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Title

北陸先端科学技術大学院大学
果報告 2022

共有計算サーバ使用成Author(s)本郷, 研太; 宮下, 夏苗; 井口, 寧Citation

Technical memorandum (Japan Advanced Instituteof Science and Technology), TM-2023-001: 1-41

Issue Date

2023-08-25

Type

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publisher

URL

http://hdl.handle.net/10119/18716

RightsDescription

テクニカルメモランダム（北陸先端科学技術大学院大学）

Japan Advanced Institute of Science and Technology

北陸先端科学技術大学院大学
共有計算サーバ使用成果報告 2022
本郷 研太，宮下 夏苗，井口 寧 編
2023 年 8 月 25 日
TM-2023-001

北陸先端科学技術大学院大学
情報社会基盤研究センター〒923-1292 石川県能美市旭台 1-1

要旨

本報告は北陸先端科学技術大学院大学において，学内で共同利用されている計算サーバや並列計算機を用いて，2022 年度に行われた先端的諸研究の概要および発表論文について，
各利用者の協力に基づいて報告を頂き，一編の報告書として取りまとめたものである.

目次
1. JAIST における共有計算サーバー環境

1

2. 情報科学分野の計算サーバー利用研究9

物質科学シミュレーションとマテリアルズ・インフォマティクス
本郷研太
PdCrO2 と CuCrO2 のヘテロ構造における不純物相分離メカニズム
市場 友宏
量子モンテカルロ法用途の局所性誤差フリー有効核電荷の開発
市場 友宏
LaMO3 型ペロブスカイトにおけるアンチサイト欠陥の量子モンテカルロ法予見
市場 友宏
Ab initio analysis of electrochemical reactivity of cobalt carbonatehydroxide pseudo capacitor
Kenji OqmhulaFirst-principles Study of S-substituted WS2-metal Contact
Abdul Ghaffar
希土類金属の三元超伝導水素化物に関する研究
SONG PENGInterface structure prediction of SnS-based thin film solar cell using CALYPSO
Dahule Rohit SanjayFirst-principles study on the specific heat of BaFe2Se3
Putu Bhargo Abhimana Chrysnanda
Theoretical investigation into growth mechanism of self-oriented LaNiO3 buffering
layers: A first-principles DFT evaluation of their surface energies
Putu Bhargo Abhimana Chrysnanda
GPU を使ったストリーム学習に関する研究
渡邉純司
人間らしい将棋 AI に関する研究小川竜欣

3. マテリアルサイエンス分野の計算サーバー利用研究

28

Ziegler-Natta 触媒ナノ構造の非経験的構造決定に関する研究
筑間弘樹, Da Silveira Marcos Joao, 和田透, 谷池俊明

ポリマー1 分子の直視
アニオン性ポリマー鎖とカチオン性ポリマー鎖の静電引力による 1 分子力学
計測篠原健一, 大貫佑河, 堀諒雅, 樋口秀男
分子シミュレーションを活用した糖鎖の水和構造の解析
山口拓実
低い格子熱伝導率を示す AgP2 の熱電物性と非調和フォノンのメカニズムの研究
宮田全展
炭化水素系分子の Mulliken 電荷の計算
東嶺孝一「相変化材料を用いた光スイッチの相変化状態制御に関する研究」
佐野陽之, 水谷五郎, 安東秀Band structure and Berry curvature calculation in hBN/Bilayer graphene
heterostructure
Kareekunnan Afsal
Lyotropic Liquid Crystalline Property and Organized Structure in High ProtonConductive Sulfonated Semi-Alicyclic Oligoimide Thin Films
Yao Yuze
Design of biopolybenzazole exhibiting low dielectric constant and ultrahighthermoresistance
Zhong Xianzhu
Predicting new 2D materials useful for technology
Chi-Cheng Lee
Capturing Charge and Size Effects of Ions at the Graphene Electrolyte Interface
Using Polarizable Force Field Simulations
Sairam Swaroop Mallajosyula

4. 謝辞

41

1. JAIST における共有計算サーバ環境
1.1

概要

北陸先端科学技術大学院大学(JAIST)は，最先端の教育研究活動を支える研究基盤として全学共同利用な計算サーバ群を提供している．各ユーザの研究活動に応じて，その目的達成に資するためには，柔軟な運用形態が求められる．情報社会基盤研究センター(以下情報センター)はソフ
ト・ハード両面の保守業務を担っているが，ユーザー目線での運用を実現するために，情報セン
ターとは独立な組織として「MPC グループ」と「MPC 管理グループ」が存在し，三者の親密な連携の上に運用されている．
MPC グループは共有計算サーバのユーザーから構成され，MPC 管理グループはその有志から構成される．MPC グループの登録ユーザーは，mpc メーリングリストを通じて，「計算機リ
ソースやキュークラスに関する要望」や「各種共用ソフトウェアの利用に関する質問」など計算機利用に関する質問・要望を広く発言できる．
MPC 管理グループは，ユーザの質問・要請に応え，キュークラス設定やリソース配分の具体案を提案し，ユーザー間の調整を行う．その提案に従い，情報センターが随時，設定を更新していく．情報センターと MPC グループ・MPC 管理グループの詳細は文献[9,10]を参照されたい．

1.2 システム構成
JAIST 共 有 計 算 サ ー バ 環 境 は ， HPC(High Performance Computing)-AI(ArtificalIntelligence)研究用計算機システム“KAGAYAKI”（CPU/GPU）と汎用 PC クラスター計算機
システムから構成される．前者は，科学技術計算などの HPC 利用を想定した CPU 計算機ノードと AI・機械学習研究利用を想定した GPU 計算機ノードから構成されており，後者は，汎用的な CPU 計算機ノードと一部大容量メモリを搭載した CPU 計算機ノードから構成され，初学者でも容易に大規模並列計算を実行できる並列計算機環境を提供し，KAGAYAKI システムへの導入機と位置付けられる．
今年度は，ハードウェアに関して過年度の既設システムからの変更点はなく，表 1 に示す構成となっている．図 1 に各システムの利用状況を示す．KAGAYAKI システムでは，CPU・GPU
計算ノードともに利用率が高く，また汎用 PC クラスター計算機システムでは，大容量メモリノード(lmpcc-s1/l1)が断続的ではあるものの定期的に利用されており， KAGAYAKI システムでは実施の難しい大規模計算に利用されていると考えられる．特に GPU 計算ノード は，昨年度の更新で，前システムから NVIDIA A100 系ノード 10 台と A40 系ノード 20 台へと大幅に増加
したが，全ノードにおいて使用率はほぼ 100%であり，本学の AI/機械学習研究の需要[20,21]に応えることができたと考えられる。

1

表 1. JAIST で利用可能な計算サーバ群(2022)
KAGAYAKI システム CPU 計算ノード構成
CPU ノード計算機

Dell PowerEdge R6525

CPU

AMD EPYC 7H12 2.6GHz 64Cores x 2 Sockets

メモリ

512GB (32GB DDR4/3200 SDRAM×16)

ノード総数/全 CPU 数/全コア数/主記憶容量

280 ノード/560 CPUs/35,840 Cores/143.3TB

総理論演算性能

1.48PFLOPS

開発環境(Fortran/C/C++)

GNU/Intel OpenAPI/AOCC

運用期間

202１年 3 月 1 日〜2026 年 2 月 28 日(予定)
KAGAYAKI システム GPU 計算ノード構成

GPU ノード計算機(GPU-1 & GPU-2)

Dell PowerEdge R750

CPUIntel Xeon Gold 5329 2.2GHz (26-core×2)

メモリ

512GB (32GB DDR4/3200 SDRAM×16)

GPU-1/GPU-1 ノード総数

NVIDIA A100 x 2/10 ノード

GPU-2/GPU-2 ノード総数

NVIDIA A40 x 2/20 ノード

開発環境(Fortran/C/C++/Python)

GNU Complier, Intel OneAPI, Anaconda Python

運用期間2022 年 3 月 1 日〜2026 年 2 月 28 日(予定)汎用 PC クラスター計算機システム構成

汎用 PC クラスター

HPE ProLiant DL560

CPUIntel Xeon G-6242 2.8GHz (16-core)×4

メモリ

1.5TB

ノード総数/全 CPU 数/全コア数/主記憶容量

30 ノード/120 CPUs/1920 Cores/45TB

大容量メモリノード S

HPE Superdome Flex

CPUIntel Xeon G-6240M 2.6GHz (18-core)×8

ノード総数/全 CPU 数/全コア数/主記憶容量

1 ノード/8 CPUs/144 Cores/12TB

大容量メモリノード L

HPE ProLiant DL560

CPUIntel Xeon G-6140 2.6GHz (18-core)×4

ノード総数/全 CPU 数/全コア数/主記憶容量

1 ノード/4 CPUs/72 Cores/6TB

開発環境(Fortran/C/C++)

GNU/PGI Complier/Intel Parallel Studio XE

運用期間2019 年 3 月 1 日〜2024 年 2 月 28 日(予定)2図 1. KAGAYAKI システムの年間利用状況：CPU ノード(上段)と GPU ノード(中段)，及び，汎用 PC クラスターシステムの 2023 年 1 月の利用状況．KAGAYAKI
システムでは，1 日毎の CPU/GPU 使用率の最大値を表示している．汎用 PC ク
ラスターシステムでは，1 時間毎の CPU 使用率の最大値を表示している．

1.3

アプリケーションソフトウェア

上記プラットフォームに対して，利用可能なアプリケーションソフトウェアを表 2 に示す．
マテリアルサイエンス系の科学技術計算ソフトウェアとしては，Gaussian16/GaussView，及び3

Materials Studio の商用ソフトウェアを利用することができる．これらのソフトウェアは CPU
計算機上で並列計算として実行することができる．データ科学・機械学習などで利用可能なソフ
トウェアとしては，MATLAB(商用)が利用できる．また，Tensorflow，Pytorch などの公開されている各種ツール，フレームワークをコンテナとして計算機上に展開することができる．なお，
これらのコンテナ環境は， CPU・GPU 両計算機上で実行することができる．

表 2. 各種ソフトウェアとプラットフォームの対応表(2022)
ソフトウェアGaussian 16
GaussView
Materials Studio
MATLAB
Tensorflow (コンテナ環境)
Caffe (コンテナ環境)
Chainer (コンテナ環境)

