ワーキンググループにて、
特に先行的に実施しているスーパーコンピューターと人工知能を組み合わせた研究から、本重点課題内で横断的に活用可能な事例を選定し、注力して研究を推進する。

図 1-2 インフォマティクス活用ワーキンググループ設置

別添 2-11

（６）年次計画
課題全体

中間目標（平成29年度） シミュレータの基幹機能の整備最終目標（平成31年度） シミュレーション技術の確立と実証と先行的成果の創出

サブ課題名（分担機関・責任者）

調査研究・準備研究フェーズ
平成26年度

サブ課題Ａ

平成27年度(目標)(目標)
新エネルギー源の シミュレータと シミュレータ開創出・確保 — 太陽 研 究 体 制 の 明 確 発
光エネルギー
化（神戸大学・天能精一郎）(実施内容)(実施内容)
・ 光 合 成 用 の 強 【人工光合成】
相 関 電 子 状 態 ソ ・GELLAN
ルバ（３種類）の 強相関ソルバPHF
仕 様 と 大 規 模 法の開発(二次収DFT・TDDFT法の並 束SUHF法、エネル
列化規格決定ギー勾配法）

本格実施フェーズ
平成28年度

平成29年度(目標)
シミュレータ開発継続と予備検証(目標)
シミュレータ開発継続と早期成
果創出

(目標)
(目標)
シミュレータ開 シミュレータの発 継 続 と 早 期 成 検証
果創出

(実施内容)【人工光合成】
・GELLAN
強相関ソルバPHF
法の開発継続(二次収束SUHF法、エネルギー勾配法)(実施内容)【人工光合成】
・GELLAN
強相関ソルバPHF
法(二次収束SUHF
法、エネルギー勾配法)構造最適化法の開発(実施内容)【人工光合成】
・GELLANエンベッディン
グ法への拡張、PHF 法 ( 二 次 収 束
SUHF法、エネルギ
ー勾配法)の高度化

・実験や企業との連携の組織化

平成30年度

平成31年度(実施内容)【共通】
各種手法の最終調整。光合成と太陽電池系に関する大規模実証計算。高性能アプリ
を用いた、ポスト「京」供用開始前の試用

・強相関ソルバ ・強相関ソルバ ・強相関ソルバ
ポストPHF法
ポストPHF法
ポ ス ト P H F 法 【人工光合成】( ス ピ ン 拡 張 理 ( ス ピ ン 拡 張 理 ( ス ピ ン 拡 張 理 ・GELLAN論)の開発
論)の高度化論)の高度化・ PHF法(二 次 収
束SUHF法、エネル
・ モ デ ル 空 間 量 ・ モ デ ル 空 間 量 ・ モ デ ル 空 間 量 ギー勾配法)の高子 モ ン テ カ ル ロ 子 モ ン テ カ ル ロ 子 モ ン テ カ ル ロ 度化、強相関ソル(MSQMC)法の開発 (MSQMC)法の開発 (MSQMC)法の高度 バ ポストPHF法
化(スピン拡張理・ マ ン ガ ン ク ラ ・ マ ン ガ ン ク ラ ・ 多 核 遷 移 金 属 ・ 多 核 遷 移 金 属 論)の高度化
スタのスピン状 スタのスピン状 錯体触媒への応 錯体触媒の計算
態の検証
態の検証
用
実証、応用
・多核遷移金属
錯体触媒の計算実証、応用
別添 2-12・光合成シミュ ・水分解光触媒 ・水分解光触媒
レータを用いた 材料のクラスタ 材料の大規模励
新 規 光 触 媒 設 計 ーモデルの構築
起状態計算に向けたクラス
ターモデルの構築・水分解光触媒
材料の光励起キ
ャリアの緩和過程の解明【太陽電池】
・NTChem
大規模DFTの開発【太陽電池】
・NTChem
大規模DFTの開発
継続、 TDDFTを検討【太陽電池】
・NTChem
メモリ分割版DFT
プログラムの開発、大規模TDDFTの開発【太陽電池】
・NTChem
メモリ分割版
TDDFTプログラムの開発【太陽電池】
・NTChem
メモリ分割版
TDDFTプログラムの完成・整備・高度化

・励起状態ダイナミックス法の理論構築とプロ
グラムの開発・励起状態ダイナミックス法の理論構築とプロ
グラムの開発・非断熱過程＋
項間交差を含む
励起状態ダイナ
ミックス法の開発・非断熱過程＋
項間交差を含む
励起状態ダイナ
ミックス法プロ
グラムの開発・非断熱過程＋
項間交差を含む
励起状態ダイナ
ミックス法プロ
グラムの開発及び高度化

・ 小 規 模 ヘ テ ロ ・ 太 陽 電 池 の 励 ・ ノ ン フ ラ ー レ ・ドナー・ノンフ ・ドナー・ノンフ
ジ ャ ン ク シ ョ ン 起状態計算検証
ンアクセプター ラーレンアクセ ラーレンアクセの検証
有機材料の探索
プター界面の大 プター界面の電規模励起状態計 荷分離過程の解算
明・有機無機ハイブリッド系のペロブスカイト太陽電池材料の発電機構の解明と非鉛化に向けた
理論材料設計

別添 2-13・ペロブスカイ
ト材料のクラス
ターモデルの構築・ペロブスカイト太陽電池材料の大規模な計算実証、励起状態計
算・ペロブスカイト太陽電池材料の発電機構の解明【共通】・モルフォロジーシミュレーショ ン の た め
MODYLAS等との連携【共通】・各種アプリケーションのアル
ゴリズムの最適化

別添 2-14

サブ課題名（分担機関・責任者）

サブ課題Ｂ

調査研究・準備研究フェーズ
平成26年度
平成27年度(目標)
エネルギーの変換・ 体制の構築
貯蔵 — 電気エネル
ギー（東京大学・杉野修）(実施内容)
・ stat-CPMD 、
MODYLASの調査的利用とその高度化に向けた調査

平成28年度

本格実施フェーズ
平成29年度
平成30年度(目標)(目標)
シミュレータ基 シミュレータ詳
本設計
細設計・開発と早期成果創出へ向けた詳細計画(目標)
シミュレータ骨
格部分の開発と早期成果創出へ向けた課題の解決(実施内容)(実施内容)(実施内容)
・ stat-CPMD 、 【二次電池】【二次電池】MODYLASの高度化 ・stat-CPMDの電 ・stat-CPMDの大の調査・検討子 状 態 計 算 カ ー 規模計算・酸化還ネルの高度化
元反応計算に向けた高度化・実験家や産業 ・全系シミュー
界 を ま じ え た 研 ションの調査・検 ・ リ チ ウ ム イ オ ・ リ チ ウ ム イ オ
究体制の構築討
ン電池界面被膜・ ン 電 池 界 面 被 膜
新 規 電 解 液 の 特 解析・次世代電池性計算の電極材料探索平成31年度(目標)
シミュレータ高度化と早期成果創出(目標)
シミュレータ検証と早期成果創出(実施内容)【二次電池】
・stat-CPMDのポスト「京」アーキ
テクチャに向け
た拡張(実施内容)【二次電池】
・stat-CPMDのポスト「京」アーキ
テクチャでの化
学反応計算検証・次世代電池界 ・次々世代電池
面被膜・新規電解 ま で 含 め た 新 規
液の特性計算
電池材料設計・力場計算連携
解析・材料相関の機械学習解析

・RedMoon（混合MC/MD反応法）の京上での動作、10万原子規模実現と多様な酸化還元反応や重合反応の機能実装・RedMoon高並列 ・RedMoon電位制MDソルバー連携、 御 な ど 機 能 高 度
高 速 化 、 高 並 列 化継続、100万原
化、電位制御など 子 規 模 に 向 け て
機能高度化着手、 拡大へ着手
数十万原子規模
拡大へ着手

・RedMoon電位制
御や物性推算機能などの高度化
実装、100万原子
規模実現

・負極-電解液界面での SEI 膜形
成シミュレーション（10 万原子・複雑な電極モ
デルを用いた数
十万原子規模のS
EI膜形成シミュ・SEI膜形成シミュレーションによるSEI膜の輸送特性の理論予測別添 2-15・電極-電解液界面における被覆
膜形成等の生成機構の解明

規模）により滑らかな SEI 膜形成に添加物が有効であることが判明

レーションに着手【燃料電池】【燃料電池】
・STATE：固体電 ・STATE：電極計
子 論 と 溶 液 理 論 算の高度化に基づく電極計
算の試作【燃料電池】
・STATE：個体電子論と溶液理論
を組み合わせたアプリ（高度化されたアプリ）の開発【燃料電池】
・STATE：高度化されたアプリの確立

・白金電極の電 ・電流電圧曲線 ・高度化された ・電流電圧曲線
流電圧曲線の予 の計算の精度向 アプリを用いた の計算予測手法
備計算に着手上に着手
シ ミ ュ レ ー シ ョ の確立
ンによるCV実験の再現
・白金代替電極 ・活性の不純物 ・様々な酸化物 ・酸化物電極の物 質 の 活 性 化 機 依存性の予測電極を用いた高 高活性化のため構の予測に着手
活 性 化 の 指 針 の の理論の構築
獲得
・高度化された ・高度化された
アプリの白金代 アプリの白金代替電極への適用
替電極への適用と高活性化指針
獲得
・ 電 解 質 膜 の モ ・MODYLAS：リフ ・MODYLAS：FMM新ル フ ォ ロ ジ ー の ァクタリング、FM 規 ア ル ゴ リ ズ ム
機構解明
M新規アルゴリズ 実装、粒子対計算
ム定式化、メニコ 新 規 通 信 方 式 の
別添 2-16

・MODYLAS：短精度・SIMD化、FMM
計算新規通信方式の実装、新規数

・MODYLAS:短精度・SIMD化、ロードインバランスの解消、通信チュ

ア(FX100,Phi)対 開発、粒子対演算 学 ア ル ゴ リ ズ ム ーニング、演算チ
応
量削減
の開発
ューニング
・MODYLAS：力学 ・MODYLAS：プロ ・MODYLAS：不均 ・MODYLAS：不均的特性評価諸機 トン移動シミュ 一環境下の物質 一環境下の物質
能、テーブルポテ レーション
輸送評価手法
輸送評価手法
ンシャルの整備
・電解質膜の乾 ・電解質膜のプ ・燃料電池三相 ・燃料電池三相
湿 サ イ ク ル に 伴 ロトン移動、ガス 界 面 物 質 輸 送 機 界 面 物 質 輸 送 機
う 膜 構 造 変 化 の 移動機構の解明
構の解明
構の解明
解明

別添 2-17

サブ課題名（分担機関・責任者）

調査研究・準備研究フェーズ
平成26年度
平成27年度

サブ課題Ｃ(目標)
エネルギー・資源の 化 学 エ ネ ル ギ ー
有効利用 - 化学エ 等 に 対 す る ア プ
ネルギー
リ仕様の検討と（岡山大学・田中秀 体制の構築樹）(実施内容)
・ポスト「京」に向けて開発すべきアプリケーションの仕様と具体的な研究開発
課題の検討、平成
27 年度以降の実施計画を策定(目標)
基盤アプリの開発への協力とそれに関連するソ
フトウェアの開発

平成28年度(目標)
基盤アプリの開発への協力と各課題に特化した
ソフトウェアの開発と一部実行

本格実施フェーズ
平成29年度
平成30年度(目標)
基盤アプリの開発への協力と各課題に特化した
ソフトウェアの開発と実行(目標)
基盤アプリと各課題に特化した
ソフトウェアの開発・実行による
化学エネルギー
有効利用に関する知見の集積平成31年度(目標)
基盤アプリと各課題に特化した
ソフトウェアの実行による化学
エネルギー有効利用の検証(実施内容)(実施内容)(実施内容)(実施内容)(実施内容)【ハイドレート】 【ハイドレート】 【ハイドレート】 【ハイドレート】 【ハイドレート】
・ メ タ ン ハ イ ド ・メタン、CO2、水 ・ 大 規 模 系 に お ・メタン、水素な ・ポスト「京」でレート生成融解 素貯蔵のための けるメタンハイ どの物質貯蔵の のハイドレート
ダイナミクスの ハイドレートの ドレート解離機 ためのハイドレ を利用したエネ
MODYLASとの連携 利 用 効 率 化 の プ 構の解明、多成分 ー ト 生 成 の シ ミ ルギー資源開拓、（水モデルTIP4P ログラム開発（安 ハ イ ド レ ー ト へ ュ レ ー シ ョ ン 法 分離・回収、貯蔵の組み込み）
定 性 基 礎 理 論 の の 安 定 性 理 論 の の確立
法への展開
展開）
応用
・蓄冷材としてのセミクラスレートについて、未解明の構造や熱力学的特性の解
析方法を開発・超音波融解シ ・超音波融解シ
ミュレーション ミュレーションの手法開発の並列計算手法開発

別添 2-18・蓄冷材として ・セミクラスレ ・セミクラスレのセミクラスレ ートの安定性の ートの安定性のートについて、未 基礎理論の構築
展開
解明の構造や熱力学的特性の解
析方法を開発・超音波融解シ
ミュレーション
の省メモリ手法
開発

・超音波融解シ
ミュレーション
の高並列時の通信時間削減

・超音波融解シ
ミュレーション
の超高並列に向けた計算負荷分散向上、高度化・ ハ イ ド レ ー ト ・ ハ イ ド レ ー ト ・CO2 置換機構の ・ セ ミ ク ラ ス レ
融解機構の解明
成長機構の解明
解明
ートの安定性の予測と蓄冷材の効率予測

・セミクラスレートの生成融解機構速度と機構の解明【触媒】
・担持金属ナノクラスター触媒の反応機構検討【触媒】
・反応経路自動探索法の燃料電
池非白金系触媒への適用【触媒】
・反応経路自動探索法のCO2 固定
触媒についての検証

・GRRMとSMASH・ ・GRRMとSMASH・
NTChemを連携し、 NTChem を 連 携 し｢京｣での反応経 た反応経路探索
路 探 索 計 算 を 実 計算の効率化、高現度化

・GRRMとSMASH・
NTChem を 連 携 した反応経路探索
計算の効率化、高度化【触媒】
・反応経路自動探索法と超並列
電子状態プログ
ラムの連結（GRRMとSMASHの連結）【触媒】
・反応経路自動探索法による重要触媒反応の機構解明法の検討