1.4

KAGAYAKI

汎用 PC

CPU

GPU

クラスター

○

—

◯

○

—

◯

○

—

○

○

○

○

◯

○

○

○

○

○

○

○

○

概略
Gaussian 社製の量子化学計算パッケージ
Gaussian 社製のGaussian 専用可視化ソフト
BIOVIA 社製の材料開発統合
シミュレーションソフトウェア
MathWorks 社製の数値解析ソフトウェア
Google 社製の機械学習
ソフトウェアライブラリ
UCB 開発の深層学習フレームワーク
Preferred Networks 開発の
深層学習フレームワーク

2022 年度の活動

2022 年度の JAIST 共有計算サーバ環境に関連する主な活動について述べる．例年，各種計算機の新規利用者開拓(オリエンテーション)，各種計算機利用者の技術レベルの向上，理解の促進を目的とし，各システム，ソフトウェアに関する利用者講習会(各種初級者講習会)を企画している．今年度は，感染対策に関する本学対応方針に従い，昨年度に引き続き，ハイブリッド開催とした． 今年度に開催した講習会の一覧を表 3 に示す．オリエンテーションでは，新入生や新規利用者を対象として，本学共有計算機の構成や初歩的な利用方法を解説した後に，ハンズオント
レーニングを実施している．ハンズオントレーニングは，GUI 環境しか利用経験のないユーザ
ーに対して， CLI 環境利用への心理的障壁を多少なりとも緩和し，本学での研究活動に向けて
各種計算機の円滑利用を目的としている．そこで，Linux コマンド操作から始めて，ファイル編
集，プログラムコンパイル，ジョブ投入といった計算機上での一連の作業を体験し，また本学で利用可能な科学技術計算ソフトウェアについても簡単な実習を含めた講習内容となっている．
システム毎の講習会では，ログインからジョブ投入など初心者向けの内容から，MPI の理論と実行など中級者向けの内容まで，利用者のレベルに応じたテーマを用意している．2022 年度は，
データ科学・機械学習の研究開発プラットフォームとして，
Python 環境の構築と利用を念頭に，

4

前半は初級者向けの基本事項を提供し，その上で，後半は Singularity コンテナを用いた実践的な利用方法を提供した．特に GPU は一般的にドライバやライブラリ，ソフトウェアのバージョンアップに応じて実行環境を頻繁に構築し直す必要に迫られる状況が発生しやすく，コンテナの利用がこのような状況に対する有効な解決策として期待される．
最後に，今年度は，本学で包括契約により全学サービスしている MATLAB の利用者拡大を目的に，MATHWORKS 社と本学学生アンバサダーからの尽力で，MATLAB 入門セミナーを実施することができた．本セミナーは，MATLAB の基礎的な内容と活用事例を座学で学び，データ解析や可視化などをハンズオン形式で操作しながら体験できる内容となっていた．今後も，本学でサービス提供しているソフトウェア全般に対して，利用状況と利便性の向上に向けた各種講
習会を企画することで，新規利用者の拡大と効率的利用に取り組んでいく．

表 3. 2022 年度に開催した講習会
開催月

講習会

2022 年 6 月 16 日

大規模計算機利用オリエンテーション

2022 年 6 月 17 日

計算機講習会 [Large Memory PCC]
~ コンテナ活用 ~2022 年 6 月 20 日

計算機講習会 [並列化とアプリケーション]~ Conda, Matlab, Gaussian ~2022 年 6 月 21 日

計算機講習会 [GPU]~ JupyterNotebook ~2022 年 7 月 15 日

MATLAB 入門セミナー

2022 年 10 月 28 日

大規模計算機利用オリエンテーション

2022 年 11 月 2 日

MATLAB Introduction Seminar

2022 年 11 月 7 日

計算機講習会 [KAGAYAKI/並列化とアプリケーション]~ Matlab, Mathematica, Python ~2022 年 11 月 8 日

計算機講習会 [KAGAYAKI/GPU]~ GPU + JupyterNotebook ~2022 年 11 月 9 日

計算機講習会 [LMPCC]~ 大容量メモリ機初級編＋Python(2) ~1.5

まとめと今後の導入計画

本報告「北陸先端科学技術大学院大学 共有計算サーバ使用成果報告 2022」は 2022 年度に情報センター提供の共有計算サーバを利用した研究の概要とその成果を報告している．mpc メー
リングリストを通じて，MPC 管理グループと情報センターから本報告への寄稿依頼を行い，各著者のご厚意により，情報科学分野から 12 件，材料科学分野から 11 件と多彩な報告書を提出いただいた．ここに深く感謝申し上げる．
現在，これまで計算機とあまり縁のなかった研究分野でも計算機実験が容易に実施できるよ
うになり，最先端の教育研究活動を開拓，実施，展開していく上での強力な研究基盤として，計5算機の重要性は激増している．システム利用状況の把握は，これまで実績のある研究分野に対するサポート強化だけではなく，新規利用実績のある研究分野を見出すことで，本学における新しい教育研究展開の潮流を知ることができる．こうした教育研究展開の把握は，将来的には，次期計算サーバ導入時の重要な策定指針となり，より充実した計算機環境の構築に繋がるものと期待される．寄稿報告を俯瞰すれば，共有計算サーバは本学の教育研究インフラとして幅広い研究分野で利活用されている様子が見て取れる．共有計算サーバは，本学の先端的な教育研究活動をこれまで以上に躍進させる必須の教育研究基盤として，今後益々，その重要性が増していくものと期待される．特に，2020 年度導入の KAGAYAKI システムの CPU ノードに，昨年度導入のGPU ノードが加わることで，従来の HPC 研究分野のみならず，AI・機械学習系研究分野にも包括する計算機環境を整備することができ，今年度の利用実績を鑑みても，AI 研究環境として非常に高い利用率を確認することができた．今後も，KAGAYAKI システムが，本学におけるHPC・AI・機械学習研究発展の大きな原動力となることを期待するとともに，最新の研究動向を常に把握しておくことで，次期システム更新の選定指針を学内で広く議論していきたい．
最後に，今後の導入・更新計画について言及しておく．汎用 PC クラスター計算機システムは，2024 年 2 月にリース終了となる予定である．当該システムの更新に関して，当該システムを構成するサブシステムである大容量メモリノード S（HPC Superdome Flex /12TB）は，大規模計算の需要から一部の利用者にとって不可欠の計算機システムとして重宝されてきたが，昨今の厳しい予算状況を鑑み，更新しないことが学長判断によって決定された．今後は残された計算機資源を有効活用すべく再編成し、「研究クラウド基盤システム」として更新する予定である．当該シ
ステムにより，利用者自身で仮想サーバを自由に構築し，教育研究に利用可能とすることで，本学の教育研究における多様な要求に柔軟に対応可能なシステムを提供できるものと期待している．

参考文献[1] 佐藤 理史(編), ”JAIST における超並列関連研究：1992 年度-1993 年度”, 北陸先端科学技術
大学院大学 情報科学研究科テクニカルメモランダム,IS-TM-94-0001, (1994)．
[2] 佐藤 理史(編),”JAIST における超並列関連研究：1994 年度-1996 年度”, 北陸先端科学技術
大学院大学 情報科学研究科テクニカルメモランダム,IS-TM-97-3, (1997)．
[3] 佐藤 理史(編),”JAIST における超並列関連研究(1997 年度)”, 北陸先端科学技術大学院大学
情報科学研究科テクニカルメモランダム,IS-TM-98-1, (1998)．
[4] 林亮子(編),”JAIST における並列計算機および計算サーバ利用研究(1998 年度-2000 年度)”, 北陸先端科学技術大学院大学

情報科学研究科テクニカルメモランダム,IS-TM-

6

2002-003, (2002)．
[5] 林 亮子(編),”JAIST における並列計算機および計算サーバ利用研究(2001 年度)”, 北陸先端科学技術大学院大学 情報科学研究科テクニカルメモランダム,IS-TM-2002-004, (2002)．
[6] 林 亮子(編),”JAIST における並列計算機および計算サーバ利用研究(2002 年度)”, 北陸先端科学技術大学院大学 情報科学研究科テクニカルメモランダム,IS-TM-2003-001, (2003)．
[7] 林 亮子(編),”JAIST における並列計算機および計算サーバ利用研究(2003 年度)”, 北陸先端科学技術大学院大学 情報科学研究科テクニカルメモランダム,IS-TM-2004-002, (2004)．
[8] 林 亮子(編),”JAIST における並列計算機および計算サーバ利用研究(2004 年度)”, 北陸先端科学技術大学院大学 情報科学研究科テクニカルメモランダム,IS-TM-2005-001, (2005)．
[9] 太田理，尾崎 泰助，佐藤 幸紀(編)，”北陸先端科学技術大学院大学 共有計算サーバ使用成果報告 2007”，北陸先端科学技術大学院大学 情報科学研究科テクニカルメモランダム，
IS-TM-2008-002, (2008)．
[10] 太田理，尾崎 泰助，佐藤 幸紀(編)，”北陸先端科学技術大学院大学 共有計算サーバ使用成果報告 2008”，北陸先端科学技術大学院大学 情報科学研究科テクニカルメモランダム，
IS-TM-2009-001, (2009)．
[11] 太田理，尾崎 泰助，佐藤 幸紀(編)，”北陸先端科学技術大学院大学 共有計算サーバ使用成果報告 2009”，北陸先端科学技術大学院大学 情報科学研究科テクニカルメモランダム，
IS-TM-2010-001, (2010)．
[12] 尾崎 泰助，佐藤 幸紀(編)，”北陸先端科学技術大学院大学 共有計算サーバ使用成果報告2010”，北陸先端科学技術大学院大学

情報科学研究科テクニカルメモランダム，IS-TM-

2011-001, (2011)．
[13] 佐藤 幸紀, 尾崎 泰助 (編)，”北陸先端科学技術大学院大学 共有計算サーバ使用成果報告2011”，北陸先端科学技術大学院大学

情報科学研究科テクニカルメモランダム，IS-TM-

2012-001, (2012)．
[14] 佐藤 幸紀， 尾崎 泰助 (編)，”北陸先端科学技術大学院大学 共有計算サーバ使用成果報告2012”，北陸先端科学技術大学院大学

情報科学研究科テクニカルメモランダム，IS-TM-

2013-001, (2013)．
[15] 佐藤 幸紀， 宮下 夏苗, 尾崎 泰助 (編)，”北陸先端科学技術大学院大学 共有計算サーバ使用成果報告 2013”，北陸先端科学技術大学院大学 情報科学研究科テクニカルメモランダ
ム，IS-TM-2014-001, (2013)．
[16] 宮下 夏苗, 井口 寧 (編)，”北陸先端科学技術大学院大学 共有計算サーバ使用成果報告2014”，北陸先端科学技術大学院大学