・非白金燃料電池触媒BN/Auの高機能化を実験グ
ループと連携して実現

・金属ナノクラ ・非白金燃料電
ス タ ー に よ る 触 池触媒BN/Auの更媒 反 応 の 自 動 経 なる高機能化
路探索を行い、ク
ラスター構造変化の効果について知見を獲得【CO 2 の分離・回
収】
・DC-DFTB-Kの高度化準備とCO 2 吸収反応に対する
温度依存性の検証【CO 2 の分離・回
収】
・DC-DFTB-Kの高度化とCO 2 吸収反応に対するアミン種、濃度依存性の検証

別添 2-19【CO 2 の分離・回
収】
・NTChemへの線
形スケーリング理論、凝縮相内高精度熱力学量計算の導入と混合アミン溶液の配・非白金燃料電 ・非白金燃料電池触媒BN/Auの更 池触媒BN/Auの更なる高機能化なる高機能化・CO2 有効資源化 ・CO2 有効資源化
触媒の機構解明
触媒の機構解明と探索【CO 2 の分離・回
収】
・NTChemの高速化、DC-DFTB-Kとの連結とCO 2 吸収反応に対する反応自由エネルギ
ー図の作成【CO 2 の分離・回
収】
・ポスト「京」に向けた凝縮相内
化学反応シミュレータの最終調
整と新規アミンの提案、その効率

合比に対する反
応性の解析

の検討

・電荷間相互作 ・電荷間相互作 ・自由エネルギ ・自由エネルギ
用計算の効率化
用計算の効率化ー計算手法の導 ー計算のサンプ
入、領域分割法に リングの並列化
よる高速化
・動的フラグメ ・動的フラグメ
ント分割計算の ント分割計算の効率化、高度化
効率化、高度化・金属元素に対 ・金属元素に対 ・金属元素に対す る DFTB計 算 パ す る DFTB計 算 パ す る DFTB計 算 パ
ラメータの開発
ラメータの開発
ラメータの開発・ 塩 基 性 水 溶 液 ・力場（DFTBパラ ・力場（DFTBパラの 基 礎 的 性 質 の メータ）の拡張を メータ）の拡張を評価実施して、幅広い 実施して、幅広い
アミン溶液やMOF アミン溶液やMOFなどの多孔質材 などの多孔質材
料の吸収性能に 料の吸収性能に対する基礎的知 対する基礎的知
見を獲得
見を獲得

別添 2-20・CO 2 吸収反応の ・CO 2 吸収反応の
アミン種配合比 自由エネルギー依存性の検討
地形解析、金属種
依存性の検討・多孔質材料によるCO 2 分離・回収過程の検討（７）実施体制
重点課題の全体推進体制を図 1−3 に示す。分子科学研究所を代表機関（重点課題責任者：岡崎進・
分子研）とし、サブ課題 A「新エネルギー源の創出・確保 － 太陽光エネルギー」（責任者：天能精一郎・神戸大）、サブ課題 B「エネルギーの変換・貯蔵 － 電気エネルギー」（責任者：杉野修・東大物性研）、サブ課題 C「エネルギー・資源の有効利用 － 化学エネルギー」（責任者：田中秀樹・岡山大）の小委員会と基盤アプリ設計開発委員会（責任者：中嶋隆人・理研 R-CCS）から成る。代表機関は「HPCI戦略プログラム分野 2（新物質・エネルギー創成）」における分子科学分野の戦略機関であり、各責任者は「京」を用いた重点課題で高い実績を有している分子科学と物性科学の研究者から選定した。
サブ課題Ａは天能（神戸大）が光合成シミュレータ、中嶋（理研）が太陽電池シミュレータの開発を行い、山下（京大）が光触媒や有機薄膜太陽電池における実証研究を主として行う。サブ課題 B では、館山（物材機構）と岡崎（名大）、長岡（名大）が二次電池シミュレーションを、杉野（東大）と岡崎（名大）が燃料電池シミュレーションを主として担当する。サブ課題 C では、田中（岡山大）と奥村（分子研）がハイドレートによるメタン生成やメタンや水素貯蔵の効率化を、触媒を武次（北大）、
CO2 分離・回収を中井（早大）が担当する。アプリケーション開発については、サブ課題とは独立の基盤アプリ設計開発委員会が推進を行う。既に「京」で実績を有する NTChem（理研）、GELLAN（神戸大）、
MODYLAS（名大）、stat-CPMD（物材機構）をポスト「京」における基盤アプリに設定し、ポスト「京」の開発主体である理研 R-CCS とのコデザインによる連携のもとで開発を進める。サブ課題間で情報共有、連携して開発・利用するとともに、神戸大や理研、情報基盤センターに所属する計算機科学者と連携して効果的な開発を進める。

図 1-3 推進体制 実験、産業と連携したオールジャパンで研究を推進

別添 2-21

運営体制は図 1−4 及び表 1-2 の通りである。前述の研究部門に加え、広報、産業連携、分野間連携を担う執行部門を運営委員会の下に置く。運営委員会は必要に応じて当該分野の有識者から成る諮問委員会に諮問し重点課題の運営を推進する。
本重点課題は、他のポスト「京」重点課題、大型プロジェクト、実験・大型施設、産業との連携体制を構築している（図 1−5）
。ポスト「京」のコデザインでは、重点課題１、６、７の SubWG への参画を行う事により、アプリケーション高度化の情報を共有すると共に、類似計算手法を含む推進体制で相乗効果を図っている。重点課題の多くの分担者は、ImPACT（タフポリマー：東大）、CREST（相界面、分子技術、元素戦略）、元素戦略（触媒･電池：京大 ESICB）などの大型プロジェクトを推進しており、エネルギー関連の情報共有による緊密な連携の下で推進を行う。又、企業との連携によるプロトタイ
ピングや NEDO, ARPChem, JST-ALCA との連携体制の構築が進んでいる。協力する実験研究者は SPring8、検討中の SACLA、J-PARC 等の大型実験施設を利用しており、成果創出に向けて協調した開発体制となっている。更に、スーパーコンピューティング技術産業応用協議会に協力し、開発されるアプリケ
ーションの産業利用の観点から産業連携を進めて行く。
重点課題内での連携を図 1−6 に示す。アプリケーションソフトウエア、触媒、CO2 固定を中心に各サ
ブ課題と基盤アプリ設計開発が有機的な協力を可能にする。
重点課題推進においては、計算技術と応用分野における高い専門性から、業務委託に依らない博士
人材の登用が不可欠である(表 1-3)。必要な人員の根拠については、２章で各サブ課題の詳細を記載している。本重点課題では、①アプリケーションの産業利用と、計算により方向付けられる製品化に伴う産学連携と委託、②外国人博士研究員の登用と国際連携によって、現代のアカデミアの情勢に則したキャリア支援を可能にする人材登用に配慮する。

図 1-4 運営体制

別添 2-22図 1-5 研究開発における連携について

図 1-6 重点課題５内連携

別添 2-23

【開発アプリ普及、人材育成】
主として HPCI 戦略分野２における計算分子科学研究拠点(戦略機関 分子科学研究所、現 TCCI)活動の中でポスト「京」において重要な事業を引き継ぐ。本重点課題では、開発する基盤アプリをベースに種々のシミュレータへと展開するが、これらを普及させるため、ポスト「京」上等で利活用するア
カデミアや産業界の人材の育成、アプリケーションの普及活動を行う。
上記の目的のため、関係機関、他重点課題、他プロジェクト等と連携し、以下の取り組みを行う。
但し、実際に本重点課題に割り当てられた予算に応じて取捨選択を行う。
①基盤開発アプリ利用人材育成②基盤開発アプリのアカデミア・産業界への普及
本重点課題で開発する量子化学、分子動力学法等のアプリケーションは、特に重点課題１、５、６、７に共通の基盤として重要なため、上記事業はこれら重点課題間で連携をとって取り組む。さらに、人材育成に関しては、東北大が代表機関となって進めている「計算物質科学人材育成コンソーシアム」
事業（責任者：毛利哲夫教授、分子研責任者：斉藤真司教授）と連携し、実施する。
①基盤開発アプリ利用人材育成
基盤アプリの普及を目的とし、学生・実験研究者・企業研究者を対象として、HPCI 戦略分野２で従来実施してきたウィンターカレッジにおける分子シミュレーション、量子化学の２コースを継続的に開講することを検討する。
②基盤開発アプリのアカデミア・産業界への普及
重点課題５で開発する基盤アプリ等については、京コンピュータ、分子研計算科学研究センター、
計算科学振興財団（FOCUS）に整備し、アカデミア（京、分子研）、産業界（京、FOCUS）の利用を推進する。このため、基盤アプリ等の情報を計算科学研究センターのホームページに掲載する。特に産業利用の促進にあたっては、産応協で検討している「産業基盤ソフト」構想と連携し、産業への一層の普及を図る。このとき、FOCUS、RIST 等とも一層の連携を推進する。これに加えて、必要に応じて基盤
開発アプリを各情報基盤センターや物性研、金材研などの共同利用研計算機センター等にも提供する。

別添 2-24

表 1-2 平成 31 年度以降の実施体制－1
実

施 項 目

（ ）
：年齢、H31 年 4 月１日現在

代表機関・分担機関

課題責任者、サブ課題責任者、サブ課題実施者【運営委員会】
本格実施項目の検討およ 名大院・工／分子研
び承認◎岡崎 進（64）

神戸大院・科学技術イノベーション研究科

天能 精一郎（54）

理研・R-CCS中嶋 隆人（51）京都大学 学際融合教育研究センター

山下 晃一（66）

東大・物性研杉野 修（57）

物材機構・エネルギー・環境材料研究拠点

館山 佳尚（48）

名大院・情報長岡 正隆（60）

岡山大・異分野基礎科学研究所

田中 秀樹（63）

北大院・理武次 徹也（54）

早大・理工

中井 浩巳（54）

自然科学研究機構・分子研

奥村 久士（43）

自然科学研究機構・分子研

斉藤 真司（53）【諮問委員会】
プロジェクトの進捗状況 製品評価技術基盤機構◎辰巳 敬 (71)の把握・評価・改善提言・ 慶大院・理工○三上 益弘 (67)

指導等

首都大東京院・都市環境

金村 聖志 (61)

東理大・理

工藤 昭彦 (58)東レ

茂本 勇 (46)

慶大・理工藪下 聡 (64)

神戸大・先端融合研究環

横川 三津夫 (59)【事務局】
本格実施項目全体の原案 名大院・工／分子研作成◎岡崎 進（64）

神戸大院・科学技術イノベーション研究科

天能 精一郎（54）京都大学 学際融合教育研究センター

山下 晃一（66）【課題小委員会】（１）サブ課題 A

神戸大院・科学技術イノベーション研究科◎天能 精一郎（54）

理研・R-CCS中嶋 隆人（51）京都大学 学際融合教育研究センター

山下 晃一（66）

注１．◎：委員長、小委員会代表者、○：副委員長

別添 2-25

表 1-2 平成 31 年度以降の実施体制－2
実

施 項 目

（２）サブ課題 B（３）サブ課題 C（ ）：年齢、H31 年 4 月１日現在

代表機関・分担機関
東大・物性研【産業連携 WG】

【広報 WG】◎杉野 修（57）
館山 佳尚（48）

名大院・情報長岡 正隆（60）

名大院・工／分子研岡崎 進（64）

岡山大・異分野基礎科学研究所◎田中 秀樹（63）

北大院・理

武次 徹也（54）

早大・理工

中井 浩巳（54）

自然科学研究機構・分子研

奥村 久士（43）◎中嶋 隆人（51）

神戸大院・科学技術イノベーション研究科

天能 精一郎（54）

名大院・工／分子研岡崎 進（64）

物材機構・エネルギー・環境材料研究拠点

館山 佳尚（48）分子研◎斉藤 真司（53）

名大院・情報長岡 正隆（60）

北大院・理武次 徹也（54）京都大学 学際融合教育研究センター

山下 晃一（66）

名大院・工／分子研岡崎 進（64）

物材機構・エネルギー・環境材料研究拠点

館山 佳尚（48）

早大・理工中井 浩巳（54）

物材機構・エネルギー・環境材料研究拠点◎館山 佳尚（48）京都大学 学際融合教育研究センター

山下 晃一（66）

早大・理工中井 浩巳（54）

神戸大院・科学技術イノベーション研究科◎天能 精一郎（54）

理研・R-CCS中嶋 隆人（51）

自然科学研究機構・分子研

奥村 久士（43）【インフォマティクス活 物材機構・エネルギー・環境材料研究拠点
用 WG】

任者、サブ課題実施者

物材機構・エネルギー・環境材料研究拠点（４）基盤アプリ設計開発 理研・R-CCS【分野間連携 WG】

課題責任者、サブ課題責

理研・R-CCS◎館山 佳尚（48）中嶋 隆人（51）

注１．◎：小委員会代表者または WG 責任者

別添 2-26

表 1-2 平成 31 年度以降の実施体制－3（ ）：年齢、H31 年 4 月１日現在
課題責任者、サブ課題責実 施 項 目代表機関・分担機関

任者、サブ課題実施者、
協力者等

北大院・理

武次 徹也（54）

早大・理工

中井 浩巳（54）【プロジェクトの総合 名大院・工／分子研◎岡崎 進（64）

的推進】【研究部門】

神戸大院・科学技術イノベーション研究科◎天能 精一郎（54）（１）サブ課題 A

神戸大院・科学技術イノベーション研究科

土持 崇嗣（36）

神戸大院・科学技術イノベーション研究科

Xu Enhua（36）神戸大院・科学技術イノベーション研究科

西口 和孝（34）

神戸大院・科学技術イノベーション研究科

常田 貴夫（50）（２）サブ課題 B

理研・R-CCS○中嶋 隆人（51）

理研・R-CCS

嶺澤 範行（43）

理研・R-CCS

米原 丈博（44）

理研・R-CCS

植村 渉（33）

理研・R-CCS

川嶋 英佑（28）

岐阜大／理研・R-CCS

神谷 宗明（42）

岐阜大／理研・R-CCS

中塚 温（36）

京都大学 学際融合教育研究センター○山下 晃一（66）京都大学 学際融合教育研究センター

金子 正徳（27）

日本女子大

村岡 梓（42）

東大・物性研◎杉野 修（57）

東大・物性研春山 潤（34）

東大・物性研笠松 秀輔（32）

東大・物性研YAN, Lei (30)