情報科学研究科テクニカルメモランダム，IS-TM-

2015-001, (2014)．

7

[17] 井口 寧, 本郷 研太，宮下 夏苗 (編)，”北陸先端科学技術大学院大学 共有計算サーバ使用
成果報告 2015-2016”，北陸先端科学技術大学院大学 情報科学研究科・情報科学系 テク
ニカルメモランダム，IS-TM-2018-001, (2018)．
[18] 本郷 研太，辻 誠樹, 宮下 夏苗, 井口 寧, (編)，”北陸先端科学技術大学院大学 共有計算サーバ使用成果報告 2017”，北陸先端科学技術大学院大学 情報科学研究科・情報科学系 テ
クニカルメモランダム，IS-TM-2018-002, (2018)．
[19] 本郷 研太，辻 誠樹, 宮下 夏苗, 井口 寧, (編)，”北陸先端科学技術大学院大学 共有計算サーバ使用成果報告 2018”，北陸先端科学技術大学院大学 情報科学研究科・情報科学系 テ
クニカルメモランダム，IS-TM-2019-001, (2019)．
[20] 本郷 研太，辻 誠樹, 宮下 夏苗, 井口 寧, (編)，”北陸先端科学技術大学院大学 共有計算サーバ使用成果報告 2019”，北陸先端科学技術大学院大学 情報科学研究科・情報科学系 テ
クニカルメモランダム，IS-TM-2020-001, (2020)．
[21] 本郷 研太，宮下 夏苗, 井口 寧, (編)，”北陸先端科学技術大学院大学 共有計算サーバ使用
成果報告 2020”，北陸先端科学技術大学院大学 情報科学研究科・情報科学系 テクニカル
メモランダム，IS-TM-2021-001, (2021)．

8

2．情報科学分野の計算サーバ利用研究9物質科学シミュレーションとマテリアルズ・インフォマティクス
所属・氏名 情報社会基盤研究センター 本郷研太
使用計算機: lmpcc、kagayaki
今年度は、本学計算機群を利用した研究成果として、原著論文 16 件、解説記事 3 件、学会発表等 3 件(内招待講演 2 件)を報告した。第一原理計算を活用したデータ駆動型構造探索手法による新規高温超伝導体の発見に成功し、新学術領域「複合アニオンの創製」に関する共同研究プロジェクトで 3 件の原著論
文、本学マテリアルサイエンス系との学内共同研究成果 2 報を報告している。JST 二国間交流事業に採択され、韓国科学技術研究院との国際合同セミナーを開催し、ハイエントロピー合金に関する原著論文を１報報告している。これらの計算では、主として、KAGAYAKI 上にインストールされている
VASP/Quantum Espresso を利用した。また、今年度は、第一原理計算だけではなく、マテリアルズ・
インフォマティクス研究において、本学並列計算機群を利用した研究成果が得られている。
研究業績(原著論文・査読あり)

1) K. Oqmhula, T. Toma, R. Maezono, K. Hongo, "First-Principles-Based Insight into
Electrochemical Reactivity in a Cobalt-Carbonate-Hydroxide Pseudocapacitor", ACS Omega 8,6743-6752 (2023).
2) N. Kumar, K. Oqmhula, K. Hongo, K. Takagi, S. Yusa, R. Rajan, K. Matsumura, "Mechanistic
insights and importance of hydrophobicity in cationic polymers for cancer therapy", Journal of
Materials Chemistry B 11, 1456 (2023).

3) H. Mizuseki, R. Sahara, K. Hongo, "Order–disorder competition in equiatomic 3d–transition–
metal quaternary alloys: phase stability and electronic structure", Science and Technology ofAdvanced Materials: Methods 3, 2153632 (2023).

4) K. Utimula, M. Yano, H. Kimoto, K. Hongo, K. Nakano, R. Maezono, "Feature Space of XRD
Patterns Constructed by an Autoencoder", Advanced Theory and Simulations 6, 2200613 (2023).
5) P. Song, Z. Hou, K. Nakanoa, K. Hongo, R. Maezono, "Potential high-Tc superconductivity in
YCeHx and LaCeHx under pressure", Materials Today Physics 28, 100873 (2022).
6) K. Oka, T. Ichibha, D. Kato, Y. Noda, Y. Tominaga, K. Yamada, M. Iwasaki, N. Noma, K. Hongo, R.
Maezono, F.A. Reboredo, "Anionic ordering in Pb2Ti4O9F2 revisited by nuclear magnetic
resonance and density functional theory", Dalton Transactions 51, 15361 (2022).
7) T. Murono, K. Hongo, K. Nakano, R. Maezono, "Ab-initio-based interface modeling and statisticalanalysis for estimate of the water contact angle on a metallic Cu(111) surface", Surfaces andInterfaces 34, 102342 (2022).

8) A. Raghav, K. Hongo, R. Maezono, E. Panda, "Electronic structure and effective mass analysis of
doped TiO2 (anatase) systems using DFT+U", Computational Materials Science 214, 111714(2022).
9) Y. Qian, B. Song, J. Jin, G.I. Prayogo, K. Utimula, K. Nakano, R. Maezono, K. Hongo, G. Zhao,"Ab initio molecular dynamics simulation of structural and elastic properties of SiO2–P2O5–
Al2O3–Na2O glass", Journal of American Ceramics Society 105, 6604–6615 (2022).

1010) G.I. Prayogo, A. Tirelli, K. Utimula, K. Hongo, R. Maezono, K. Nakano, "SHRY: Application ofCanonical Augmentation to the Atomic Substitution Problem", Journal of Chemical Informationand Modeling 62, 2909−2915 (2022).

11) Y. Masubuchi, S. Miyazaki, P. Song, T. Yamamoto, K. Nakano, K. Hongo, R. Maezono,"High-pressure behavior of tetragonal barium carbodiimide, BaNCN", Journal of Alloys andCompounds 918, 165632 (2022).

12) Y. Yoshimoto, T. Toma, K. Hongo, K. Nakano, R. Maezono, "Computational Design to Suppress
Thermal Runaway of Li-Ion Batteries via Atomic Substitutions to Cathode Materials", ACS
Applied Materials and Interfaces 14, 23355-23363 (2022).

13) A. Hermawan, A.T. Hanindriyo, K. Hongo, R. Maezono, S. Yin, "Impact of Surface Faceting on
Gas Sensing Selectivity of NiO: Revealing the Adsorption Sites of Organic Vapors on the {111}
Facet ", Journal of Physical Chemistry C 126, 8037-8046 (2022).
14) Y. Nikaido, T. Ichibha, K. Hongo, F.A. Reboredo, K.C. Hari Kumar, P. Mahadevan, R. Maezono, K.
Nakano, "Diffusion Monte Carlo Study on Relative Stabilities of Boron Nitride Polymorphs",
Journal of Physical Chemistry C 126, 6000-6007 (2022).

15) X. Zhong, A. Nag, J. Zhou, K. Takada, F.A.A. Yusof, T. Mitsumata, K. Oqmhula, K. Hongo, R.
Maezono, T. Kaneko, "Stepwise copolymerization of polybenzimidazole for a low dielectric
constant and ultrahigh heat resistance ", RSC Advances 12, 11885 (2022).
16) T. Ichibha, V.A. Neufeld, K. Hongo, R. Maezono, A.J.W. Thom, "Making the most of data:
Quantum Monte Carlo postanalysis revisited", Physical Review E 105, 045313 (2022).
研究業績(解説記事等・査読なし)

1) 本郷研太、前園涼、中野晃佑、G.I. Prayogo、市場友宏、内村慶舟、「材料科学における量子アニー
リング応用」、「量子技術の実用化と研究開発業務への導入方法」§5.1/情報技術協会(2023/01/31)
2) 本郷研太、「水素を吸蔵するナノチューブ材料の特徴とその可能性」、MATERIALSTAGE 2023 年 3月号、技術情報協会.
3) 本郷研太、「物質探索におけるベイズ統計の活用」、高分子 71(12) 625-626 (2022)、高分子学会.
学会発表実績

1) 宋鵬、川口真理、鱒渕友治、奥村健司、中野晃佑、前園涼、○本郷研太、「金属カルボジイミド高圧
相の進化論的構造探索」、第 70 回応用物理学会春季学術講演会、上智大学、2023 年 3 月 17 日
2) Kenta Hongo, "Recent Advances in Materials Simulations and Informatics", JAIST-KIST Joint
Research Seminar(Invited Talk), JAIST, 2022/12/15.
3) 本郷研太、「データ駆動型アプローチに基づく物質探索とキャラクタリゼーション」、第 71 回高分子
討論会(招待講演)、北海道大学、2022 年 9 月 6 日
研究費獲得実績

1) 令和 4 年度科研費・基盤研究（B）（一般）、｢準安定な酸水酸化物結晶の創製と水酸基化学への展開（研究分担/研究代表者 : 稲田幹/ 22H02170）｣、R4 年度 500 千円（R4 年〜R6 年）.

112) 令和 3 年度科研費・基盤研究（B）（一般）、｢水分散系における高分子の移流集積界面分割モデルの設計（研究分担/研究代表者 : 桶葭 興資/21H01998）｣、R3 年度 500 千円（R3 年〜R6 年）.
3) 令和 3 年度科研費・基盤研究（C）（一般）、｢第一原理量子モンテカルロ法を用いた層状物質に対する第一原理フォノン計算の実現（研究分担/研究代表者 : 前園 涼/ 21K03400）｣、R3 年度 300 千円（R3 年〜R5 年）.
4) 平成 31 年度科研費・基盤研究（C）、「分子理論・計算科学・データ科学の融合によるハマカー定数の自律型予測モデルの開発（研究代表/19K05029）」、R3 年度 700 千円（H31 年 4 月〜R5 年 3 月）．

12

PdCrO2 と CuCrO2 のヘテロ構造における不純物相分離メカニズム
市場 友宏 特任助教
本郷グループ
Kagayaki を使用
本研究は、原著論文として Advanced Physics Research 誌に投稿し、同誌にアクセプトされた。以下、その要諦の引用を示す:
PdCrO2 films are synthesized on CuCrO2 buffer layers on Al2O3 substrates. This synthesis is accompanied by
impurity phase segregation, which hampers the synthesis of high quality PdCrO2 films. The potential causes of
impurity phase segregation were studied by using a combination of experiments and ab initio calculations. Xray diffraction and scanning transmission electron microscopy experiments revealed impurity phases of CuxPd1−xalloy and chromium oxides, Cr2O3 and Cr3O4, in PdCrO2. Calculations determined that oxygen deficiency cancause the impurity phase segregation. Therefore, preventing oxygen release from delafossites could suppress
the impurity phase segregation. The amounts of Cr2O3 and Cr3O4 depend differently on temperature andoxygen partial pressure. A reasonable theory-based explanation for this experimental observation is provided.
本研究の計算には全て密度汎関数法を使用しており、それらの計算に Kagayaki 計算クラスタを使用した。
Published papers:
1) T. Ichibha et al., Advanced Physics Research (just accepted).