東大・物性研Azhikodan Dilna (31)

物材機構・エネルギー・環境材料研究拠点○館山 佳尚（48）

物材機構・エネルギー・環境材料研究拠点

CHOUDHARY Ashu（34）

物材機構・エネルギー・環境材料研究拠点

JALEM Randy（36）

物材機構・エネルギー・環境材料研究拠点

GAO Xichan（31）

物材機構・統合型材料開発・情報基盤部門

袖山 慶太郎（43）注１．◎：サブ課題責任者、○：サブ課題実施者

別添 2-27

表 1-2 平成 31 年度以降の実施体制－4（ ）：年齢、H31 年 4 月１日現在
課題責任者、サブ課題責実 施 項 目代表機関・分担機関

任者、サブ課題実施者、協力者等（２）サブ課題 B（続名大院・情報○長岡 正隆（60）き）

名大院・情報北村 勇吉（31）

名大院・情報田中 佑一（29）

名大院・工／分子研○岡崎 進（64）

名大院・工篠田 渉（48）

名大院・工藤本 和士（34）

名大院・工吉井 範行（47）

名大院・工安藤 嘉倫（41）

名大院・工

張

名大院・工

永井 哲郎（33）

玉川大・工坂下 達哉（35）

阪大院・工森川 良忠（52）

阪大院・工濱田 幾太郎（45）

阪大院・工稲垣 耕司（54）

阪大院・工木﨑 栄年（39）

産総研・機能材料ｺﾝﾋﾟｭﾃｰｼｮﾅﾙﾃﾞｻﾞｲﾝ研究ｾﾝﾀｰ

大谷 実(47)

東北大・AIMR

赤木 和人(48)

名工大院・物質工

中山 将伸（44）

富士フィルム奥野 幸洋（48）日産アーク

大脇 創（46）

株式会社東芝塚越 隆行（32）

大阪府大院・理麻田 俊雄（52）

名大・未来材料・システム研究所

安田 耕二（50）

滋賀大・データサイエンス教育研究センター

高柳 昌芳（38）

京大・ESICB

竹中 規雄（37）

福井大院・工玉井 良則（53）

京都工芸繊維大院・工芸科学

藤原 進（52）

九州工大・情報工学院

入佐 正幸（56）

注１．◎：サブ課題責任者、○：サブ課題実施者

別添 2-28

家超（31）

表 1-2 平成 31 年度以降の実施体制－5（ ）：年齢、H31 年 4 月１日現在
課題責任者、サブ課題責研 究 項 目代表機関、分担機関、協力機関

任者、サブ課題実施者、協力者等（２）サブ課題 B（続トヨタ自動車株式会社

菅 義訓（50）き）

トヨタ自動車株式会社

高橋 伸彬（36）トヨタ自動車株式会社

木村 将之（32）トヨタ自動車株式会社

石倉 舞子（29）（３）サブ課題 C

岡山大・異分野基礎科学研究所◎田中 秀樹（63）岡山大・異分野基礎科学研究所

松本 正和（50）

岡山大・異分野基礎科学研究所

矢ヶ崎 琢磨（40）

北大院・理○武次 徹也（54）

北大院・理前田 理（39）

北大院・理

小林 正人（38）

北大院・理

岩佐 豪（37）

北大院・理

高

北大院・理

小野 ゆり子（45）

北大・触媒科学研究所

長谷川 淳也（48）東京大学大学院工学系研究科

中山 哲（45）

首都大学東京・都市教養学部

中谷 直輝（36）

敏（32）

早大・理工

○中井 浩巳（54）

早大・理工吉川 武司（35）

早大・理工

西村 好史（33）

早大・理工

周

建斌（34）

自然科学研究機構・分子研○奥村 久士（43）

自然科学研究機構・分子研伊藤 暁（41）

産総研・機能材料ｺﾝﾋﾟｭﾃｰｼｮﾅﾙﾃﾞｻﾞｲﾝ研究ｾﾝﾀｰ

浅井 美博（59）

産総研・機能材料ｺﾝﾋﾟｭﾃｰｼｮﾅﾙﾃﾞｻﾞｲﾝ研究ｾﾝﾀｰ

石田 豊和（48）

注１．◎：サブ課題責任者、○：サブ課題実施者

別添 2-29

表 1-2 平成 31 年度以降の実施体制－6（ ）：年齢、H31 年 4 月１日現在
課題責任者、サブ課題責研 究 項 目代表機関、分担機関、協力機関

任者、サブ課題実施者、協力者等（4）基盤アプリ設計

理研・R-CCS◎中嶋 隆人（51）開発

岐阜大／理研・R-CCS

中塚 温（36）

神戸大院・科学技術イノベーション研究科

天能 精一郎（54）

名大院・工／分子研岡崎 進（64）

物材機構・エネルギー・環境材料研究拠点

館山 佳尚（48）

東大・物性研杉野 修（57）

産総研・機能材料ｺﾝﾋﾟｭﾃｰｼｮﾅﾙﾃﾞｻﾞｲﾝ研究ｾﾝﾀｰ

大谷 実(47)

東北大・AIMR

赤木 和人(48)

物材機構・情報統合型物質・材料研究拠点

袖山 慶太郎（43）

名工大院・物質工

中山 将伸（44）

阪大院・工森川 良忠（52）

阪大院・工濱田 幾太郎（45）

阪大院・工稲垣 耕司（54）

富士フィルム奥野 幸洋（48）日産アーク

大脇 創（46）

慶大・理工

泰岡 顕治（52）

電通大・情報理工成見 哲（48）

金沢大院・自然科学

長尾 秀実（56）

金沢大院・自然科学

川口 一朋（38）大阪府大院・理麻田 俊雄（52）

名大・未来材料・システム研究所

安田 耕二（50）

注１．◎：サブ課題責任者、○：サブ課題実施者

別添 2-30

表 1-3 人員計画－1
サブ課題Ａ
No.

H30

H31

主な

分担内容

役割
1
2
3

１
１
１

１
１
１

ソフト

光合成シミュレータの開発と高度化（PHF 法とそのエネルギー勾配

開発

法）

ソフト

光合成シミュレータの開発と高度化（量子モンテカルロ法とそのエ開発

ネルギー勾配法）

応用計

光合成シミュレータによる新規光触媒の物質設計

算
4
5
6
7
計

１
１
１
１
7

１
１
１
１

ソフト

太陽電池シミュレータの開発と高度化（特に高精度な励起状態の計

開発

算手法）

ソフト

太陽電池シミュレータの開発と高度化（特に大規模な分子系に対し

開発

励起状態を取り扱う計算法）

ソフト

太陽電池シミュレータの開発と高度化（特に非断熱過程を含む励起開発

状態ダイナミクスの手法とそのプログラム）

ソフト

太陽電池シミュレータの開発と高度化（特に非断熱過程を含む励起開発

状態ダイナミクスとそのための密度汎関数法の改良）

主な

分担内容

7

サブ課題Ｂ
No.

H30

H31

役割
1
2
3

1
1
1

1
1
1

ソフト

全電池シミュレータ（stat-CPMD）の二次電池系への応用の推進（次開発

世代電池界面被膜・新規電解液の特性計算）

応用

全電池シミュレータ（stat-CPMD）の二次電池系への応用の推進（力計算

場計算連携解析・材料相関の機械学習解析）

応用計

高度化されたアプリを用いたシミュレーションによる CV 実験の再現

算
4

1

1

応用計

様々な酸化物電極を用いた高活性化の指針獲得

算
5

1

1

応用計

高度化されたアプリの白金代替電極への適用

算
6
7

1
1

1
1

ソフト

全電池シミュレータの開発と高度化（Red Moon 法プログラムの電位開発

制御等の高度化

応用計

全電池シミュレータ(RedMoon)の二次電池系への応用推進（電極-電算

解液界面における被覆膜等の生成機構の解明）

別添 2-31

8

1

1

ソフト

MODYLAS：FMM 新規並列アルゴリズムの実装

開発
9

1

1

ソフト

MODYLAS：FMM 新規数学アルゴリズムの開発

開発
10

1

1

ソフト

MODYLAS：演算の単精度化、SIMD 最適化

開発
11

1

1

応用

全電池シミュレータ（MODYLAS)の三相界面における実証

計算
計

11

11

サブ課題Ｃ
No.

H30

H31

主な

分担内容

役割
1
2
3
4

1
1
1
1

1
1
1
1

応用計

MODYLAS を用いてセミクラスレートを含む多成分ハイドレートの MD

算

シミュレーションにおける実証

ソフト

量子・古典混合(QM/MM)分子動力学シミュレーションを行うための高開発

速量子化学計算のソフト開発

ソフト

反応経路自動探索法＋NTChem をベースにした触媒反応経路探索プロ

開発

グラムの開発ソフト

凝縮相内化学反応シミュレータの開発と CO2 化学吸収液の最適化

開発
5

1

1

ソフト

DFTB パラメータの開発と MOF－CO2 系への応用

開発
計

5

5

別添 2-32

表 1-3 人員計画－2
まとめ
グループ

職種

H30

H31

累計

サブ課題 A

事業担当職員

7

7

14

11

11

22

5

5

10

事業担当職員

1

1

2

補助者

3

3

6

事業担当職員

24

24

48

補助者

3

3

6

（PD など）サブ課題 B

事業担当職員（PD など）サブ課題 C

事業担当職員（PD など）事務局
合計

別添 2-33

（８）必要計算資源「京」の計算資源量
必要計算資源量（単位：ノード時間/年、H31 年度のみノード時間/4 ヶ月）
H27 年度

H28 年度

H29 年度

H30 年度

H31 年度

1,806,531

19,345,320

19,345,320

19,345,320

6,335,883※配分値「京」以外の計算資源量（単位：「京」換算ノード時間/年）
H27 年度

必要計算資源量

684,000

H28 年度

H29 年度

H30 年度

H31 年度7,800,000

8,025,000

7,660,635

7,886,535※H31 年度は配分値「京」について、H27 年度は下期（6 ケ月）だけであり、基盤アプリの開発・実証トライアルに 250,000
ノード時間 x 4 本、その他のアプリ開発・準備研究に 200,000 ノード時間 x 6 件と見積もった(配分
値:1,806,531 ノード時間)。H28 年度は、当初、申請時の計算資源量と同等と見込んだが、予算値の確定により実施内容の見直しを行った結果、「京」で必要な計算資源量は 27,000,000 ノード時間となった(配分値:19,345,320 ノード時間)。H29 年度以降については、この見積値を採用した。
「京」以外については、シミュレータ等開発のための利用、あるいは「京」の実行準備として利用することと、「京」のような大規模実行は可能性が低いことから、「京」よりも低めに計画している。前述の見直しに併せて「京」以外の計算資源量も計画の見直しを行い、H29 年度、H30 年度と先行的成果のための計算が増えることを考慮した。利用する計算センターは、名古屋大学情報基盤センターと、H28 年度から
は分子研計算科学研究センターを予定している。但し、H30 年度以降は、「京」の運用状況により、大幅な増加が必要となる可能性がある。

別添 2-34

2．研究開発内容詳細
2-1. サブ課題 A

新エネルギー源の創出・確保—

太陽光エネルギー（１）目的・意義
太陽光を利用して高効率エネルギー変換を行うための理論的研究を行う。対象を光合成系と有機系太陽電池とし、前者では、植物の光合成における明反応の仕組みを電子状態計算により明らかにし、人工光合成系の設計指針への可能性を探ると共に、金属錯体や半導体光触媒での水分解反応機構に関する基礎研究を行う。また、有機薄膜太陽電池の高効率化に向けて、分子設計とモルフォロジーや界面の制御に関する理論研究を行う。得られた知見をもとに、エネルギー変換効率の高い有機系太陽電池や人工光合成を実現するための新規エネルギー材料をシミュレーションと実験の共同研究により見出し、資源問題の解決に貢献する。
石油を輸入に頼る我が国では、それに代替する化学原料の確保が重要な課題である。太陽光によって水分解を行う人工光合成では、水素燃料の利用や CO2 との合成触媒反応による化学品の製造が期待され、実用化に向けた研究開発が国プロとして進められている。その一方で、高効率の水分解を実現する光触媒の開発には未解決な要因が多く、計算科学的なアプローチを援用した集約的な開発が必要である。本
研究項目では、主に階層的量子化学プログラム GELLAN をベースとした光合成シミュレータを開発し、ポスト「京」の十分な活用を可能にする基盤技術の整備を行う。更に、開発されたアプリケーションを用いて、半導体光触媒や植物を模した多核金属錯体の反応メカニズムの解明を行い、高効率の光触媒設計の明確な指針を示す。

図 2-1-1 有 機 太 陽 電 池 の ド ナ
ー・アクセプター界面

一方、太陽光発電は太陽電池を用いて光起電力効果を利用し、太陽光エネルギーを電気エネルギーへ
直接変換できる発電方式であり、無尽蔵にある太陽エネルギーの有効利用として、再生可能エネルギー
創生の要である。
太陽電池は光吸収材料あるいはデバイス形態などにより、多くの種類に分類されるが、光吸収層に有機化合物を用いた有機太陽電池は、軽量、フレキシブルで意匠性が高く、塗布プロセスにより安価に製造することができる事から、次世代太陽電池の主流になると期待され、現在世界中で活発な研究開発競争が行われている。本課題では、有機太陽電池における光エネルギー変換の高効率化を目指し、NTChem を中心とした太陽電池シミュレータを開発することにより、太陽光により生成したエキシトン（クーロン相互作用した電子－正孔対）の有機電子供与体（ドナー材料）
・有機電子受容体（アクセ
別添 2-35

プター材料）界面（図 2−1−1）での電荷分離過程を高効率に起こす有機物材料を探索する。またドナー・アクセプター活性層界面のモルフォロジーについて、高効率化に有効なバルク構造の実現プロセスを分子論的に明らかにする。
（２）実施内容
研究項目１

人工光合成

沈・神谷らにより光化学系 II(PSII)の酸素発生中心であるマンガンクラスタの高分解能 X 線構造が明らかにされ（図 2−1−2）、植物を模した人工光合成系の開発や類似の錯体構造を持つ活性中心のデザインが期待されている。鉄やマンガンから成る多核金属錯体の複雑なスピン状態や水分解反応を詳細に研究するためには、強い電子相関を定量的に取り扱う必要がある。これを実現するために、モデル空間量子
モンテカルロ法とスピンプロジェクションの手法の主に二つの強相関ソルバからなる光合成シミュレー
タの開発を行う。励起状態に対するエネルギー勾配法を整備し、電荷分離や反応中間体の構造を特定する。ESR や EDNMR スペクトルをプローブとすることによりモデルの検証を行うとともに、ルテニウム錯体や半導体光触媒表面での反応についても理論的な知見を集め、有効な人工光合成系の設計に必要な条件を集約的に研究する。

図 2-1-2

高分解 X 線スペクトルで得られた PSII の構造

天然光合成系については、実験研究と連携してシミュレーション研究を実行し、太陽光を用いた水分解反応のメカニズムと研究成果の人工光合成への展開を目的とした実験−理論の相互協力研究を先行成果として実施する。
シミュレーションの有用性は XRD や XFEL の分解能では不可能な水素原子の位置を含む構造最適化が可能であるのみならず、水分解反応の遷移状態の構造解明、さらには反応で生成するプ
ロトン−電子結合輸送反応のダイナミクスの解明など実験的研究が困難な問題を解明しうるところにある。本研究では特に、大規模分子計算を可能にする NTChem と十分な計算資源を使うことで、未だ議論の余地が残されている光合成水分解サイトの構造決定を行う。水分解反応は Kok サイクルと呼ばれる 5 段
階の触媒サイクルで進行する（図 2−1−3）。沈・神谷らの XRD 構造は S1 状態と称される最も安定状態で観測されたものであるが、現在 X 線損傷の程度が問題になっており、その心配のない XFEL 実験による精密化が進行中である。一方、S0、S1、S2、S3 状態における水分解触媒サイト CaMn4O5 クラスターの Mn−Mn
距離、Ca−Mn 距離は EXAFS による実測値が報告されているが、S1 以外の状態の XRD、XFEL の実験値は未

別添 2-36

だ報告されていない。そこで、本研究ではこれらの状態に対し可能な構造を大規模 QM/MM 法を使い、構造計算、電子状態解析計算、スピン状態解析計算により解明する。

図 2-1-3

酸素発生中心(OEC)の構造と Kok サイクル

更に、太陽光エネルギーを化学エネルギーに変換する光触媒に関しても材料設計を行う。特に水直接分解により水素と酸素の発生を担う光触媒材料について、従来よりも長波長の光を吸収する光触媒材料を探索する。
無機化合物あるいはそれらを種々に組み合わせた固溶体を大規模クラスターでモデル化し、時間依存密度汎関数法計算によりバンドギャップの理論的予測を行う。さらに異種元素ドープなどにより、バンドギャップ、水の酸化還元準位とのバンドアライメントの最適化を行う。光合成シミュレータを用いた新規光触媒設計と助触媒の最適化の応用研究を行う。
強相関ソルバを含む人工光合成シミュレータの開発、新規光触媒設計等は神戸大（天能）、PSII の研
究は理研（中嶋）、半導体光触媒の材料設計は京大（山下）が主に行う。
研究項目２

太陽電池

有機太陽電池では、まず①太陽光によって、②有機電子供与体でエキシトンが生成し、③有限の寿命
で相界面を拡散し、④ドナー・アクセプター異種界面で電荷分離し、⑤電荷移動（キャリア輸送）される。光照射時に両端子を解放した場合の出力電圧を開放電圧 VOC、短絡した場合の電琉を短絡電流 ISC、最大出力と VOC・ISC の比を FF とすると、変換効率は VOC・ISC・FF を入射光エネルギーで割ることにより与えられる。単結晶シリコンでは 30%に迫るデータもあるが、現在、最も効率の高い有機太陽電池でも12%であり、実用化に向けて、変換効率の向上が急務である。
高効率の太陽電池を実現するには、開放電圧や短絡電流の向上のために電荷再結合等の損失要因を取り除く必要があり、分子設計と界面・モルフォロジー制御による統合的な物質デザインが要求される。
有機系を中心にスピン制御や熱電変換機構に基づく高効率太陽電池を実現するための大規模電子状態シミュレータの開発をおこない、１万原子規模からなるヘテロ接合界面の励起状態・電荷分離状態の研究を行う。さらに、10 万原子規模の動力学シミュレーションに基づくバルク接合とメソスコピックな構造
形成・冷却過程の研究を行い、太陽電池に関わる重要な問題の解決を図る。

別添 2-37

図 2-1-4

有機太陽電池のドナー・アクセプ

ター界面のモデル

高い変換効率を有する太陽電池材料のシミュレーション設計を実現するために、NTChem を中心に備えることで太陽電池シミュレータを開発する。具体的には、数千～1 万原子規模の大規模分子系であるドナー・アクセプター界面（図 2−1−4）での電荷分離状態をシミュレーションするため、励起状態における電子状態計算を可能にする時間依存密度汎関数法に対してメモリ分割を施した効率の良い並列アルゴ
リズムを開発し、そのプログラムを実装する。加えて、より大規模なドナー・アクセプター界面での電
荷移動・電荷分離過程をシミュレーションするため、大規模な分子系を領域分割して選択的に励起状態を取り扱う計算法を新たに開発し、シミュレータに実装する。現状の時間依存密度汎関数法計算で用いられている交換相関汎関数では有機系太陽電池のエネルギー変換機構においてもっとも重要な過程だと考えられる電荷移動状態を正確に記述することが難しいため、電荷移動状態を正確に表現することができる新たな交換相関汎関数の開発も同時に行う。有機系太陽電池のエネルギー変換機構を確立するため、開発した励起電子状態計算法に基づいて電子移動カップリングを見積もる手法および、非断熱過程を含
む励起状態ダイナミクスの手法とそのプログラムを開発し、太陽電池シミュレータに実装する。
有機太陽電池の変換効率が低い原因として、まず有機物材料の誘電率が小さく、光吸収により生成した電子―正孔対がドナー・アクセプター材料界面へ拡散する過程で容易に再結合することが上げられる。
さらに界面での電荷移動状態の再結合(Geminate Recombination)や電荷分離後の自由な電子と正孔の再結合(Bimolecular Recombination)が変換効率を下げる主要な素過程として考えられる。これらの要素を種々のドナー・アクセプター界面について解析し、変換効率との相関を明らかにする。VOC がドナー材料の HOMO とアクセプター材料の LUMO の軌道エネルギー差に相関することから、これまで計算化学に基づいた有機分子材料設計が行われてきたが、変換効率の理論的限界は 10 数%と予測され、実用化のめどとされる変換効率 15%に向けては、ISC を飛躍的に増加させる有機物材料設計指針が不可欠である。ISC は有機電子供与体・有機電子受容体の相互作用と光誘起による電子物性に強く依存しており、高精度な電子状態計算により予測可能である。これらの電子物性は物質の誘電率に依存するので、無機物に匹敵する
高い誘電率をもつ有機物材料の設計による高効率化を目指す。
更に、太陽電池シミュレータを用い、ペロブスカイト太陽電池の光電荷移動機構や自由キャリア機構の解明に向けた研究を行う（図 2−1−5）。
太陽電池シミュレータは理研（中嶋）が主体となって開発を行い、新規手法を用いた有機系太陽電池の高効率化と次世代太陽電池設計の実証は京大（山下）が主導的に行う。

別添 2-38図 2-1-5鉛ペロブスカイト材料の構造（３）目標・期待される成果
アウトプット成果：
・平成２９年度終了時
電子相関理論と密度汎関数の両面からポスト「京」による光合成系の理論研究を可能にする計算手法
及び、構造や反応機構に関して実験研究と関連づける分光学的プローブの基本設計とプロトタイプ実装を行う。太陽電池シミュレータにおいては、大規模な分子系の励起状態計算の実現に向けて、数千から１万原子系の基底状態に関する密度汎関数計算のためのメモリ分割版プログラムを完成させ実装する。
有機系太陽電池のエネルギー変換機構を解明するため、電子移動カップリングを見積もる手法および、
非断熱過程を含む励起状態ダイナミクスの手法とそのプログラムを開発し、太陽電池シミュレータに実装する。
上記研究で開発した光合成シミュレータを用いた新規光触媒への応用研究を実施すると共に、太陽電池シミュレータを用い、ペロブスカイト太陽電池の光電荷移動機構を解明する。
・本格フェーズ終了時
1020 以上の複雑な電子配置が重要な寄与をする電子系の高精度計算を可能とする光合成シミュレータが完成し、複雑な組成を持つ半導体光触媒の吸収特性・反応制御や、電子相関が強くこれまで取り扱いが困難であった多核金属錯体による人工光合成系の定量的な取り扱いを可能とする。天然光合成系において、未だ XRD・XFEL 構造の得られていない S2 状態の最も確からしい構造をシミュレーションにより確定し、今後の XFEL の実験に有用な知見を与えるとともに，人工光合成系で水分解反応を実現するために重要となる金属錯体の構造因子に関し有用な情報を提案する。
数千から１万原子系の大規模な分子系の励起状態に関する時間依存密度汎関数計算のためのメモリ分
割版プログラムを完成させ、太陽電池シミュレータに実装する。太陽電池シミュレータを使うことで、大規模な太陽電池材料の基底状態と励起状態での挙動や物性をシミュレーションし、短絡電流 ISC を飛躍的に増加させる有機物の材料設計に必要な励起状態ダイナミクス計算が可能になる。
光合成シミュレータを用いた新規光触媒設計と助触媒の最適化を行う。また、太陽電池シミュレータ
を用いペロブスカイト太陽電池の高効率性に関わる自由キャリア機構を解明する。更に、ドナー・アク
セプター界面の電子的特性と変換効率との相関に基づいて、ISC を飛躍的に増加させる有機物材料設計を行い、実験研究者との連携で高効率な太陽電池を実現すると共に、実用化のめどとされる変換効率 15%に向けた提案を行う。
別添 2-39

・ポスト「京」運用開始５年後
天然と既存の人工光合成系の機構解明を行うとともに、新規の半導体および多核金属錯体による人工光合成系の設計を行いプロトタイプ実証への指針を明確化する。
天然光合成系で得られた知見をもとに、天然の光合成系に学び模倣した人工光合成のための新規触媒開発を行う。可視光領域で水から水素を効率良く作ることのできる光触媒の理論設計を実現する。
人工光合成化学プロセス技術研究組合（ARPChem）は NEDO プロジェクトで太陽エネルギーを利用した
光触媒による水からの水素製造で 2015 年 3 月世界最高レベルでの太陽光エネルギー変換効率 2%を達成
し、2021 年度末 10%達成を目指しているが、大規模理論計算による光触媒材料探索により同プロジェク
トと連携することにより、目標達成に寄与できる。
太陽電池のさらなる高効率化を目指して、企業と連携して分子レベルからメソスコピックな物質デザインを進め、太陽光を無駄なく使うためのアップコンバージョン、ダウンコンバージョン等による新規変換機
構に基づく太陽電池、新規有機物を用いたタンデム型太陽電池、また熱電変換とのハイブリッド型太陽電池の知見を得る。
ソフトウェアの普及とユーザーの利便性の向上を考え、シミュレータの入力支援プログラムや可視化などの入出力の機能を充実させることでシミュレータの幅広い分野での活用・普及に努める。また、サブ課題 C と連携して GRRM 法を用いた網羅的な化学反応経路探索などの機能を拡張することで、太陽電池
シミュレータの適用範囲を太陽電池材料に限らず、不均一系の触媒設計にも利用できるようにする。
アウトカム成果：
・ポスト「京」運用開始５年後開発されたシミュレータが普及する。新規変換機構に基づく太陽電池について企業との連携によるプロトタイプ実証を開始する。
・ポスト「京」運用開始１０年後
シミュレータによる高効率な光エネルギー変換物質の研究が産学で一般化する。新規変換機構に基づ
く太陽電池について企業との連携により世界に先駆けて実証する。
分子・物質レベルのミクロな情報から材料の物性や挙動を予測できるマテリアルデザインのための総合的なモデリング/シミュレーション環境を提供し、触媒、医薬品、ポリマー、燃料電池、太陽電池、強相関物質などの製品化をターゲットとして多くの分野のニーズに資する統合シミュレータとして普及する。
（４）「京」でできていること、ポスト「京」でなければできないこと「京」ではナノスケールのデバイス材料のポストハートリーフォック計算が行われ、高精度なエナジェティックスや開放電圧に関連するイオン化エネルギーの計算が行われている。モデル空間量子モンテ
カルロ法においても、マンガンクラスタのスピン状態の計算が行われ、著しい成果をあげている。人工光合成系の統合シミュレーションには 1020 以上の電子配置を用いた高精度計算による実証が不可欠であるが、「京」では数年から数 10 年の計算リソースが要求され、実現が不可能である。ポスト「京」で開

別添 2-40発する人工光合成シミュレータでは、このような計算が 1 週間から 1 ヶ月程度で可能となり、計算機による光合成物質の設計の実現性が見えて来る。
太陽電池関連の計算については、「京」において数百原子までの分子の励起状態の量子化学計算が実現されているが、有機系太陽電池におけるヘテロジャンクションを含めた現実系界面のシミュレーショ
ンには 10,000 原子規模の取扱いが不可欠である。
メモリ分割を施した効率の良い並列アルゴリズムを開発・実装することで、「京」では 1 年 (計算資源の問題で実際には京では不可能) を必要として成果を見込むことができない計算をポスト「京」により 1 週間で終了することが可能となる。
（５）実施体制
サブ課題 A の実施体制を図 2−1−6 に示す。光合成シミュレータの開発は天能（神戸大）が、太陽電池
シミュレータは中嶋（理研）が主体となって開発を行う。シミュレータの開発には、計算科学者（岐阜大、電通大、分子研）と計算機科学者（神戸大、理研）との協力の下でポスト「京」の仕様と言語を十分に考慮した上で進める。又、山下（京大）を中心に、太陽電池と光触媒の先行的な応用研究を行い、ポスト「京」運用に向けた知見の蓄積を行う。太陽電池に加え天然光合成や ARPChem で研究を進める実験研究者を中心とした連携体制を整備するとともに、プロトタイピングに向けた企業との協力を図る。