13量子モンテカルロ法用途の局所性誤差フリー有効核電荷の開発
市場 友宏 特任助教
本郷グループ
Kagayaki を使用
本研究は、原著論文として取りまとめており、最終著者のコメントに従って現在リバイスを進めている。以下、執筆中原稿の要諦の引用を示す:
Locality errors have hampered the applications of the diffusion Monte Carlo (DMC) method in materials
containing transition metals in particular oxides. We have developed locality error free effective core potentials,
pseudoHamiltonians, for transition metals ranging from Cr to Zn. We have modified a procedure published bysome of us in [M.C. Bennett et al, JCTC 18 (2022)]. We carefully optimized our pseudoHamiltonians andachieved the similar transferabilities to the best semilocal pseudopotentials used with DMC but without
incurring in locality errors. Our pseudoHamiltonian set (named BPH23) is a potential game changer to study
the basic science of transition metal complex materials.
有効核電荷のパラメータ最適化、および、有効核電荷の検証を目的とした量子化学計算に Kagayaki 計
算クラスタを使用した。

14

LaMO3 型ペロブスカイトにおけるアンチサイト欠陥の量子モンテカルロ法予見
市場 友宏 特任助教
本郷グループ
Kagayaki を使用
本研究は、原著論文として Scientific Reports 誌に投稿し、現在リバイス稿のピアレビューを受けている。以下、論文の要諦の引用を示す:
The properties of LaMO3 (M: 3d transition metal) perovskite crystals are significantly dependent on point
defects, whether introduced accidentally or intentionally. The most studied defects in La-based perovskites are
the oxygen vacancies and doping impurities on the La and M sites. Here, we identify that intrinsic antisite
defects, the replacement of La by the transition metal, M, can be formed under M-rich and O-poor growth
conditions, based on results of an accurate many-body ab initio approach. Our fixed-node diffusion Monte
Carlo (FNDMC) calculations of LaMO3 (M = Mn, Fe, and Co) find that such antisite defects can have low
formation energies and are magnetized. Complementary density functional theory (DFT)-based calculations
show that Mn antisite defects in LaMnO3 may cause the p-type electronic conductivity. These features could
affect spintronics, redox catalysis, and other broad applications. Our bulk validation studies establish thatFNDMC reproduces the antiferromagnetic state of LaMnO3, whereas DFT with PBE (Perdew–Burke–Ernzerhof),
SCAN (strongly constrained and appropriately normed), and the LDA+U (local density approximation with
Coulomb U) functionals all favor ferromagnetic states, at variance with experiment.
上述のアブストラクトで言及している FNDMC 計算および DFT 計算に Kagayaki 計算クラスタを使用した。
Published papers:
1) T. Ichibha et al., Scientific Reports (revision submitted).

15

ACTIVITY REPORT OF FY2022
1. PROJECT TITLE:

Ab initio analysis of electrochemical reactivity ofcobalt carbonate hydroxide pseudo capacitor
PRINCIPAL INVESTIGATOR: Kenji Oqmhula
AFFILIATION: Hongo Lab. JAIST, Nomi, Ishikawa, JapanADDRESS: 1-1 Asahidai, Nomi, Ishikawa, Japan
PHONE: 0761-51-1301
EMAIL: mwkokk1907@icloud.com
WEBPAGE: None
MACHINE USED: (kagayaki)
2. PROJECT DESCRIPTION:
脱炭素化社会を実現するため、再生可能エネルギーの導入が求められているが、電力供給の不安定性が課題となっている。そのため、供給電力を制御する電力平準化用の蓄電池が求められている。当該蓄電池には、高い静電容量(高エネルギー密度)と、高速充放電(高パワー密度)の両立が可能である擬キャパシタ材料が注目されている。Cobalt Carbonate Hydroxide(CCH)は、金属酸化物擬キャパシタで特に高い静電容量と、高速充放電特性、及び高いサイ
クル安定性を有し、小型化蓄電池としての応用化が期待されている。
CCH 材料は結晶構造制御によるモルフォロジー制御が、電気化学特性に大きく影響することが報告されている。そのため、CCH 電極の電気化学反応の解析は、結晶構造設計に重要な知見を与えると考えられる。しかしながら、CCH 相から生成される Co(OH)2 相の脱プロトン反応が、電気化学反応として提案されているが、CCH 相自身に対する反応は未解明である。
CCH 結晶が近年まで、正しく同定されていないことに加え、脱プロトンを担う水素原子位置が未同定であったことに起因する。そこで、本研究では、第一原理計算による CCH 結晶中の未同定の Co 空孔サイト及び、水素原子位置の予測を行った。近年同定された CCH 結晶(Co6(CO3)2(OH)8・H2O)は、6 個の充填率 0.5 の Co 空孔サイト(VCo)と 1 個の構造水となる酸素原子サイト(WO)が含まれている。そこで、VCo と WO のパターン構造の生成及び、水素付加を行い、第一原理構造最適化から、安定パターン構造の絞り込みを行った。さらに、得られた安定パターン構造を還元体構造として、CCH 結晶内部の脱プロトン反応に対する起電力評価を行った。算定起電力と実験で報告されている電位窓を比較し、CCH 相における当該反応の妥当性を評価した。
第一原理起電力評価の結果、CCH バルク内部の脱プロトン反応起電力は 3 V 以上となり、実験で報告されている電位窓 0.6 V を大きく上回る値を示した。そのため、CCH 相のバルク内部では、脱プロトン反応が起こらないと考えられる。また、CCH 相の結晶内部反応の起こりにくさは電気化学特性と大きく関係していると考えられる。先行研究では、CCH 相に対して、CCH 相から生成する Co(OH)2 相の割合が、高過ぎると、高静電容量を示すが、サイクル安定性が劣化することが報告されている。今回の結果と先行研究から、CCH 相は結晶内部の脱プロトン反応が起こらないため、充放電反応に対する構造安定性を担う役割を果たしていると16考えられる。一方で、Co(OH)2 相は脱プロトン反応相であるため、相の割合が増えると、静電容量が増加すると考えられる。静電容量とサイクル安定性の双方で優れた性能を示す
umbrella-like モルフォロジーの結晶構造を持つ CCH 電極は、CCH 相と Co(OH)2 相の適度なバ
ランスを実現していると考えられる。これらから、CCH の結晶構造制御の重要性を、結晶内部における CCH 相の低い反応性と Co(OH)2 相の反応性から説明することができた。

3. NAME OF CO-AUTHORS IN JAIST
3.1

LIST OF CO-AUTHORS- Prof. Maezono Ryo /School of information science.
- Associate Prof. Hongo Kenta/ School of information science.
- Assistant Prof. Kousuke Nakano/ School of information science.
A/How many co-authored publication with JAIST faculties so far [6].
B/How many co-authored publication with JAIST faculties planed in future [4].

4. PUBLICATION LIST DURING FY2022 USING JAIST FACILITIES・Mechanistic insights and importance of hydrophobicity in cationic polymers for cancer therapy, J
Mater Chem B 11, 1456-1458 (2023)
・First-Principles-Based Insight into Electrochemical Reactivity in a Cobalt-Carbonate-Hydroxidebased capacitor, ACS Omega 8(7), 6743-6752 (2023)
・Stepwise copolymerization of polybenzimidazole for a low dielectric constant and ultrahigh heat
resistance, RSC Advances 12(19), 11885-11895 (2022)

5. CO-AUTHORING PROJECTS FOR FY2023 USING JAIST FACILITIES・Ab initio exploration BCS-type super conductors for ThCr2Si2-type compounds
・Biophysical properties of fibril structure of the toxic conformer of amyloid-β42:characterization by atomic force microscopy and molecular docking
・Gene-Split Genetic Algorithm for Bus Routing Problem Optimization

5.1

LIST OF PLANNED PUBLICATIONS[1]" Material Design and exploration of novel BCS-type superconductors in ThCr2Si2-type crystals
via ab-initio simulation ",[Ryo Maezono, Kenta Hongo, Kousuke Nakano], [Inorg. Chem. (temporary)][2]" Molecular dynamics study of the aggregation mechanism of toxic-type amyloid-β42 oligomer via
β-barrel structure ",[Ryo Maezono, Kenta Hongo], [ACS Chem. Neurosci. (temporary)].
[3]" Gene-Split Genetic Algorithm for Bus Routing Problem Optimization",[Ryo Maezono, Kenta Hongo], [undecided].
[4]" Biophysical properties of fibril structure of the toxic conformer of amyloid-β42:characterization by atomic force microscopy and molecular docking ",[Ryo Maezono, Kenta Hongo], [ACS Appl. Mater. Interfaces (temporary)].

17

First-principles Study of S-substituted WS2-metal Contact
Abdul Ghaffar
Hongo Group
Information Science
Machine: Kagayaki
Abstract

Using first-principles calculations, we have modeled S-substituted WS2-metal contact interfaces [Fig.
1] and investigated their contact properties with different metal electrodes. Here, widely used metals
such as Ag, Au, Cu, Pd, Pt, Sc, and Ti are adopted as the electrodes, whereas non-metallic dopants, C,
Cl, N, F, O, and P are doped into the WS2 surface. We have analyzed the adhesion strength, Schottkybarrier heights (SBH), tunnel barriers, charge transfer across interface, and metal-induced gap states(MIGS) to assess their relative trends. 2D-semiconductor/3D-metal interfaces have been found tosuffer from severe Fermi-level pinning due to MIGS formation at the interface which makes van der
Waals (vdW) contacts very difficult to realize. To mitigate this issue, we have employed MIGS
analysis for the first time at the doped-WS2/metal contacts, thereby demonstrating the dopant’s relative
ability to unpin the Fermi-level by increasing vdW interaction which results in the MIGS suppression.
As is well known, C-, N-, and P-doped WS2 surfaces possess p-type characteristics. Our results revealthat the C-, N-, and P-doped WS2 still exhibit n-type SBH even with high work-function metals (Pd,Pt) upon metal contact, however, a clear shift of the Fermi level towards the valence band edge gives
rise to a lower p-type SBH ascribing to significantly reduced MIGS, compared to pristine WS2-metal
contact.

Figure 1: Modeled doped and undoped WS2/metal interface

Planned publication:
1) First-principles Study of S-substituted WS2-metal Contact18希土類金属の三元超伝導水素化物に関する研究
所属・氏名 情報科学研究科
SONG PENG
使 用 計 算 機 : Kagayaki,
lmpcc
概要
ランタン、イットリウム、セリウムの水素化物は、La-H、Y-H、Ce-H 系として知られる超伝導二元水素化物の中で最もよく知られており、理論的、実験的研究の両方で大きな注目を集めています。最近の研究
では、ランタンとイットリウムからなる三元水素化物が 253 K 前後で高い超伝導性を発現することが示されています。本研究では、進化アルゴリズムに基づく結晶構造予測（CSP）法と第一原理計算を用いて、高圧下で構成された(Y、Ce)および(La、Ce)の三元水素化物の安定性と超伝導性を調べました。私たちの計算では、Y-Ce-H および La-Ce-H 系に複数の安定相が存在し、その中には、H18、H29、H32 クラスレー
ト構造を持つ P4/mmm-YCeH8、P-6m2-YCeH18、R-3m-YCeH20、P4/mmm-LaCeH8、R-3m-LaCeH20 が、
熱力学的および格子力学的安定性を維持できることが示されました。さらに、これらの相は高温下でも分解に強いこともわかりました。電子-フォノン結合計算によると、これら 5 つの相のうち、高温超伝導性を示すのは 3 つだけです。Allen-Dynes 修正 McMillan 式を用いて、R-3m-YCeH20、R-3m-LaCeH20、P-6m2-YCeH18 の超伝導転移温度（Tc）はそれぞれ、300 GPa で 122 K、250 GPa で 116 K、150 GPa
で 173 K と予測されています。さらに、P-6m2-YCeH18 を安定化するための圧力は 150 GPa に低減され、高圧合成に適した条件が示唆されています。
図を含めることも可能

H18
P4/mmm – YCeH8 P4/mmm – LaCeH8

H29

H32

P6! m2 – YCeH18

Pmmn– LaCeH8

Amm2 – LaCeH18

R3! m– YCeH20 P4/mmm – YCeH20

R3! m– LaCeH20

Fig. 1 安定した YCeHx と LaCeHx のクラスレート構造。

関連発表論文
1) P. Song, Z. Hou, K. Nakano, K. Hongo and R. Maezono, Potential high-Tc superconductivity in

19

YCeHx and LaCeHx under pressure, Mater. Today Phys., 28, 100873 (2022/IF = 11.021/Q1-journal).
関連取得研究費 (もしあれば)
1) "Data scientific structure search for ternary hydride high-temperature superconductors",
JPSJ/GAKUSHIN/DC2 (Research Fellowship for Young Scientists, 2021batch) (Representative[P. Song/PhD course student/2yr]; 2022.4-2024.3).

20

Interface structure prediction of SnS-based thin film solar cell using CALYPSO.
Dahule Rohit Sanjay
Maezono Group
Machine: Kagayaki, lmpcc
Abstract:
Thin film solar cells (TFSC) have become a suitable alternative for sustainable energy supply because of their
reduced material cost. Moreover, the SnS is a promising candidate for a low-cost, earth-abundant, photovoltaic
absorbing layer for TFSC. In this context, the structural and optoelectronic properties of SnS were investigatedusing a combination of experiment and theory. First-principles density functional theory (DFT) computationsof the bulk and surface SnS were employed to evaluate the electronic structures and analyze the observed
anomalies in their bulk and surface electrical properties. The experimentally observed semi-metallic behavior
utilizing scanning tunneling spectroscopy was further addressed by DFT calculations. Furthermore, thephysicochemical insights in the surface and interface of SnS-based TFSC will help in understanding thetransport properties in the heterostructure. In addition, the CALYPSO-predicted atomic structure of interfaces
as shown in Figure 1 would enable comprehension of the physical properties of the TFSC layers and therefore,
would be extremely useful for the fabrication of high-performance devices.

Figure 1 Interface structure prediction of SnS(100) and ZnS (001)

Published papers:
1) Dahule, R., Singh, C.C., Hongo, K., Maezono, R. and Panda, E., 2022. J of Mate Chem C, 10(14), pp.5514-

5525.

21

First-principles study on the specific heat of BaFe2Se3
Putu Bhargo Abhimana Chrysnanda
Maezono Group
Machine:: Kagayaki

Abstract
BaFe2Se3 is a member of iron-chalcogenides superconductors which exhibit iron ladder structure.
Unlike other iron-chalcogenides, this material has a unique block antiferromagnetic (AFM) ordering(Figure 1) as opposed to the usual stripe AFM ordering. Hence, it has attracted a lot of researchinterest to understand its properties.
In this study, we try to investigate the specific heat of BaFe2Se3 from first-principles Density
Functional Theory (DFT) calculations. We used the Perdew-Burke-Ernzerhof (PBE) implementationof Generalized Gradient Approximations (GGA) functional. For these calculations, plane waves
energy cutoff of 350 eV and Monkhorst-Pack k-point mesh of 6×6×3 were employed. The specific heatcan be evaluated by using phonon calculations, which requires the structure of bulk BaFe2Se3 to be
optimized first. Structure optimization was carried out with energy and force convergence criteria of
10-8 eV and 10-3 eV/Å, respectively. Here, we adopted the Pmn21 structure as the initial structure forour calculations. Previous calculation attempts resulted in different symmetry due to buckling of Fe
ladder structure, which was not observed in other literatures. Currently, we are trying to optimize
the atomic positions only while leaving the cell shape and volume constant to fix the issue of symmetry
breaking.

Figure 1: Crystal structure of BaFe2Se3 (left) and magnetic ordering of Fe ladder (right)

22

Theoretical investigation into growth mechanism of self-oriented LaNiO3 buffering
layers: A first-principles DFT evaluation of their surface energies
Putu Bhargo Abhimana Chrysnanda
Maezono Group
Machine:: Kagayaki
LaNiO3 is used as an appropriate buffering layer for piezoelectric materials such as PZT (PbZrTi),
because it grows self-assembly on any substrates in liquid process, leading to a self-oriented layer.
Experimentally, XRD analysis found that (200) plane has 10 times larger peak intensity than (110)plane, indicating (200) is a more favorable orientation than (110), though its growth mechanism still
remains unclear. Instead of relying on experiments, theoretical investigations based on firstprinciples evaluations of surface energies can provide deeper insights into the growth mechanism; ifa certain surface has a lower surface energy than the other ones, it can be concluded that the growthof the surface is energetically dominant. Here the surface energy γ is defined as the energy
difference between the surface slab and the bulk reference as:,
where Eslab is the total energy of surface slab, ni and μi are the number of i species and the chemical
potential of i species in the bulk material having N atoms in total, and A is a surface area. μi andEslab values can be evaluated from first-principles simulations for the bulk and surface models,
respectively. To evaluate the Eslab values, we first modeled (200)- and (110)-oriented surfaces by meansof supercell approach (Fig. 1). The present simulations were based on density functional theory (DFT)
within the framework of generalized gradient approximation (GGA) with the Perdew-BurkeErnzerhof (PBE) implementation. The Kohn-Sham orbitals were expanded in terms of plane waves
with cutoff energy of 520 eV. The ionic cores were replaced with PAW pseudopotentials. 6x6x6 and4x6x1 Monkhorst-Pack k-point meshes were adopted for the bulk and (110) surface slab models,
respectively. For both the models, their structures were fully optimized until the total energy converge
within 10-6 eV. The computations for deciding the k-point mesh and the vacuum width in the slab
model were done using Quantum Espresso. However, due to convergence problems, we decided to do
the subsequent calculations using VASP. Currently, we are conducting calculations to determine thesuitable slab width.

23

Figure 1: Bulk structure model (left), (200)-oriented surface slab model (middle), and (110)-oriented
surface slab model (right). Green-, gray-, and red-colored balls stand for Li, Ni, and O atoms, respectively.

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GPU を使ったストリーム学習に関する研究
所属・氏名
井口研究室 渡邉純司
使用計算機: Kagayaki

概要
IT デバイスやモバイルデバイスの普及により、時々刻々と作り出されるデータの量は増えています。
このような連続的に作り出されるデータのことをデータストリームと呼びます。データストリームからパタンを学習するには従来の機械学習に用いられるバッチ学習をそのまま適用することができません。
なぜならデータストリーム学習では、データは 1 度だけ観測され全てのデータを保持することができません。
データストリーム学習によく用いられる手法として、Hoeffding Tree というインクリメンタル学習ア
ルゴリズムの決定木があります。Hoeffding Tree をよりロバストに学習するために、ランダムフォレス
トと呼ばれる手法が用いられます。ランダムフォレストでは、たくさんの決定木を学習するために計算量が増加してしまうことが問題になります。特にデータストリーム学習においては大量のデータを扱うことを想定しているために、なるべくスループットを向上する必要があります。
GPU Random Forest(GPU RF)はこの問題に対して、GPU を使った並列アルゴリズムを提案し大幅なスピードアップを達成しております。しかし、実装上の問題でツリーの深さに制限を設けるなどの制約が存在します。これによって、扱える問題が限られてしまっています。Adaptive Random Forest(ARF)
は、様々なストリーム学習の問題に対して優位性を示している手法です。ARF はマルチコア CPU を活用して並列化することでスピードアップを達成しておりますが、GPU RF ほどのスピードアップには至っていません。
本研究では GPU Adaptive Random Forest (GPU ARF)を提案し、GPU RF で問題となっていた制約を取り除き、かつ ARF のような汎用性をめざしました。結果として、GPU ARF は ARF と比較して、3 倍から 7 倍のスピードアップを達成しました。またこの比較には、C++で速度を最適化した ARF との比較を行っており、並列プログラムには Open MP を使いました。GPU ARF の実装には NVIDIA のCUDA C++を使いました。
Kagayaki を使うことで OpenMP のプログラムの実行や GPU プログラムの実行を簡単に行うことができ、実験の計測を用意に客観的に行うことができました。