図 2-1-6 サブ課題 A 実施体制

別添 2-41

2-2．サブ課題 B

エネルギーの変換・貯蔵－

電気エネルギー（１）目的・意義
太陽光発電などを用いて創生された一次エネルギーを化学エネルギーとして安定に貯蔵し、消費時に電気エネルギーに変換して利用するためのインフラの構築が始まっている。蓄電社会や水素社会の実現
にとって最も重要な基盤技術は、二次電池技術と燃料電池技術である。これらの電池は電気自動車や燃
料電池自動車（図 2-2-1）、家庭用電源装置として既に商用化され、今後急速な普及が見込まれている。
それだけでなく、今後はスマートグリッドや産業用電源等の大型用途への利用が始まる。これらの推進のためには、電池の低コスト化、高信頼性、高耐久性、汎用元素の利用等が求められる。より優れた二次電池の開発に加え、燃料電池に関しても、白金触媒と高分子膜を用いた固体高分子形燃料電池が燃料
電池車やエネファームとして商用化されているが、今後の普及には、より低価格な触媒と高分子膜等による耐久性や信頼性・エネルギー効率の向上が不可欠となる。

図 2-2-1 燃料電池車

近年、「京」コンピュータを用いた高度計算機利用において各部材のバルク特性にとどまらず材料界面で起こっている現象に対しても原子・分子スケールでの計算がおよびつつあり、最新の実験結果と組み合わせた微視的な構造の決定や機構の解明につなげることが可能になってきた。この最新の科学的手法
を電池開発に向けて更に発展させ、諸外国に先駆けて現実の電池開発で利用可能な基盤技術として開発・提供することは、わが国の競争力を高める重要な要素となる。
そこで本サブ課題では、実験では決してみることのできない電極界面近傍での反応と物質移動のミクロ機構を、ポスト｢京｣を用いて明らかにすることに注力し、実験研究者と協力して、電池全体過程を明らかにしていく。このため、これまで開発してきたシミュレーション手法を多様かつ複雑な電池過程に適用できるように全電池シミュレータを微視的理論に基づいて発展させる。これを用いて、電極・電極
被膜・電解質膜・電解液界面挙動に関する学理を構築し、各電池部材の最適材料設計・探索を目指した
総合的な研究活動を行う。
（２）実施内容
実験科学者・企業研究者と連携を取りながら、様々な計算手法(第一原理 MD、古典 MD、QM/MM 法、Red
Moon 法（混合 MC/MD 反応法）など)を駆使して全電池シミュレータを発展させ電極・電解質界面を含む
ナノスケールの構造や電池過程の解明が可能であり、しかもそれに基づいた材料設計や電池特性の予測についても実行可能にする。
別添 2-42

研究項目１

二次電池

リチウムイオン電池の電解液および電極-電解液界面における電子状態と原子配置に関する第一原理
分子動力学計算（図 2-2-2）および、化学反応の効果を取り入れた Red Moon 計算（混合 MC/MD 反応計算）を発展させ、電極—電解液界面の構造および特性を予測可能とする。電池機能を左右する界面保護膜（SEI
膜:Solid-Electrolyte Interphase 膜）の形成機構に注目し SEI 膜を通したイオンの電極内部への移動のシミュレーションを行うことにより電極や電解液などの材料設計につなげるための手法を構築する。
この目的のために stat-CPMD の反応自由エネルギー計算機能の強化や RedMoon の計算規模の拡大等を行い、より現実的な状況下での計算の高精度化を果たす。構築されたシミュレータをリチウムイオン電池に適用して早期成果創出を行うとともに、次世代二次電池の問題に取り組む。

図 2-2-2

電極被膜・電解液界面

次世代二次電池においては、全固体電池やナトリウムイオン電池等が重要となる。これらにも対応できるように電極-固体電解質界面への計算の拡張を行うとともに、イオン半径やルイス酸性の異なるイオンに関するイオン輸送の向上等を目指した物質探索が可能なシミュレータを構築する。さらに次々世
代電池においては、リチウム空気電池や多価イオン電池における界面酸化還元反応の制御等が問題になる。これらの問題への対応も視野に入れたシミュレータ開発を行う。また、材料探索に資するシミュレ
ーションも行い早期成果を創出する。
また、二次電池における不均一環境下でのイオン輸送など電池材料としての機能発現の分子過程を解明する。このため、古典分子動力学シミュレーションに基づいて、イオン輸送の最適化のために必要な
電極界面近傍のイオン伝導度の解析手法を確立する。特に、位置に依存するイオン移動の評価方法を確立し、全原子シミュレーションに基づいて、樹脂表面の化学的状態や表面からの距離の関数として伝導度を評価する。
stat-CPMD を用いた第一原理シミュレーションは物材機構（館山）、MODYLAS を用いた分子動力学シミュレーションは名大院工（岡崎）、RedMoon を用いた混合 MC/MD 反応シミュレーションは名大院情報（長岡）がそれぞれ担当する。また、この三者および東大物性研（杉野）が連携して各シミュレーション結果に基づき電池としての機能を予測するための手法を構築する（図 2-2-3）。

別添 2-43図 2-2-3

CV 曲線

出典：J. Electroanal. Chem. 421, 79 (1997)
研究項目２

燃料電池

高効率で高耐久性な燃料電池の電極触媒（図 2-2-4）の実現に向けて、固体電子論と溶液理論を組み合わせることにより電位差印可に起因して形成される電気二重層を的確に取り扱い、電極界面の構造や反応自由エネルギーを計算することが可能な電極シミュレータを、第一原理分子動力学法(STATE)をベースに開発する。燃料電池反応機構を解明したり反応抵抗を予測したりするのに必要な物性値を電極シ
ミュレーションに基づき導出する。また、遷移金属酸化物電極などの構造や反応に関する電極シミュレーションを行い、次世代の白金代替燃料電池材料の開発指針の獲得を実験グループと共同で目指す。

電解質膜
正極

負極

酸素

水素

水
触媒
燃料電池の模式図

図 2-2-4 燃料電池の模式図

強靭で高性能な高分子電解質膜（図 2-2-5）の実現に向けて、電解質膜に特徴的な大域的構造とそれに由来する膜強度やイオン伝導度等を記述するために必要な 1000 万～1 億原子で構成される高分子大規模系に対する分子動力学計算を可能にするシミュレータを、MODYLAS をベースに開発する。これに基づいて、標準的な電解質膜に対して乾湿サイクルによるモルフォロジー変化を明らかにするとともに、破壊の分子機構を解明する。またプロトンの輸送、酸素や水素の遮断など電池材料としての機能発現の別添 2-44

分子過程を解明する。さらには、電極-アイオノマー-カーボン集電体三相共存界面における構造モデルを提供し界面構造と輸送抵抗の関連を明確にし、上記反応抵抗とあわせることにより燃料電池としての機能予測の確立に貢献する。

図 2-2-5

燃料電池高分子

電解質膜
電極シミュレーションは、東大物性研（杉野）が担当し、電解質膜シミュレーションは名大院工（岡崎）が担当する。反応抵抗や輸送抵抗等に関する物性値を獲得し、燃料電池の CV 曲線の予測が可能な全電池シミュレータの構築を目指す。
（３）目標・期待される成果
研究項目 1 二次電池
アウトプット成果：
・平成２９年度終了時
次のようなリチウムイオン電池の電極-電解液界面およびその近傍での構造や反応輸送特性をシミュ
レーションするための手法が構築され、材料開発に資する知見も早期創出される。stat-CPMD を用いて数千原子規模での第一原理反応自由エネルギー計算を実行可能にする。これをリチウムイオン電池の電解液−電極界面に適用して SEI 膜の形成機構と特性、ならびに、その電極構造や電解液依存性を原子レベルから解析可能にする。また、既存の電解液を高耐久化するための知見を得て開発に貢献する。
また、RedMoon を用いた混合 MC/MD 反応法プログラムを発展させ、多様な酸化還元反応や重合反応を汎用的に取扱うための典型的な MC プロトコルを実装し、原子間結合の生成および切断、分子の並進移動などを汎用的にシミュレート可能にする。さらに、数十万原子規模の系に対して混合 MC/MD 反応シミュ
レーションを可能とする。
さらに、100 万～1000 万原子系の古典分子動力学計算に基づいて、二次電池セパレータ界面等の不均一環境下でのイオン輸送の最適化が可能となるイオン伝導度の解析手法を確立する。

別添 2-45

・本格実施フェーズ終了時
stat-CPMD を用いた反応自由エネルギー計算を発展させ、計算規模の拡大および計算対象の次世代・
次々世代二次電池への拡張を行う。実験的知見の少ないナトリウムイオン電池等に対しても界面の構造や界面保護膜の形成機構、界面でのイオン輸送、電極反応等が予測可能なシミュレータを開発する。また、これを用いた各種電池過程のシミュレーションを行い早期成果を創出する。特に電解液開発への貢献が期待できる。5000 原子規模 stat-CPMD あるいは STATE に電位差を印加する機能を導入する。これを用いて、リチウムイオン電池や次世代・次々世代電池の電解液を探索して候補物質を提案する。また、リチウムイオン電池の SEI 膜の形成機構、膜中のリチウムイオン輸送機構を提案する。次世代・次々世
代電池に関しても電解液−電極界面反応の微視的機構を提案する。
RedMoon を用いた界面での酸化・還元および重合反応シミュレーションを 100 万原子規模に拡大する。
また、RedMoon に電極電位を制御する機能を導入する。これを、リチウムイオン電池や次世代・次々世
代電池の負極での SEI 膜形成に適用し、実問題解決に向けた応用計算を実施する。この膜モデルを用いて、stat-CPMD 等によるシミュレーションから得られた情報も活用し、膜の形成機構やイオン輸送特性の予測を行う。
古典分子動力学シミュレーションに基づいて、電極界面近傍等位置に依存するイオン移動度の評価方法を確立し、また高分子の破壊を可能とする 1 億～10 億原子系を取り扱うことのできるシミュレータを
MODYLAS をベースに開発する。上記の成果を基に、固体電子論第一原理計算と古典分子動力学計算を組
み合わせて全電池シミュレータを発展させ、イオンの輸送特性に関する知見を実験とも連携して、電極や電解液の材料設計指針の獲得を行う。
・ポスト「京」運用開始５年後
リチウムイオン電池に対して開発シミュレータを適用し、第一原理計算をベースにした二次電池の電流電圧曲線解析を行う。これを用いて、企業研究者や実験研究者と共同で材料設計を行う。また、開発
シミュレータの産業界等への技術移転を始める。さらに、リチウム空気電池や多価イオン電池など、次々
世代二次電池における電解液および電解液−電極界面の反応機構を解明し、材料開発に貢献する。
アウトカム成果：
・ポスト「京」運用開始５年後「京」およびポスト「京」によって提案あるいは確認された電解液または電極材料の幾つかの商品化が行われる。電気自動車開発やスマートグリッド社会構築が加速する。開発シミュレータが企業等で用いられ始め、開発期間の短縮に貢献する。
次世代、次々世代二次電池の電解液-電極界面での反応輸送シミュレーションが本格稼動して、実験データを補う形で計算結果が得られるようになる。電池過程の理解が飛躍的に進む。また、材料開発への理論の貢献が増すと同時に、実験・開発・理論がチームを構成して研究を行なう体制が普通にとられるようになる。
・ポスト「京」運用開始１０年後
蓄電社会、水素社会の構築が進んだ結果、自然エネルギーの全エネルギーに対する割合が増加する。
開発シミュレータ技術が普及し、電池開発に不可欠な基盤となる。

別添 2-46

研究項目 2 燃料電池
アウトプット成果：
・平成２９年度終了時
次の様な燃料電池の電極電解質界面に関するシミュレータが開発され、反応過程やイオン輸送過程の理解を進める。また、次世代の燃料電池等の開発に資する早期成果を創出する。
第一原理分子動力学法(STATE)をベースに固体電子論と溶液理論を組み合わせることにより、燃料電
池電極界面の構造や反応自由エネルギーを計算することが可能な電極シミュレータを開発する。これと並行して 100 万～1,000 万原子の高分子電解質膜に対して分子動力学計算による相分離構造の解析やイ
オン輸送および破壊のシミュレーションが可能なシミュレータを、MODYLAS をベースに開発する。
これらのシミュレータを用い、燃料電池の反応機構の解明や反応抵抗、輸送抵抗等の電池機能を予測するのに必要な物性値を導出する。また、遷移金属酸化物などの白金代替物質の構造や反応に関する電極シミュレーションを行い、高効率高耐久な電極開発に資する。さらに、高分子電解質膜の性能向上に向けた材料設計指針を得る。
・本格実施フェーズ終了時
燃料電池電極界面の構造や反応自由エネルギーの計算効率や精度を向上させ、界面構造等と反応機構
や反応抵抗との関連を解明することが可能な電極シミュレータを開発する。また高分子電解質膜に特徴的な大域的構造とそれに由来する膜強度やイオン伝導度、また電極・電解質膜界面等の解析が可能な 1
億～10 億原子系に対する分子動力学計算を実現するシミュレータを開発する。これらのシミュレーショ
ンを組み合わせて、電流電圧曲線を求めることを可能にし、微視的情報から電池機能を予測する手法を構築し、全電池シミュレータを発展させる。
これらのシミュレータを用い、遷移金属酸化物などの白金代替物質を用いた次世代型燃料電池の活性向上のための組成や構造に関する設計指針を獲得する。標準的な電解質膜に対して乾湿サイクルによる
モルフォロジー変化を明らかにするとともに、破壊の分子機構を解明する。またプロトンの輸送、酸素や水素の遮断など電池材料としての機能発現の分子過程を解明する。
更に、電解質膜開発に関しては総理府 ImPACT プロジェクト「しなやかタフポリマー」（代表：伊藤耕三）と連携し、開発企業と共同で、社会的に緊急度の高い強靭で高耐久性、高信頼性を持ちながら高プ
ロトン伝導性を備えた実用的な自動車用燃料電池電解質膜の設計指針を実験結果のフィードバックを得ながら提供し、開発に貢献する。これにより、「京」を用いた先行的成果として実際に路上で運転されるコンセプトカーの試作につなげる。
・ポスト「京」運用開始５年後
シミュレーション研究の蓄積に基づき、電極付近での酸化還元反応と電解質膜の大域的構造の関連を解明する。開発シミュレータを産業界等へ技術移転し、産学連携による高出力、高耐久性のための燃料電池材料の設計指針を提案する。