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人間らしい将棋 AI に関する研究
所属・氏名 融合科学共同専
攻 M2 小川竜欣
使用計算機: Kagayaki
概要
ゲームを対象とした情報処理に関する研究はゲーム情報学と呼ばれている．ゲーム情報学では長らく，「人間のトッププレイヤに勝つ」という目標が掲げられてきたが，将棋や囲碁，チェスといった完全情報ゲームではこの目標は既に達成された．しかし，人間を楽しませるという点から見ると，残された課題は多い．人間らしい将棋 AI を実現するにあたって，将棋 AI を構成する要素について着目すると，「価値関数（局面から勝率を予測する）」と「方策関数（局面から着手確率を予測する）」，「探索手法（先読みを行い，価値関数・方策関数の評価を精緻化する）」という構成例が挙げられる．本論文では，探索手法の構成要素となっている方策関数の人間らしさを向上させる手法について提案し，実際に人間らしさを向上できているかについて評価を行った．
強いゲーム AI が調整なしで人間と対局すると棋力が高すぎるため，ランダムな行動をとらせたり探索を浅くしたりといった単純な方法で弱体化させることがある．これらのゲーム AI の行動は，ときに人間にとって奇妙であったり，理解しがたいものであったりする．これは，単に対局して人間に勝利した
り，互角の勝負をしたりすることだけが目的であれば問題ないが，人間を楽しませることを目的とする
場合に問題になる．なぜなら，人間プレイヤはゲーム AI の手が不自然である，もしくは理解できないと感じると，対局を楽しむのは難くなるためである．この問題を解決するため，チェスや囲碁で人間の着手予測に有効な手法として知られている深層教師あり学習モデルと，強いゲーム AI を作る手法として知られている AlphaZero 系の強化学習モデルについて，各モデルが将棋の着手予測についても有効か調査を行った．その結果，1 モデルにつき約 13 万棋譜を使用した深層教師あり学習は人間の手を50%程度予測でき，将棋においても有効な手法であることを示した．強化学習に基づく AlphaZero 系の将棋 AI である DLshogi は，棋力が高いプレイヤの手をより正確に予測できることを示した．これ
らの 2 つのモデルはそれぞれ強みがあるため組み合わせることが有望だと考えたが，異なる視点からも分析を行うことで，モデルについて理解をより深められると考えた．そこで，深層教師あり学習モデ
ルについて，尤度（モデルによって予測される人間の手の確率）に着目して分析を行った．そこから，
低棋力プレイヤのデータでは予測確率が 0.01 以下の人間の手は 5%ほど存在するなど，モデルが予測できていない人間の手が少なからず存在することを示した．このようなことが起きる理由を調べるため，モデルが予測しづらい局面について考察・分類を行った．分類については，「モデルが探索しないことによるミス」，「人間の探索に関するミス」，「操作ミス」，「様々な手が有望な局面」，「敗勢の局面」という5 つに分け，各分類ごとに尤度を高める手法について提案を行った．また，人間らしい方策関数については，教師データの数が限られている場合に，複数の方策を組み合わせることで，一致率・尤度の向上を目指す 2 つの手法を提案した．一つは，Classifier モデルという，異なる状況に応じて適切な方策関数を選択する「分類器」を用いるものであり，もう一つは，Blend モデルという，複数の方策関数の確率を「混合」するものである．実験の結果，Classifier モデルでは一致率については低棋力プレイヤのデータでは 1.3 ポイント，高棋力プレイヤのデータでは 2.0 ポイント向上したが，尤度については向26

上しないことが分かった．Blend モデルでは，一致率については低棋力プレイヤのデータでは 2.9 ポ
イント，高棋力プレイヤのデータでは 3.7 ポイント向上した．また，尤度についても低棋力プレイヤデータでは 0.200 から 0.224，高棋力プレイヤのデータでは 0.201 から 0.224 に改善した．このように，Classifier モデルも Blend モデルも一致率を向上させることに成功したが，Blend モデルのほうが一致率の向上幅が大きいうえ，尤度の向上にも成功したため，より優れた手法と言える．
関連発表論文
国内学会口頭発表（査読あり）
1) 小川竜欣, シュエジュウシュエン, 池田心. 着手予測モデルが予測しづらい局面の考察・分類と確信度を 利用した一致率の向上, 第 27 回ゲームプログラミングワークショップ (GPW), pp.180–186,(2022).
国際学会口頭発表（査読あり）
2) Ogawa, T., Hsueh, C.-H., Ikeda, K.: Improving the Human-Likeness of Game AI ’s Moves by
Combining Multiple Prediction Models, 15th International Conference on Agents and Artificial
Intelligence (ICAART), Paper #276, (2023)

27

3．マテリアルサイエンス分野の計算サーバ利用研究

28

Ziegler-Natta 触媒ナノ構造の非経験的構造決定に関する研究
先端科学技術研究科 谷池研究室・筑間 弘樹, Da Silveira Marcos Joao, 和田 透, 谷池 俊明
使用計算機: lmpcc, KAGAYAKI
Ziegler-Natta 触媒（ZN 触媒）は、 現代のポリオレフィン生産の中核を担う触媒である。その構造単位である一次粒子 は、MgCl2 ナノプレートが TiCl4 によって終端されていると考えられており、その構造は触媒機構解明の基礎となる。しかし、固体触媒 に代表される複雑な材料において分子レベルの情報は実験的に得難く、ZN 触媒においても構造の詳細は未解明である。当研究室では、遺伝的アルゴリズム（GA）と密度汎関数法（DFT）を組み合わせることにより実験結果によらない ZN 触媒の正確な分子モデルの決定を試みている。実触媒サイズの系における構造決定においては、探索空間の拡大と局所解の増大による GA の早期収束および DFT 計算の計算コスト削減が大きな課題となる。本年度
は、構造データベースからの移住による分散型 GA の実装による早期収束の解決および、高次元ニュー
ラルネットワークポテンシャル（HDNNP）の導入による計算コスト削減に取り組んだ。なお、
HDNNP は分子モデルと DFT 計算結果の対応をニューラルネットワークによって学習し、高速かつ高精度に DFT 計算を再現できるポテンシャルモデルである。
共有計算サーバ―は、GA による非経験的構造決定および NNP 構築に活用された。DFT 計算には多大な計算量を要し、HDNNP 構築には巨大なデータセットを用いた訓練が必要である。
分散型 GA によって、局所解にトラップが抑制され、構造決定が効率化されることで、実触媒に近いサイズを持つ TiCl4 終端
MgCl2 ナノプレート（50MgCl2/3TiCl4）の構造決定が実現された
この成果は論文 1 で報告された。
HDNNP 構築では MgCl2/TiCl4 系においてエネルギーで 1.5
kcal/mol、力で 1.5 kcal/(mol Å)程度の二乗平均平方根誤差を持
つ高精度なポテンシャルを実現した。DFT による構造最適化計算
およびエネルギーの評価を HDNNP で代替することで、計算時間を平均 1400 倍程度に改善させることに成功した。これにより、
実触媒スケールのサイズおよび TiCl4 被覆率を有する TiCl4 終端
MgCl2 ナノプレート（50MgCl2/9TiCl4）の構造決定を実現した

Fig. 1. Evolutionary progress plot forthestructure
determinationof
50MgCl2/9TiCl4. The energy of themost stable structure in a generation isplotted against the generation.

（Fig. 1）
。この成果は発表 1 で報告された。
また、現在は ZN 触媒の改質剤である内部ドナーを含めた構造決定についても実施している。
【関連発表論文】
1) G. Takasao, T. Wada, H. Chikuma, P. Chammingkwan, M. Terano, and T. Taniike: “Preventing
Premature Convergence in Evolutionary Structure Determination of Complex Molecular Systems:
Demonstration in Few-Nanometer-Sized TiCl4-Capped MgCl2 Nanoplates” J. Phys. Chem. A, 2022,

126, 5215-5221.
【関連学会発表】1)

筑間 弘樹, 高棹 玄徳, Behler Jörg, 谷池 俊明,"機械学習ポテンシャルによる Ziegler-Natta 触媒ナノ構造の非経験的構造決定", 第 52 回石油・石油化学討論会, 長野, 2022.10.27-28, 一般口頭.

29

ポリマー1 分子の直視

アニオン性ポリマー鎖とカチオン性ポリマー鎖の静電引力による１分子力学計測
所属・氏名：マテリアルサイエンス系 篠原健一、大貫佑河、堀諒雅、東大院理 樋口秀男
使用計算機:：Large Memory PC Cluster -superdome-(lmpcc)
既に我々は、アニオン性ポリマー鎖とカチオン性ポリマ
ー鎖の静電相互作用ダイナミクスの高速 AFM イメージン
グを報告した。今回、光ピンセット（レーザートラップ）法によるイオン性ポリマー鎖の力発生を直接計測すること に 成 功 し た 。 ア ニ オ ン 性 ポ リ マ ー と し て PAMPS[poly(2-acrylamido-2-methyl-1- propanesulfonic acid)] (Mw:

Fig. 1. Chemical structure of ionic polymers.