別添 2-47

アウトカム成果：
・ポスト「京」運用開始５年後
ポスト「京」によるシミュレーションにより、燃料電池の高性能化、高耐久化のための研究が促進される。開発シミュレータが企業等で用いられ始め、開発期間の短縮に貢献する。
・ポスト「京」運用開始１０年後
水素社会の構築に必要な家庭用、自動車用燃料電池の低価格化、耐久年数の伸長が進み、自然エネル
ギーの全エネルギーに対する割合が増加する。開発シミュレータ技術が普及し、電池開発に不可欠な基
盤となる。
（４）
「京」でできていること、ポスト「京」でなければできないこと「京」では、古典 MD 計算で数百万—一千万原子規模（サイズとしては 50nm3 スケール）のサンプリングが可能となっている。これは多孔質膜の不均一性を記述するための最低限必要なサイズでしかない。第一原理 MD 自由エネルギー計算では千原子規模（サイズとしては 2nm3 スケール）のサンプリングが可能となっており、電解液や界面系のシンプルな酸化還元反応を取り扱える程度となっている。
ナノ細孔により構成される多孔質膜を取り扱った電解質膜設計を行う場合 1-10 億原子系の古典 MD 計算を要する。
また全電池シミュレータに向けた電解質膜と電極、電解液の三相界面の研究にもポスト「京」を用いた大規模な計算が不可欠である。第一原理 MD については電解液—電極界面の化学反応・イオン輸
送が複合した過程の取り扱いが要求され、原子数で五千規模の系の大規模サンプリングが必要となる。
新規開発の手法をポスト「京」に適用することにより、既存のアルゴリズムでは「京」を用いて２年かかる計算が 10 日で行えるようになるものと考えている。
（５）実施体制
サブ課題 B の実施体制を図 2-2-6 に示す。二次電池シミュレーションは、館山（物材機構）、岡崎（名大院工）、長岡（名大院情報）が主に担当し、燃料電池シミュレーションは杉野（東大物性研）、岡崎（名大院工）が主に担当する。シミュレーションソフトを互いに参照、ないし、連携させて動作させるための開発を行い、全電池シミュレータとして統合する。

別添 2-48

図 2-2-6 サブ課題 B 実施体制
計算科学・理論科学・計算機科学の連携体制については、大谷（産総研）、赤木（東北大）、袖山（物材機構）、濱田（阪大）、中山（名工大）、森川（阪大）、奥野（富士フイルム）、大脇（日産アーク）、泰岡（慶応大）、長尾（金沢大）、成見（電通大）、麻田（大阪府大）らが研究協力者として参画し、二次電池に関連する計算研究を遂行するとともに、全電池シミュレータ作成に協力する。また南（理研）ら計算機科学者とも連携し、さらなる分子動力学プログラムの高効率化を進める。
また、燃料電池研究については、重点課題６「革新的クリーンエネルギーシステムの実用化」と連携し、本重点課題において量子力学、古典力学などの基礎方程式から出発したシミュレーションに基づいて得られる燃料電池の原子、分子レベルの情報、微視的な情報（最大空間スケール 100nm）を、重点課
題６において流体力学（例えば格子ボルツマン法）などに基づいて実施する巨視的なシステムシミュレーション（格子ひとつの大きさは 20nm、扱う空間は 20μm）に提供し、そこで検討される水循環や燃料ガスの供給（気液 2 相流）など電池運転条件の最適化の研究に貢献する。同時に、課題⑥で得られる電池材料の置かれた巨視的環境を本課題で実施する微視的シミュレーションに反映させ、より現実的な実験条件下での材料研究を進める。
MODYLAS 開発については、東大情報基盤センター、名古屋大情報基盤センターとのメニコアに対応したアルゴリズムを用いた高速化・最適化の共同研究、グランドデザインに関わる理研、慶大、電通大、
金沢大、分子研からの知識・情報の提供、そして、コデザインについて重点課題１、７と協力・連携する。一方、stat-CPMD, STATE については同じ平面波基底プログラムが関連する重点課題７サブ課題 G、
東大物性研と連携をしながら開発を進める。

別添 2-49

2-3 サブ課題 C

エネルギー・資源の有効利用 － 化学エネルギー（１）目的・意義
エネルギー資源を輸入に頼る我が国では、エネルギーの有効な循環が国家的重要課題である。本サブ課題では、化学エネルギーの新規な資源開発と貯蔵の効率化を目指す。エネルギー・環境問題解決に必須であるメタンと CO2 の分離・回収、貯蔵、変換にわたる化学エネルギーの高度利用を目指して、ポスト「京」を活用できるアプリケーションを開発し、企業や実験研究者との緊密な連携をとりつつエネ
ルギー多消費型工業プロセスを革新する。そのために、化学エネルギー創成・消費の根幹となるメタン
ハイドレートの資源化および CO2 の分離・回収、貯蔵による化石燃料の安定的利用、さらに高機能触媒の開発を実施する。
水は地球上に普遍的に存在する無害で環境負荷の少ない物質であり、資源および貯蔵媒体、また蓄冷物質として水の利用を図ることは、化学エネルギーの創生とエネルギーサイクル構築の観点から、極めて重要である。日本近海に埋蔵されているメタンハイドレートからのメタンの生産と貯蔵、また環境負荷の少ないハイドレートの別の有効な利用法として、水素やオゾンの安全な貯蔵法の実用化に対する指針の提供を目的とする。ハイドレートは CO2 の廃棄手段の候補でもあり、メタンハイドレートに CO2 を注入し、メタンハイドレート中のメタンを CO2 に置換しつつ、有用なメタンを得る可能性を、理論的基盤に基づきダイナミクスを含めて検証する。一方、水の相転移時の大きな潜熱を利用して、新規な蓄熱材料を開発することが強く期待されている。このうち、セミクラスレートを主とする蓄冷材は、構造や熱力学等の基礎的な情報が未解明であり、これらを微視的観点から基礎原理を解明して、実用化につなげる。
一方、物質科学分野において、触媒はエネルギー問題を解決する鍵を握る。本課題では、産業界に需要のある「触媒反応機構解明のための反応経路探索技術」を確立し、理論が先導する高収率高選択性の新規触媒設計というアプローチの実現を目指す。国内ではここ十年ほど貴金属を豊富元素に置き換える
元素戦略プロジェクトが進められており、実験と理論計算の協働が重要視されている。白金などの貴金属を使用しない高機能触媒の開発が実現すれば、エネルギー多消費型物質生産の革新を達成することができる。
更に、地球温暖化防止をはじめとする環境諸問題の対策と、化石燃料の有効利用によるエネルギーの安定供給が可能な社会を築いていくため、CO2 排出量の大幅な削減が求められている。この目標達成に向けて、工場や発電所などの大規模排出源から CO2 を分離・回収する技術が近年注目を集めている。我が国でも回収した CO2 を地中深くに輸送し貯留する手段（CCS）の実証試験が開始しているが、実用化促進には CO2 分離・回収のコスト削減が求められている。そのためには、反応条件の制御および材料の高性能化が必要である。ここにおいて計算科学を用いた微視的視点からの反応原理の究明、および系統的な物質の特性評価が課題解決を加速するアプローチとして期待されている。本研究では、超並列電子状態
計算に基づく大規模 CO2 分離・回収シミュレーションとその解析を実現するアプリケーションの構築を行う。これを用いて CO2 の効率的な分離・回収に資する革新的材料を理論先導で設計し、CO2 問題の解決に貢献する。

別添 2-50

（２）実施内容
研究項目１

ハイドレートエネルギー資源として大量に存在するメタンハイドレート（図 2-3-1）の効率的採取法の開発を目指した、大規模長時間 MD シミュレーションを実施して、メソスケールでの解離の機構解明、解離の律速過程とその解消法の探索を行なう。特に、実用化に最も有望であると考えられている減圧法では、ハイド
レートの低い熱伝導や不純物中でのガスの移動も考慮する必要があり、これらを境界条件に取り入れた
大規模なシミュレーションから、効率的な融解法への指針を得る。また、メカニカルな融解法の開拓を目指した、シミュレーションについても開発を行う。

(a)

(b)

(c)

図 2-3-1 メタンハイドレートの資源分布(a)、燃える氷としてのメタンハイドレート(b)とその分子配置(c)
メタン・水素・CO2 の貯蔵媒体としてのハイドレートの活用と高性能化を図るために、理論計算に基づき、結晶の安定性を補助する適切な添加分子種を提案する。自己保存効果とは、特定の条件において、ハイドレートの分解が著しく抑制される現象であり、ハイドレートを貯蔵媒体として利用する場合には有用だが、そのメカニズムは未解明である。このために、自己保存効果のシミュレーション、ハイドレ
ートを安定化する分子の探索、結晶化過程のシミュレーションと自由エネルギー計算を行なう。一方、
パイプラインによるガス輸送や深海底の石油採掘では、ハイドレートの形成は時としてパイプを塞栓させ、大きな事故につながる。これまでに多くの物質が速度論的なハイドレート生成阻害剤として開発されているが、その分子論的機構は未だ示されていない。自由エネルギー計算、阻害剤存在下の結晶成長シミュレーションなどによりこれを明らかにする。
これまで、我が国の近海に豊富に存在するメタンハイドレートからメタンを回収するための「メタンハイドレート資源開発研究コンソーシアム」が組織され、試掘は行われているが、コストの問題は未解
決である。このような国家的課題に対して、ポスト「京」を駆使した大規模な構造探索から、蓄冷材としてのセミクラスレートの性能の向上のための包括的な評価を行い、東北大学や企業との連携・共同研
究により、実用化に対する問題解決の一端を担う。
以上は、岡山大（田中）が、分子研（奥村）、産総研（石田）と協力して推進する。

別添 2-51

研究項目２

触媒

武次、前田（北大）が中嶋（理研）と協力し、反応経路自動探索法（図 2-3-2）を NTChem に連結して一般的に未知の触媒反応機構を解明する反応経路探索計算技術を確立する。これを産業界で重要な革新的触媒の理論設計へと適用し、具体的指針を実験家に提供する。大規模計算によって初めて可能となる触媒反応の実在環境モデル（例えば担持金属微粒子触媒であれば基板の欠陥、溶媒を露わに考慮し、単位セルを現況の十倍以上に広げるなど、図 2-3-3 参照）を構築し、経験的描像を排した反応経路探索
計算によって理論先導型の触媒設計の実現につながる研究を展開する。

図 2-3-2 反応経路自動探索法

図 2-3-3 担持金属微粒子触媒の描像

具体的触媒反応として CO2 固定化と酸素還元反応(ORR)を取り上げる。CO2 は研究項目１、３で貯蔵、分離・回収の対象となっているが、本項目では CO2 変換による有効資源化を目指す（サブ課題内連携）。有機合成化学実験の立場から CO2 固定の触媒開発を先導する依馬（岡山大）及び QM/MM 計算技術を有する長谷川（北大）と連携し、大規模な反応経路探索計算を実施して CO2 固定高機能触媒の実現を目指す。ORR
触媒についてはサブ課題 B の高効率燃料電池開発の目標に挙がっており、サブ課題間連携として取り組む。燃料電池では酸素極での ORR 触媒として白金が使用されており、非白金触媒の探索が世界的に行われている。武次は魚崎（物材機構）との共同研究で、本来絶縁体である窒化ホウ素（BN）を金表面に担持すると電子状態が変化し、ORR 触媒として機能することを実験的に示した。しかしその微視的機構は未解明である。本項目では反応経路自動探索法と連結した NTChem を適用して BN/Au を触媒とする ORR の反応経路探索を行い、反応機構を明らかにして酸素還元能発現の起源を特定し、より高機能な非白金系酸
素還元触媒の開発を試みる。
研究項目３

CO2 の分離・回収

CO2 分離・回収は、溶液中または固体表面で起こる物理的あるいは化学的な変化を伴う複雑な現象であることから、特に凝縮相中の熱力学的安定性の評価と反応ダイナミクスの実行に適した凝縮相内化学反応シミュレータを開発する。前者では、基盤アプリ NTChem と線形スケーリング法の１つである分割統治（DC）法を組み合わせることにより、高精度大規模電子状態計算に基づく定量的な熱力学量計算を可能とする。後者では、密度汎関数理論に基づく強束縛近似（DFTB）法に対する線形スケーリングを達成した補助アプリ DC-DFTB-K の超並列化およびパラメータの拡充を図ることにより、100 万原子規模、サブ

別添 2-52ナノ秒の化学反応シミュレーションに到達する。
CO2 分離・回収プロセスの合理化における急務な課題の 1 つは、実用に最も近い化学吸収法で用いられるアミン吸収液の性能向上である。高度化された NTChem および DC-DFTB-K プログラムを活用し、CO2
吸収過程・放散過程で生じる反応の詳細を熱力学的視点と動力学的視点の両面から明らかにする。アミンの種類とその混合比による吸収量・吸収速度の違いや、反応温度や吸収液の濃度など反応制御可能性に関する検討から得られる知見を用いて、消費エネルギーコストを削減する新規アミンの提案・最適なアミン混合比の予測を行う。更に、溶液系だけでなく金属有機構造体（MOF）やゼオライトのような多孔質材料の高機能性発現を支配する基礎原理の究明に取り組む（図 2-3-4）。CO2 分離・回収については、
中井（早大）が担当する。