3.31 × 106, Mw/Mn: 2.24, Sigma-Aldrich, 図 1 左) を用いた。カ
チオン性ポリマーとして PAA・HCl [Poly(allylamine hydrochloride)] (Mw: 3.57 × 104, Mw/Mn: 2.23, Nittobo
Medical, 図 1 右) を用いた。先ず、ガラス基板表面に PAMPS 水溶液をキャストし静置する。一方、PAA•
HCl 水溶液とビーズ（直径 1μm カルボキシル化ポリスチレンビーズ）を混合した後、15 mM KCl 水溶液
で希釈して希薄溶液を調製する。この溶液を上記のガラス基板にキャストし、最後に 15 mM KCl 水溶液でリンスして観測試料とした。
実験の結果、図２に示す力発生が計測された。ポリマー鎖は、レーザートラップのバネに対して仕事をしたことになり、ポリマー鎖の仕事はバネの仕事の式を使って、

1
E  kx 2  0.5  0.18  802  576 [pN•nm]
2
 576  1021 [J]
ここで、k はトラップのバネ定数、x は変位である。



この値は、熱ゆらぎエネルギーkBT ＝ 4.1 pN•nm の 140 倍であり、ATP の加水分解エネルギー (～400 pN•nm) の 1.4 倍の仕事がなされた。静電相互作用に よるエネルギーと考察される。さらに 15 nm 程度のステ
ップ状の力発生（中間状態）が確認された。既報告の高速 AFM イメージングにおいても PAMPS 鎖に沿ったプロセッシブな PAA 短鎖分子運動における 15
nm 程度のステップが多数観測されていることから分子歩行による分子モーターの力発生であると考察された。また、15 mM KCl 水溶液中のイオン性ポリマー鎖間の相互作用について、全原子 MD
シミュレーションを実施した。
Fig. 2. A stepwise force generation by an ionicinteraction between PAMPS chain and PAA • HCl
chain in 15 mM KCl aq. at 25 ºC measured by an
optical trap system.
関連発表論文
1)

〇篠原

健一、大貫

祐河、堀

諒雅、樋口

秀男、ポリマー1 分子の直視：イオン性ポリマー分子

モーターの高速 AFM イメージングとレーザートラップ法による力学計測、高分子学会、第 71 回高分子討論会、北海道大学、2022 年 9 月 7 日 (口頭発表)30

: KAGAYAKI
-

MD
MD

NMR

KAGAYAKIAMBER20
GLYCAM06EP

TIP5P

1 atm 300 K

NPT

NMR
MD

MD

NMR
–

1) H. Tatsuoka and T. Yamaguchi, “NMR analyses of carbohydrate–water and water–water interactions inwater/DMSO mixed solvents, highlighting various hydration behaviors of monosaccharides glucose, galactose
and mannose,” Bull. Chem. Soc. Jpn. 2023, 96, 168–174.
2), “H/D

,
,

3)

,

4)

, 2022,“,, 2022
,

9

10

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.
NMR
103

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16

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NMR

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,

, 2023

31

3

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41

低い格子熱伝導率を示す AgP2 の熱電物性と非調和フォノンのメカニズムの研究
先端科学技術研究科
宮田全展
使用計算機: KAGAYAKI
概要
石油や天然ガスなどの一次エネルギーのうち，エネルギーとして回収できるのは 33％程度であり，残りの 67％は未利用熱として廃棄されている．廃熱の多くは蒸気タービンを利用したエネルギー回収が困
難な 150℃以下の低温排熱は大きな割合を占めるため，低温排熱からエネルギーを回収する技術が求められている．熱電変換は熱エネルギーを電気エネルギーに直接相互に変換できる唯一の技術として注目を集めている．現在，応用に用いられている熱電変換材料は，Bi2Te3 等の Te 化合物である．Te は Pt と同程度の地殻埋蔵量しかない為，Te を含まない熱電材料の研究が世界各国で精力的に行われている．
本研究では，他の材料系と比較して未開拓領域であるリン化物に注目し，新規高性能熱電材料の探索を行っており[1]，組成が比較的単純な二元系のリン化物 AgP2 について，世界で初めて実験と第一原理計算から熱電物性を詳細に調査した．室温において，実験で合成した AgP2 は，約 1.2 WK-1m-1 というリン化物の中では極めて低い格子熱伝導率を示す真性半導体であることが分かった．このきわめて低い格子熱伝導率を示すメカニズムを明らかにするため，第一原理計算コード OpenMX とフォノン輸送計算コード
ALAMODE を用いて，AgP2 のフォノン輸送メカニズムを詳細に調べた．その結果，AgP2 における Ag-P
クラスター中の Ag 原子が，結合の異方性に起因した大きな非調和振動を示し，強いフォノン-フォノン散乱が生じることで低い格子熱伝導率を達成していることを明らかにした．本研究の成果は，研究業績[2]および 2022 年度日本熱電学会にて発表を行い，優秀講演賞を受賞した[3]．
株式会社白山をプロジェクトリーダーとした，シリサイド系熱電材料のモジュール開発の産学連携研
究に共同研究者の一員として昨年度に引き続き参画し，第一原理計算を用いたシリサイド中に含まれる不純物相が電子物性に及ぼす効果の解明や，モジュール素子の材料設計指針を提案に貢献した[4]．
＜関連取得研究費＞[1] 科学研究費補助金 若手研究（基金）, Ag-P クラスター構造を有するリン化物熱電材料のフォノン
輸送メカニズムの解明, 令和 2 年度～4 年度, 研究代表者：宮田 全展＜関連発表論文（査読あり）＞[2] M. Miyata and M. Koyano, Materials Research Express 9(5), 055901-055914 (2022).
＜受賞＞[3] 優秀講演賞, 日本熱電学会(2022 年)＜産学連携実績＞[4] 相 手 方：株式会社白山期
間：令和４年５月１７日～令和５年３月３１日
研究課題名：環境調和型熱電モジュールの開発
研究代表者：小矢野 幹夫，建部 秀斗
研究分担者名：宮田 全展，高畑 宏章，内田 健太郎

32炭化水素系分子の Mulliken 電荷の計算
ナノマテリアルテクノロジーセンター 東嶺孝一
使用計算機: LMPCC
概要
電子エネルギー損失分光法における内殻電子励起スペクトルの測定によって，材料の化学状態に関する情報を得ることができる．無機材料では，例えば金属酸化物の酸化数の違いによって，ピーク位置やピーク形状が異なるなどの例が多数報告されている．一方で，高分子材料等では報告例が少なく，測定したス
ペクトルの解釈が困難な場合がある．最近，ニューラルネットワークを用いた内殻電子励起スペクトルの定量解析に関する報告事例［1］があり，そこでは，内殻電子励起スペクトルから Bond Overlap
Population や Mulliken 電荷の予測が可能であると結論付けられている．このことから，高分子材料等のスペクトルの解釈に向けて，各原子の Mulliken 電荷等の計算をすることは有用と考えられる．今回は，DMol3 を用いて炭化水素系分子の Mulliken 電荷の計算を行った．
一例として，
比較的構造の単純な C6H6と C6H6O についての計算結果を図１，２，および，表１に示した．それぞれの分子における各炭素原子の Mulliken 電荷を比較すると，C6H6 と比べて C6H6O では，OH の付いた C1 の Mulliken 電荷は正の値となるが，それに隣接する C2, C6 および C4 では，負の値のまま絶対値が増加する結果が得られた．
この結果は，内殻電子励起スペクトルの C K 端が，C6H6O の場合にはどの炭素原子に起因するピークであるかによって，ピーク位置が異なる可能性があることを示唆している．今回，いくつかの炭化水素系分子とそれに酸素を付加した分子の Mulliken 電荷について計算をした．得られた結果は，例えば高分子材
料等が酸化した時のスペクトルの変化を解釈する際に有用な情報になると期待される．

図１ C6H6 の C 原子の Mulliken 電荷

図２ C6H6O の C 原子の Mulliken 電荷

表１ 各分子の Mulliken 電荷の計算結果［1］Shin Kiyohara et al 2019 J. Phys. Mater. 2 024003

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「相変化材料を用いた光スイッチの相変化状態制御に関する研究」
石川工業高等専門学校・佐野陽之
JAIST ナノマテリアル・デバイス研究領域・水谷五郎
安東秀使用計算機： Kagayaki＜目的＞
相変化材料の自己保持性を利用した“高速で低消費電力な光スイッチ”（相変化光スイッチ）の開発が進められている。これまでの研究において、「相変化材料の相状態がよく分からず、予想される性能が出ない」「挿入損失が大きい」などの問題が生じている。そのため、本研究では、「光スイッチ動作の完全な理解」と「低損失な相変化材料の提案」を行う。
＜内容および研究成果（状況）＞○相変化シミュレーション
相変化材料 GST（Ge2Sb2Te5）を用いた光スイッチ動作を完全に理解するため、「電気伝導、ジュール熱発生、熱拡散、相変化、光伝搬」の物理現象を含む相変化光スイッチシミュレーションシステムを開発した。試作デバイスを基にした光スイッチモデル構造に関するシミュレーションを行った結果、GST のアモ
ルファス化過程において、GST の加熱が著しく不均一であり、そのため冷却時に GST の再結晶化が進むことによって光スイッチの消光比性能が劣化することが分かった。GST 加熱時の電流・電位分布を解析した
ところ、GST の乗っていない ITO 領域の相対的な電気抵抗が大きくなり、その部分で発生するジュール熱
が大きくなることが不均一加熱の原因であることが分かった。この結果をもとに、GST 内の温度差を小さくするための検討を行い、「GST 膜の乗っていない ITO 領域の膜厚を 2 倍したモデル構造」（M1）と「ITO
層と GST 層の間に電気的な絶縁のための SiO2 層を挿入したモデル構造」（M2）に関するシミュレーションを行った。M1 モデルでは、GST 内の温度差が約半分になり、冷却後の再結晶化が大きく減少する結果を得たが、M2 モデルでは、再結晶化の抑制効果が小さいことが分かった。
○低損失な相変化材料の探索
MnTe は変位型相変態を示す磁性半導体であり、光スイッチで利用される波長領域で光吸収が非常に小さく、また高速に相変態が起こることが知られているため、相変化光スイッチの材料として有望である。
そこで、α、β、β’の３つの MnTe 結晶相を対象に、第一原理計算を行った。計算手法（近似）として
GGA-U と HSE06 を用い、構造最適化、状態密度分布（ＤＯＳ）、エネルギーバンド図、光学誘電率の計算を行った。GGA-U 近似を用いた場合、計算時間が短いがバンドギャップが実験値より 30％程度小さくなった。一方、HSE06 近似を用いた場合、計算時間は長いがバンドギャップは実験値とほぼ同じ値になった。
β’型については、Mn と Te の最近接原子間距離が 1.7A であり、計算プログラム(VASP)の限界値 2.48A
よりずっと小さく正しい計算を行うことが出来ないことが分かった。今後は、αとβの 2 つの結晶相について、光学誘電率の測定データとの比較や相変態の反応経路計算を行い、相変化の性質を明らかにしていく予定である。なお、この第一原理計算に関する研究は、JAIST ナノマテリアル・デバイス研究領域の水谷教授及び安東秀准教授との共同研究に基づいて実施している。
＜研究業績等＞

本研究に関連する研究発表等を以下に示す。

1) 佐野陽之、桑原正史、“相変化材料を用いた光スイッチ動作のシミュレーション解析”
応用物理学会学術講演会 2023年3月18日（オンライン）18a-A202-6.
＜関連取得研究費＞
1) 科研費基盤研究（C）「相変化光スイッチの相変化状態制御の理論解析と最適なデバイス構造・材料の探索」令和2年度～5年度、研究代表者：佐野陽之

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Band structure and Berry curvature calculation in hBN/Bilayer graphene
heterostructure
Kareekunnan Afsal
Mizuta Lab
School of Materials Science
Machine Used: Kagayaki
Program Code: SIESTA
Here I performed ab initio calculation using SIESTA and Wannier90 code to calculate the band
structure and Berry curvature for hBN/Bilayer graphene heterostructure. Both the band structure and Berrycurvature were also calculated by applying positive and negative electric fields of different magnitudes acrossthe heterostructure.
The ab initio calculations are performed using the SIESTA package, which uses the linear combinationof atomic orbitals (LCAO) basis sets. To maintain a similar interlayer distance between the layers as theexperimental values, van der Waals exchange-correlation functionals were used. A vacuum layer of 25 ˚Awas
used to reduce the interaction between adjacent structures. A Monkhorst-Pack grid of 40 × 40 × 1 and an energy
cutoff of 500 Ry were used for all the calculations. Structure optimization was performed until the force between
atoms was less than 0.01 eV/˚A. The Berry curvature calculation was performed using the WANNIER90
package. A total of 15 Wannier functions were utilized on a Monkhorst-Pack grid of 40 × 40 × 1 to calculate theBerry curvature.

Figure 1: Electronic band structure calculated for the hBN/bilayer graphene heterostructure at electric fields ofmagnitude (a) -0.5 V/nm, (b) -0.25 V/nm, (c) 0 V/nm, (d) 0.5 V/nm and (e) 1.25 V/nm. Berry curvature
calculated at K high symmetry point for the heterostructure at electric fields of magnitude (f) -0.5 V/nm, (g) 0.25 V/nm, (h) 0 V/nm, (i) 0.5 V/nm and (j) 1.25 V/nm.
Manuscript written:

Teppei Shintaku, Afsal Kareekunnan et al., Berry curvature induced valley Hall effect in non-encapsulated
hBN/Bilayer graphene heterostructure aligned with near-zero twist angle, arXiv preprint arXiv:2301.02358

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Lyotropic Liquid Crystalline Property and Organized Structure in High ProtonConductive Sulfonated Semi-Alicyclic Oligoimide Thin Films
School of Materials Science,
Nagao Lab, Yao Yuze
Machine: Large Memory PC Cluster
Abstract
Fully aromatic sulfonated polyimides with a rigid backbone can form lamellar structures underhumidified conditions, thereby facilitating the transmission of protons in ionomers. Herein, we
synthesizedanewsulfonatedsemi-alicyclic

oligoimide

composedof

1,2,3,4-

cyclopentanetetracarboxylic dianhydride (CPDA) and 3,3'-bis-(sulfopropoxy)-4,4'-diaminobiphenyl(BSPA) to investigate the influence of molecular organized structure and proton conductivity withlower molecular weight. The density functional theory (DFT) calculation shows that this new
oligoimide has a more linear main-chain conformation then the previous reported alkyl-sulfonatedsemi-aliphatic polyimides (ASSPIs) (Figure 1). Therefore, it can form an ordered lamellar structure
under humidified condition even with a much lower molecular weight. Benefiting from the formationof the ordered lamellar structure, the new oligoimide exhibits an ultrahigh proton conductivity of 0.2
S cm-1 (298 K, 95% RH) which is the highest value among the reported alkyl-sulfonated polyimide(ASPI) thin films with comparable molecular weight.

Figure 1. Optimized structures of (a) five repeating units of BSPA-CPDA with rigid backbone and (b)five repeating units of ASSPI with bending backbone.
Published papers:
1) Y. Yao, H. Watanabe, M. Hara, S. Nagano, Y. Nagao*, Lyotropic Liquid Crystalline Property andOrganized Structure in High Proton-Conductive Sulfonated Semi-Alicyclic Oligoimide Thin Films,(10.1021/acsomega.2c06398.), peer reviewed.

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Design of biopolybenzazole exhibiting low dielectric constant and ultrahighthermoresistance
School: MSLab:

Kaneko lab

Name: ZHONG Xianzhu
Machine: LMPCC
Abstract

Bio-based polymer materials having a great potential due to the depletion of fossil-fuel resources havebeen applied as single-use and medicinal materials but their low thermomechanical resistance limited
the wide applications. Here the ultrahigh thermoresistant bio-based terpolymers with low dielectric
constant，comprising polybenzimidazole and poly(benzoxazole-random-aramid) were prepared by amethod involving stepwise polycondensation of three monomers—3,4-diaminobenzoic acid for
benzimidazoles, 3-amino-4-hydroxylbenzoic acid for benzoxazoles, and 4-amiobenzoic acid foraramids. For optimized monomer compositions, the obtained terpolymers exhibited dielectric
constants lower than 3, and a 10% mass loss at approximately 760 °C—a temperature higher than thatfor any other polymer material reported so far. The high thermal degradation temperatures were aresult of the high interaction enthalpies of hydrogen bonding between imidazole rings in the polymer
chains, this was evidenced by the density functional theory calculations using trimer models ingaussian.

Published papers:

1) X. Zhong, T. Kaneko, et al., RSC Adv., 2022,12, 11885-11895

37

Predicting new 2D materials useful for technology
Department of Physics
Tamkang University
Chi-Cheng Lee
Machine:: KAGAYAKI

In collaboration with Prof. Yamada-Takamura in School of Materials Science, JAIST, we have
explored the physical properties of 2D materials composed of Si and Ge atoms that can exhibit highFermi velocities needed for the interconnects in the semiconductor industry. We have used
KAGAYAKI to search for many possible structures and identified the structures that possess lower
energies than those of silicene and germanene, respectively. To calculate the phonon dispersion, alarge-scale supercell is needed for the density functional theory (DFT) calculations and KAGAYAKI
is also used to obtain the needed force constants. We have found the atomically thin Si and Ge
allotropes not only possess high Fermi velocities superior to those in graphene but also are
dynamically stable. This study demonstrates that all-silicon-based integrated circuits are possible.

Predicted new 2D Si allotrope with its phonon dispersion within LDA and GGA approximations.

Published papers:
1) Chin-En Hsu, Yung-Ting Lee, Chieh-Chun Wang, Chang-Yu Lin, Yukiko Yamada-Takamura,
Taisuke Ozaki, and Chi-Cheng Lee, Phys. Rev. B 107, 115410 (2023).

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Activity Report FY2022
1. Research title: Capturing Charge and Size Effects of Ions at the Graphene-

Electrolyte Interface Using Polarizable Force Field Simulations
Principle Investigator: Sairam Swaroop Mallajosyula
Affiliation: Associate Professor, Indian Institute of Technology Gandhinagar
Machine: Kagayaki
2. Project Description: We present a systematic investigation capturing the charge

and size effects of ions interacting with the graphene surface using polarizable
simulations. Our results utilizing the Drude polarizable force field (FF) for ions,water and graphene surfaces, show that the gaphene parameters previously
developed by us are able to accurately capture the dynamics at the electrolytegraphene interface. For the monovalent ions, with increasing size, the solvation
shell plays a crucial role in controlling the ion-graphene interactions. The smaller
monovalent ions directly interact with the graphene surface, while the larger ionsinteract with the graphene surface via a well-formed solvation shell. For thedivalent ions, both interaction modes are observed. For the anion Cl-, we observe
direct interaction between the ion and the graphene surface. The anion-grapheneinteractions are strongly driven by the polarizability of the graphene surface.
These effects are not captured in the absence of polarization by additive FF
simulations. The present study underlines the importance of polarizability incapturing the interfacial phenomenon at the solid-solute interface.
3. Publication list during FY2022 using JAIST Facilities:i)

Hemanth, H.; Mewada, R.; Mallajosyula, S. S., Capturing charge and size
effects of ions at the graphene–electrolyte interface using polarizable force
field simulations. Nanoscale Advances 2023, 5 (3), 796-804.

4. Co-Authoring projects for FY2022 using JAIST facilities:

In FY2023 we plan to investigate the applicability of Graphene Nanopores insequencing DNA using Drude Polarizable FF simulations. The work build up on
the previous results that we obtained in FY2021 and FY2022.

39

1. Research title: Impact of Polarization on the Ring Puckering Dynamics of Hexose

Monosaccharides
Principle Investigator: Sairam Swaroop Mallajosyula
Affiliation: Associate Professor, Indian Institute of Technology Gandhinagar
Machine: Kagayaki
2. Project Description: Analysis of crystal structures of hexose monosaccharides, α-D-mannose (α-MAN), β-D-mannose (β-MAN), α-D-glucose (α-GLC), β-D-glucose (βGLC), α-D-galactose (α-GAL), β-D-galactose (β-GAL), α-D-altrose (α-ALT), β-Daltrose (β-ALT), α-D-idose (α-IDO) and β-D-idose (β-IDO) reveals that themonosaccharide ring adopts multiple ring conformations. These ring
conformations can be broadly classified as chair, half-chair, envelope, boat andskew-boat conformations. The ability of the monosaccharide ring to adopt multiple
conformations has been closely tied with their bio-activity. However, it has beendifficult to capture the dynamic information of these conformations fromexperimental studies. Even from simulations capturing these different
conformations is challenging because of the energy barriers involved in thetransitions between the stable 4C1 and 1C4 chair forms. In this study, we analyze
the influence of polarizable force field on the ring dynamics of five major types of
unsubstituted aldohexoses, Glucose, Mannose, Galactose, Altrose and Idose, andtheir anomers. We simulate microsecond trajectories to capture the influence of
CHARMM36 additive and polarizable carbohydrate force fields on the ring
dynamics. The microsecond trajectories allow us to comment on the issues
associated with equilibrium molecular dynamics simulations. Further, we use theextended system adaptive biasing force (eABF) method to compare theconformational sampling efficiencies of the additive and polarizable force fields.
Our studies reveal that inclusion of polarization enhances the sampling of ring
conformations and lowers the energy barriers between the 4C1 and 1C4
conformations. Overall, the CHARMM36 additive force field is observed to be rigid
and favour the 4C1 conformations. While the inclusion of polarizability results inenhancing ring flexibility, we observe sampling which does not agree withexperimental results warranting a revision of the polarizable Drude parameters.
3. Publication list during FY2022 using JAIST Facilities:i)J. N, Chythra; Mallajosyula, S. S., Impact of Polarization on the Ring
Puckering Dynamics of Hexose Monosaccharides. Journal of chemical
information and modeling 2023, 63 (1), 208-223.

40

4．謝辞
JAIST の並列計算機利用者メーリングリストである MPC メーリングリストを通じて各計算機利用者へ報告書の作成を依頼し，これに応じて頂いた各著者のご厚意によって，本報告書を取りまとめることができました．
ご多忙のところ，報告書の作成にご協力を頂いた著者各位に心から感謝致します．

41