図 2-3-4 MOF による CO2 の吸収過程（３）目標・期待される成果
アウトプット成果：
・平成２９年度終了時
化学エネルギー創成から消費に至る過程の、高効率な分離・回収、貯蔵、相互変換法の計算科学における開発を目指す。
ハイドレートを用いたエネルギーと物質貯蔵に関しては、自由エネルギー計算や数十万原子規模の分子系、ミリ秒のシミュレーションからの生成解離ダイナミクスの解明により、高効率、低エネルギーコ
スト低環境負荷で貯蔵(メタン、水素、オゾンなど)・廃棄(CO2 など）するための、温度、圧力、共存物
質についての最適条件を提示する。更に、セミクラスレートの蓄冷材としての実用化には融解のエネル
ギー収支が極めて重要であるが、その構造や熱力学的特性が未解明である。このために、新たなアルゴ
リズムにより巨大な分子配置に関するデータから効率的に複雑な構造をエネルギーと関連付けて解析す
る方法を開発する。触媒設計では反応経路自動探索プログラムを NTChem に連結させ、京の上での反応経路探索計算を可能にする。更に、金属ナノクラスターによる触媒反応の全面経路探索を行い、サイズ効
果やクラスター構造変化の効果について知見を得る。CO2 について、100 万原子規模の化学反応ダイナミ
クスに必要な DFTB などのアプリケーションの大枠の開発作業を完了する。CO2 分離・回収エネルギーコ
ストの大部分を占めるアミン吸収液の反応熱削減を目指し、反応系中にある化合物の拡散係数と放散時の反応性との関係を系統的なシミュレーションから明らかにする。更に、MOF などの材料を幅広く取り扱うため、金属を含む原子の組み合わせに対応する DFTB 力場の拡張を行い、CO2 吸収材料としての吸収
別添 2-53量や吸収速度、回収に必要な熱量などの基礎的知見を獲得する。
・本格実施フェーズ終了時
化学エネルギー創成から消費に至る過程について、計算科学により高効率な分離・回収、貯蔵、相互変換法の実用へ橋渡しとするための指針を提供する。
基盤となる反応経路自動探索法と NTChem との連結、MD シミュレーション、DFTB 法の長距離相互作用計算の効率化や DC 法における部分系処理の並列性能の向上など、課題に必要な計算手法の高機能化を達成する。さらに、固体や溶液の自由エネルギー計算や凝縮相内化学反応シミュレータの開発を完了し、ポスト「京」運用開始早期よりアプリケーションの実行と速やかな成果創出が可能な体制を整える。
ハイドレートについては、最大数千万原子規模の分子系、ミリ秒程度の、大規模長時間のシミュレー
ションを行い、現実的な条件におけるハイドレートの生成解離機構を明らかにする。また、90 年分以上と言われる天然ガス資源の採掘の実用化へ、産総研などで行われているマクロなシミュレーションへのミクロな観点からの計算データの提供などを通じて、メタンの効率的回収の指針を得ることに貢献する。
更に、メタンと CO2 置換によるメタン資源化と CO2 投棄の熱力学とダイナミクスを明らかにする。蓄冷材
に対して、セミクラスレートハイドレートの安定性原理の確立を行う。触媒設計では、超並列計算に基づく反応経路自動探索を実現し、1000 原子程度の複雑な触媒反応機構を調べる手法を開発する。CO2 固定と燃料電池非白金系触媒へと適用し、高機能触媒設計への知見を得る。CO2 分離・回収では、アミンのpKa 依存性など 100 万原子程度の大規模系解析結果から、アミンの混合比、反応温度や吸収液の濃度など
最適な反応条件の提案を行う。更に、多孔質材料を用いた CO2 分離・回収反応メカニズムを解明し、候補となる材料の指針を吸収量や吸収速度、回収に必要な熱量の観点から示す。
・ポスト「京」運用開始 5 年後大規模実証計算を実行し、メタン、水素のハイドレート貯蔵のための自己保存効果をより高める手法の開発、CO2 固定の高機能触媒、サブ課題 B と連携した燃料電池非白金系触媒、最適化されたアミン吸収液に対するより定量的な CO2 吸収特性の予測を実現する。これらに対して、実験研究者および企業研究者と連携して実証開発を推進する。
アウトカム成果：
・ポスト「京」運用開始５年後
ハイドレートに対する低環境負荷が一般に認められ、また反応経路自動探索計算や凝縮相内化学反応
シミュレーションが化学プロセスや材料設計といったナノスケールを対象とする計算科学分野で普及する。
・ポスト「京」運用開始１０年後
メタンハイドレートのより効率的な分解法に基づくメタン採取の産業化がなされ、メタンハイドレー
ト由来のメタンが利用されるようになる。反応経路自動探索法が新規触媒開発の標準的アプローチとして産業界に普及し、合理化されたプロセスに基づく CO2 分離・回収技術の実証試験が進み産業化がなされる（図 2-3-5）。

別添 2-54

図 2-3-5 排気ガスから CO2 を効率的に分離回収する技術の実用化(４)「京」でできていること、ポスト「京」でなければできないこと「京」を用いた数十万原子規模の分子系時間 100 ns のメタンハイドレートの融解シミュレーションを行い、過飽和限界付近や溶質の添加による融解ダイナミクスを解析して、ハイドレートの分解速度を、メタンの泡の発生を促進・抑制することにより制御する方法を提案した（図 2-3-6）。

図 2-3-6 京を用いたメタンハイドレート融解のシミュレーション

ポスト「京」では、ハイドレートの分離・貯蔵機能や蓄冷材としての性能を探索する。ハイドレートの生成過程やセミクラスレートの平衡状態の計算には、従来の計算の 100 倍程度の計算資源を要するので、ポスト「京」が不可欠である。触媒については、数十原子が含まれる小規模分子系の均一触媒反応の経路探索は既存のスパコンで可能であるが、千原子程度が関わる不均一触媒表面反応経路の探索はポスト「京」がなければ不可能である。CO2 の分離・回収では化学反応を伴うために、5 千原子系、100 ps
程度の電子状態計算に基づく分子動力学シミュレーションを実行している。化学吸収法の最適化や MOFなどの固体吸収材の設計には、取り扱う系のサイズがさらに増加する必要がある。例えば、典型的な計算では、「京」では５年の時間を要するため、ポスト「京」でなければ本課題は実現できない。
（５）実施体制
サブ課題 C の実施体制を図 2−3−7 に示す。理論と計算科学は、田中（岡山大）と奥村（分子研）がハ
イドレートの融解や生成のダイナミクスの解明によるメタン生成やメタンや水素貯蔵の効率化を担当し、また石田（産総研）が田中と協力して蓄冷剤としてのセミクラスレート等の可能性を検討する。ここで主に使用する基盤アプリは MODYLAS であるが、この開発の一部を担当することにより、ソフト開発から
シミュレーションの実施まで目標の達成が可能な体制となっている。
触媒については、武次（北大）と長谷川（北大触媒科研）が協力して研究を推進する。実験グループ
別添 2-55

として、魚崎・野口（物材機構）[電極触媒]、清水（北大触媒科研）[担持金属微粒子触媒]、佃（東大）[金属微粒子触媒]、依馬（岡山大）[CO2 固定触媒]と協力する。
中井（早大）が開発と実証を進める CO2 分離・回収において、アプリケーション開発では化学反応シ
ミュレーションの遂行範囲を広げるため、DFTB 法を用いた応用計算を長年展開している IRLE（ORNL、米国）、WITEK（國立交通大、台湾）のグループと協調して、パラメータ開発を始めとした同技術のさらなる汎用化を展開する。シミュレーションでは、アミン吸収液、MOF など様々な材料について多様な条件の系統的評価を実施する。そこで得られた膨大なデータからより効率的に情報を抽出するため、情報化学分野のみならずデータマイニングを実施できる数学・数理科学分野との連携を検討する。最適な化学
吸収液の設計においては、LEE（成均館大、韓国）との国際共同研究により理論研究から混合アミンによる反応機構解明を行い、古川（早大）や鹿又（早大）の実験研究者と実証を進める。産業界との連携では、本事業より提供する理論的知見を参考に、企業において低反応熱アミン吸収液を調整し性能評価を実施するとともに、プロセス全体の統合試験から最終的なエネルギーコスト低減の効果を見積り、産業化への足がかりとする。MOF の構造設計においては、北川（京大）からの協力を得て研究を推進する。

図 2-3-7 サブ課題 C 実施体制

別添 2-56

2-4. 基盤アプリ設計・開発
ポスト「京」を有効に活用し、国家的に取り組むべき社会的・科学的課題の解決に資するアプリケーシ
ョンを開発するため、本重点課題では 4 つの基盤アプリケーションを設定する。京で実効的な超並列計算の実績があり、本重点課題で共通に利用できる観点から、量子化学計算プログラム（NTChem、GELLAN）、
分子動力学計算プログラム（MODYLAS）、第一原理計算プログラム（stat-CPMD）の 4 つを基盤アプリケー
ションとし、ポスト京での超並列計算で実効性が上がるように設計開発を行う。
平成 27 年後半にポスト「京」の基本的な仕様が決まることを前提として、コデザイン・サブ WG での活動を通して得られる情報を参考にして基盤アプリのグランドデザインを進める。早期から理研あるいは
ハードウェア・ベンダーのコンサルティングを受け、更にベンダーによる最適化作業も活用しながら、平成 31 年度のポスト「京」の試用に向けて、ポスト「京」を有効に活用できる基盤アプリを開発していく。
2-4-1. NTChem
開発目標「京」においては 1,000 原子までの分子の励起状態の量子化学計算が実現されているが、有機系太陽電池におけるヘテロジャンクションを含めた現実系界面のシミュレーションには 10,000 原子規模の取扱いが不可欠である。メモリ分割を施した効率の良い並列アルゴリズムを開発・実装する。
計算規模：原子数 五千～１万
2-4-2. GELLAN
開発目標「京」では高精度 F12 理論の超並列実装が行われており、ナノ分子のポストハートリーフォック計算が実現化されている。高効率光エネルギー変換の解明には、これに加えて 1020 の完全 CI 次元を持つ擬縮重
系や励起状態の分子構造と電子物性の計算手法を開発する。
2-4-3. MODYLAS
開発目標
原子数：1 億～10 億
計算時間：2～20 ms/step
特に高分子系への展開のため、化学結合のすり抜け等による平衡化の加速、引っ張り、圧縮、せん断、ねじれ等の機械的摂動の印加、化学結合の切断過程の記述、粗視化モデルの導入、応力分布、ひずみ分布、弾性率分布等の解析、プロトン移動における量子性の考慮、界面を有するヘテロ系でのイオン伝導度の解析等を可能とする。
2-4-4. stat-CPMD
開発目標「京」においては 数千原子サイズの系の第一原理分子動力学サンプリングが 10 sec/step 前後で実現してきた。これは FFT などのカーネル部分のチューニングによるものである。さらに反応自由エネルギ
ープロファイル計算のサンプリングの MPI 並列化が実装した。これらにより数千ノードの自由エネルギ
別添 2-57

ー計算において実行効率 29%、SIMD 化率 73%が実現している。
今後、燃料電池・二次電池の電極—電解質界面の現実系第一原理シミュレーションを行うには５千原子規模でのサンプリングが必要となる。カーネル部分のさらなるチューニングによって、実行効率の低下を最小限にしながらこのサイズの第一原理分子動力学を可能とし、さらなるサンプリング並列化、マルチプ
ル並列化を実装してフルノードの利用を可能とする。
計算規模：原子数 五千規模
機能:・サンプリング並列化、マルチプル並列化
・QM/MM などの連成シミュレーション向けたインターフェース開発
・反応自由エネルギー計算手法の高効率化
・電気化学反応・界面酸化還元反応の記述手法開発
・電子相関、自己相互作用補正、長距離力の導入など電子状態計算の改良
2-4-5. コデザイン
ポスト「京」プロジェクトでは、アプリケーション開発者と計算機システム開発者の協調によりアプリ
ケーションとシステムを協調設計していく。重点課題に関するアプリケーション開発およびポスト「京」開発において、ポスト「京」開発主体と重点課題の実施機関との間で、ポスト「京」のシステムアーキテ
クチャ等とアプリケーションの設計開発に関し、相互に要求性能・機能や評価結果等についてのフィード
バックを行いながら設計開発を同時に進める。このために、各重点課題から 1 つないし 2 つのターゲッ
トアプリケーションを選定し、ターゲットアプリケーションに対するコデザインの成果およびチューニ
ングのノウハウをマニュアル化することで、他のアプリケーションの高度化へ繋げる。ターゲットアプリ
ケーションの選定基準は下記のとおりである。
1）各重点課題の要となる計算手法を有するアプリケーションであること。
2）アプリケーションの開発体制やライセンス形態が、コデザインできるものであること。
3）全ターゲットアプリケーション群は、計算科学的手法の網羅性を有しており、コデザインおよびチューニングのノウハウのドキュメント化ができること。
これらの観点から、本重点課題からは NTChem をターゲットアプリケーションに選定し、密行列演算を共通基盤としてコデザインすることに設定した。コデザインサブワーキンググループ (以下、コデザイン
SubWG) を中心とするコデザイン推進体制を整え、2015 年度 4 月から 2 週間に 1 回程度の頻度でコデザイ
ン SubWG を開催している。コデザイン SubWG 体制を図 2-4-1 に示す。コデザイン作業は 2 つのフェーズにわけられ、下記のような推進計画である。
1． 第 1 フェーズ (基本設計期間、～2015 年 8 月)
理研 R-CCS は各実施機関と相談の上、基本設計時に使用するターゲットアプリおよび問題サイズを決める。各実施機関は実施機関側コデザイン責任者および実務担当者を決め、理研 R-CCS とともにターゲットアプリケーションを用いて、アーキテクチャ、システムソフトウェアのコデザインを行う。
2． 第 2 フェーズ (2015 年秋～2018 年 3 月)
各実施機関のコデザイン実務担当者は理研 R-CCS とともにコンパイラやシステムソフトウェア、プ
ログラミング環境、ライブラリの協調設計及び詳細設計を行う。コデザインの成果を基にアプリケ
別添 2-58

ーションチューニング方法のドキュメント化を行う。
上記の知見を、各実施機関のコデザイン責任者および実務担当者が中心となり展開し、実施機関内の新規アプリ開発・アプリチューニングを行う。理研 R-CCS は、R-CCS 側コデザイン責任者を中心に適宜 WG を組織化し、これに対する支援を行う計画となっている。

図 2-4-1 コデザインと重点課題間連携

別添 2-59

別添 2-60

３．採択時の留意事項への対応状況
指摘事項（罫線内）：（1） 課題全体として達成すべき成果を明確にするとともに、その成果実現に向けた定量的・定性的な目標（年間目標及び最終目標）を明確にすること。その際、産業界側の実ニーズを十分に把握し、本事業の成果を社会において広く活用できる具体的な道筋を明確にすること。
１章および２章各サブ課題の（２）実施内容と（３）目標・期待される成果に反映済み。

（2） 相乗効果が期待される他プロジェクト等と密に連携して取り組むとともに、役割分担を明確にすること。
１章（６）実施体制と２章各サブ課題の（３）目標・期待される成果、（５）実施体制に反映済み。

（3） 実験研究の進展をタイムリーに取り込むことのできる実験研究者との連携体制を明確にすること。また、成果の受け渡しについて、産業界とのきめ細やかな連携体制を明確にすること。
１章（６）実施体制と２章各サブ課題の（３）目標・期待される成果、（５）実施体制に反映済み。

（4） 本提案のサブ課題Ａについては、材料物性に関わる部分のみを議論するとした場合であっても、励起状態の計算のみで太陽電池の変換効率を定量的に求めることは難しいと考えられる点を含め、（1）の指摘やポスト「京」の必要性を検討及び具体化すること。
2-1．サブ課題Ａの（３）目標・期待される成果、（４）｢京｣でできていること、ポスト｢京｣でなければできないこと、（５）実施体制に反映済み。

（5） 本提案のサブ課題 B については、重点課題６（革新的クリーンエネルギーシステムの実用化）において取り組まれる電池関連の研究開発ともコミュニケーションを図り、相乗効果を図ることができる体制を明確にすること。
2-2．サブ課題Ｂの（５）実施体制に反映済み。

（6） 人件費の占める割合が大きいが、本プロジェクトで雇用する研究者（ポスドク等）の人員計画を明確にするとともに、将来のステップアップまで見据えた登用、人材育成の取組の計画を明確にすること。
人員計画については、1.(6)及び表 1-3 に記載済み。

（7）(追加指摘事項） 本提案と、重点課題６（革新的クリーンエネルギーシステムの実用化）、重点課題７（次世代の産業を支える新機能デバイス・高性能材料の創成）と方法論に共通性があることから、重点課題間の効果的な連携や産業との協力体制の一本化を検討した上で、体制を具体化すること。
1．(4)に記述しているように、本課題において開発した高精度量子化学計算、大規模第一原理計算、超大規模分子動力学計算などの方法論、アプリケーションは化学、物理、材料、生物分野等に適用できるもので
別添 2-61あり、エネルギー問題に限ることなく、広く他分野での展開も予想され、研究ツールとして重点課題１、６、７等へ提供する。また、開発アプリケーションは、ポスト「京」に限ることなく情報基盤センターや共同利用研等のインフラにおいても効率的に稼働するよう設計、開発し、またスーパーコンピューティング技術産業応用協議会
等と連携して、産業利用を念頭に置いて使い勝手のよいアプリケーションとなるよう開発する。これにより、既存のスーパーコンピュータはもちろんのこと、企業内のシステムにおいても広く展開、利用されることが期待できる。また、開発したシミュレータは、スーパーコンピューティング技術産業応用協議会ならびに重点課題６、７等と連携し、産業界での利用促進、普及を図る。
さらに、重点課題７との連携については、基盤アプリのコデザインの過程を共有するため重点課題５
より重点課題７のコデザイン・サブ WG に委員を派遣している。

別添 2-62４．中間評価時の指摘事項への対応状況
指摘事項（罫線内）：（1）課題全体として達成すべき成果を明確にするとともに、その成果実現に向けた定量的・定性的な目標（年間目標及び最終目標）を明確にすること。その際、産業界側の実ニーズを十分に把握し、本事業の成果を社会において広く活用できる具体的な道筋を明確にすること。
１章および２章各サブ課題の（２）実施内容と（３）目標・期待される成果に反映済み。特に本事業の成果を社会において広く活用できる具体的な道筋の一つとして、複数の企業（27 社）と共同研究を進めている。現在の共同研究の状況を図４－１に示す。これは、分子科学研究所を中心として、スーパーコンピューティング技術産業応用協議会（産応協）、高度情報科学技術研究機構（RIST）、計算科学振興財団（FOCUS）の協力も得て、継続している研究会・シンポジウム（事例紹介）⇒スクール
開催（人材育成・基礎知識提供）⇒アプリ講習会（開発アプリ普及）⇒共同研究・大型国家プロジェ
クトとの連携⇒研究会・シンポジウム（事例紹介）⇒・・・のスパイラルにより、得られた実績である（図４－２参照）。
今後は、産業界側の実ニーズの把握のため、産応協の「HPC アプリの将来像に関する意見交換」等の取組に協力・参画する。また、基盤アプリ等を整備している RIST、FOCUS からも産業界側の実ニーズに関する情報を入手していく。さらに本事業の成果を社会において広く活用できる具体的な道筋を発展させるため、重点課題５産業連携ワーキンググループの活動を発展させ、広報と協力し、プレス
リリース、ホームページやメーリングリスト等により、本重点課題の成果や企業での活用成果を広報・周知する。これらにより、企業側の関心を高めると伴に、共同研究推進窓口を設置し対応していく。

図 4-1

出口に向けた産業界との連携

別添 2-63図 4-2

成果利活用の道筋（2）情報科学技術分野における研究開発の論文数、学会発表数は、事業の成果を議論する上で１つの指標となりうるため、分野の特性を考慮の上、論文数、学会発表数の達成目標値を設定すること。
重点課題５全体で、年度毎の論文数の目標を 60 本とし、年度毎の学会発表数の目標を 270 件とする。

（3）予備計算などを通じて、サイエンス的な目標を明確にすること。その目標に対して、ポスト「京」でいつまでに何をどこまで明らかにすることを目指すのかを明確にすること。その時点でポスト「京」で初めてできる画期的な利活用について具体的に説明すること。
本格実施フェーズ終了時の目標（最終目標、～平成 31 年度）を、サイエンス的な目標、アプリケ
ーション開発目標および産業界での活用目標に分類し、表４－１に記載する。

（4）当初計画には人工知能との融合はないが、物質予測に向けた研究にはスーパーコンピューターと人工知能を合わせた活動も重要であり、それを考慮して計画の調整を行うこと。
｢機械学習やデータサイエンスの技術活用の検討｣を、１．実施概要に(５)として追記する。

別添 2-64表４－１

主な最終目標（赤字：サイエンス的目標、青字：産業界での活用目標、黒字：手法等アプリケーション開発目標）
別添 2-65

（5）開発アプリの国際的優位性を客観的指標に基づいて明確にすること。
国際的によく利用されているアプリケーションと開発する基盤アプリとを比較し、優位点とそれにより可能となることを整理したが非公開資料のため掲載しない。

（6）各コードの普及策を検討すること。
従来通り、重点課題５で開発する基盤アプリの普及を目的とし、学生・実験研究者だけでなく企業研究者をも対象として、HPCI 戦略分野２で実施してきた分子シミュレーション、量子化学の２コー
スを引き続き開講する（平成 30 年度参加人数：計 212 名、分子研において 11 年前から継続中）。また、基盤アプリを、｢京｣コンピュータ、岡崎共通研究施設計算科学研究センター（RCCS）、計算科学振興財団（FOCUS）等に整備し、講習会を高度情報科学技術研究機構（RIST）及び FOCUS と協力して実施していくことで、産業界（｢京｣、FOCUS）、アカデミア（｢京｣、RCCS）の利用を推進する。RIST 調
べによる利用実績を表４－２に示す。これらの取り組みの成果により、基盤アプリの NTChem と
MODYLAS は、利用アプリの上位にランクインしている。さらに、産業界側の実ニーズの把握のために
産応協の「HPC アプリの将来像に関する意見交換」等の取組に協力・参画する。
今後、RIST に協力することにより、HPCI センターへ開発アプリの整備を進める。特に産業への普及促進のため、GUI による簡易な操作と計算結果の可視化機能を実現するためプリポストソフトとの結合を検討していく。尚、既に開発アプリの MODYLAS、DC-DFTB と SMASH は、クロスアビリティ社のWinmostar（分子モデリング・可視化ソフトウェア）との連携機能が実装されている。NTChem や GELLANについても現在検討中である。

別添 2-66

表 4-2 ｢京｣を中核とする HPCI システム：利用実績のあるアプリケーション（7）本計算科学から、他の関連（実験）プロジェクトへの大きな波及を目指して、個別課題への対応だけでなく、ポスト「京」の戦略的活用のための総合的な枠組みを検討すること。
大型国家プロジェクト（元素戦略、ARPChem、ImPACT 等）との連携（18 件）は現在も進めている（図４－３、図１－３：P.21、図１－５：P.23 参照）が、今後、ポスト「京」の戦略的活用のための
総合的な枠組みとして当該サブ課題責任者、サブ課題実施者を中心とした、プロジェクト連携推進会
議設置を検討する。また、大型実験施設：SPring-8（登録機関 JASRI）、J-PARC（登録機関 CROSS）、｢京｣（登録機関 RIST）とは、連携利用シンポジウムの開催などを通して、今後も関連（実験）プロジ
ェクトのニーズを把握する。
更に、第５期科学技術基本計画の重要政策課題のひとつである｢エネルギーの安定的確保とエネル
ギー利⽤の効率化｣及びその次の科学技術基本計画への展開も見据えて、本重点課題の成果（エネル
ギーの新規基盤技術）とポスト「京」を戦略的に活用するため、前述の枠組みも活用し将来の計画を検討する。

別添 2-67図４－３

大型国家プロジェクトとの連携

別添 2-68

（別紙１）

実施機関一覧
実施機関／協力機関

備考
代表機関（課題責任者）岡崎 進

自然科学研究機構 分子科学研究所
サブ課題Ａ

神戸大学

分担機関
（サブ課題責任者）天能 精一郎

理化学研究所

分担機関（サブ課題実施者）中嶋 隆人

京都大学 学際融合教育研究センター

分担機関（サブ課題実施者）山下 晃一

大阪市立大学 大学院理学研究科

協力機関

大阪大学

協力機関

産業科学研究所

岡山大学 異分野基礎科学研究所

協力機関

岐阜大学

協力機関

大学院地域科学研究科

京都大学 大学院工学研究科

協力機関

京都大学 大学院工学研究科／WPI-iCeMS

協力機関

JXTGエネルギー

協力機関

自然科学研究機構 分子科学研究所

協力機関

首都大学東京 大学院都市環境化学研究科

協力機関

Slovak Academy of Sciences

協力機関

電気通信大学 大学院情報理工学研究科

協力機関

東京工業大学 大学院理工学研究科

協力機関

東京大学 大学院工学系研究科

協力機関

東京大学 大学院総合文化研究科

協力機関

東京大学 大学院理学系研究科

協力機関

名古屋大学 大学院理学研究科

協力機関

日本女子大学協力機関

Max Planck Institute for Solid state research

協力機関

三菱ケミカル株式会社

協力機関

理化学研究所 創発機能高分子研究チーム
サブ課題Ｂ

協力機関
分担機関
東京大学(物性研究所）（サブ課題責任者）杉野 修
分担機関
物質・材料研究機構（サブ課題実施者）館山 佳尚
分担機関名古屋大学（大学院情報科学研究科）（サブ課題実施者）長岡 正隆
分担機関名古屋大学（大学院工学研究科）（サブ課題実施者）岡崎 進
ＡＧＣ株式会社
協力機関
大阪大学 大学院工学研究科
協力機関
大阪府立大学 大学院理学系研究科
協力機関
金沢大学 大学院自然科学研究科
協力機関
九州工業大学 情報工学研究院
協力機関
京都工芸繊維大学 大学院工芸科学研究科
協力機関
京都大学 触媒・電池元素戦略ユニット
協力機関
慶應義塾大学 理工学部
協力機関
神戸大学 大学院工学研究科
協力機関
産業技術総合研究所
協力機関
産業技術総合研究所 機能材料ｺﾝﾋﾟｭﾃｰｼｮﾅﾙﾃﾞｻﾞｲﾝ研究ｾﾝﾀｰ 協力機関
滋賀大 データサイエンス教育研究センター
協力機関
昭和電工株式会社
協力機関
住友化学株式会社
協力機関
玉川大学 工学部
協力機関
電気通信大学 情報理工学部
協力機関
東京大学 情報基盤センター
協力機関
東京大学 大学院工学研究科
協力機関

別添2-69

サブ課題Ｃ

実施機関／協力機関
備考東京大学 大学院新領域創成科学研究科
協力機関
東京大学 物性研究所
協力機関
東京理科大学理学部応用化学科
協力機関
株式会社東芝協力機関
東北大学 原子分子材料科学高等研究機構
協力機関
東レ株式会社
協力機関
トヨタ自動車株式会社
協力機関
名古屋工業大学 大学院物質工学専攻
協力機関
名古屋大学 情報基盤センター
協力機関
名古屋大学 未来材料・システム研究所
協力機関
株式会社日産アーク デバイス機能解析部
協力機関
日東電工株式会社
協力機関
福井大学 大学院工学研究科
協力機関
富士フイルム株式会社
協力機関
物質・材料研究機構 情報統合型物質・材料研究拠点 協力機関
物質・材料研究機構 エネルギー・環境材料研究拠点 協力機関
ブリヂストン株式会社
協力機関
三重大学 大学院工学研究科
協力機関
三菱ケミカル株式会社
協力機関
三菱樹脂株式会社
協力機関
横浜国立大学 大学院工学研究院
協力機関
理化学研究所 計算科学研究センター
協力機関
分担機関
岡山大学
（サブ課題責任者）田中 秀樹
分担機関
北海道大学
（サブ課題実施者）武次 徹也
分担機関
早稲田大学
（サブ課題実施者）中井 浩巳
分担機関
自然科学研究機構 分子科学研究所（サブ課題実施者）奥村 久士
株式会社IHI 技術開発本部 基盤技術研究所
協力機関
Oak Ridge National Laboratory、米国
協力機関
岡山大学 大学院自然科学研究科
協力機関
京都大学 大学院工学研究科／WPI-iCeMS
協力機関
京都大学 大学院工学研究科
協力機関
慶應義塾大学 理工学部 機械工学科
協力機関
産業技術総合研究所 機能材料ｺﾝﾋﾟｭﾃｰｼｮﾅﾙﾃﾞｻﾞｲﾝ研究ｾﾝﾀｰ 協力機関
首都大学東京 都市教養学部

協力機関

新日鐵住金株式会社 先端技術研究所
協力機関
成均館大学校、韓国
協力機関
台湾國立交通大學、台湾
協力機関
太陽誘電株式会社
協力機関(公財）地球環境産業技術研究機構(RITE) 化学研究
協力機関
グループ
東京大学 大学院理学系研究科化学専攻
協力機関
東北大学 流体科学研究所
協力機関
パナソニック株式会社
協力機関
物質・材料研究機構
協力機関
物質・材料研究機構 エネルギー・環境材料研究拠点 協力機関
北海道大学 情報基盤センター
協力機関
北海道大学 触媒科学研究所
協力機関
北海道大学 大学院工学研究院
協力機関
北海道大学 大学院理学研究院
協力機関
三菱ケミカル株式会社
協力機関
早稲田大学 先進理工学部
協力機関

別添2-70