元素戦略プロジェクト＜研究拠点形成型＞研究ダイジェスト

物質から材料へ"Element Strategy Initiative" Research Digest 2012─2015

Research
Digest2012─2015

元素戦略プロジェクト＜研究拠点形成型＞/
大型研究施設 連携シンポジウム（第2回）
開催にあたって元素戦略プロジェクトは、我が国の資源制約を克服し、産業競争力を強化するため、
レアアースやレアメタル等の

1
3
5
7
9

元素戦略プロジェクト＜研究拠点形成型＞/
大型研究施設 連携シンポジウム（第2回）開催にあたって

元素戦略イニシアティブの推進を

小松弥生

村井眞二

第1期を終えた元素戦略プロジェクトと大型研究施設との連携

大型研究施設 連携シンポジウム（第2回）
─局所構造制御で物質から材料へ─ 開催趣旨

澤岡 昭

福山秀敏

各研究領域の研究
中村哲也
辻 成希

希少元素の代替となる革新的な材料を開発することを目矢野正雄

磁石材料領域的として、立ち上げられた事業です。

研究の加速に際しては、大型研究施設を駆使した先

中井浩巳

15
17
19
21

端分析･解析技術等が不可欠であり、本日のシンポジウム

神谷利夫
大橋直樹
門野良典

23
25
27

譯田真人
友田 陽
尾崎泰助

29
31
33

寺倉清之

35
37
39
41

細川三郎

今年度で事業開始から4年目を迎え、研究の加速という新内本喜晴

たな段階への移行を迎える時期であると認識しております。

館山佳尚

触媒･電池材料領域が更なる連携強化のきっかけとなることを期待しております。

電子材料領域

現在、政府において第5期科学技術基本計画の策定を進めており、
その中で、
計算科学･データ科学を駆使した革新的な材料開発の推進と、その開発期間の大幅な構造材料領域短縮の実現が打ち出されております。

徐 一斌

文部科学省といたしましては、
物質･材料科学と計測科

武藤俊介

情報統合型材料研究領域

学、
データ科学との融合･協働の下、革新的な材料開発

常行真司

がより一層、推進されることを期待するとともに、
こうした取

小松弥生

り組みの強化に向けて、支援してまいります。

文部科学省 研究振興局長

ますが、
本シンポジウムを通して、事業の成果が社会に貢献

本日は産業界からも多くの方々にご列席いただいておりする新材料の創製に向けた一歩となることを願っております。
最後になりますが、本日のシンポジウムの企画･開催にあたり、関係者の皆様のご尽力に敬意を表しますとともに、ご列席の皆様のご健勝とますますのご発展を祈念いたしまして、ご挨拶とさせていただきます。
2016年1月21日

01

9
11
13

43
45
48
49

産業界からの期待

梅村 晋
瀬戸山亨

43
44

ポスター発表ナノテクノロジー･物質･材料に関する研究への期待

西條正明

運営統括会議構成員のコメント

02

元素戦略イニシアティブの推進を「元素戦略イニシアティブ（優先政策）」が始まってす元素戦略の目標と特長

戦略･戦略目標型（CRESTとさきがけ）」に次ぐ第3の大でに10年を超えつつあります。資源制約と環境負荷、さ

元素戦略の目標は、充実した生活と持続可能社会のらには持続可能社会形成に知恵で挑むというこの政策形成に貢献することです。サイエンスをベースにした人

平成24年に開始しました。4つの拠点は、は、府省庁連携による広がりをもって推進されてきまし類的課題の解決には、
以下の戦略が必要です。

1．磁石材料拠点（物質･材料研究機構）

た。また、数少ない我が国発のコンセプトとして世界に

1) 資源限界を超えて持続可能な社会を目指す戦略

2．触媒･電池材料拠点（京都大学）

認知され、日米欧の協調施策ともなっています。この３

2) 新たな物質材料基盤技術をひらく戦略

3．電子材料拠点（東京工業大学）

極が足並みを揃えてWTOに中国の輸出制限への提訴

3) 世界から尊敬され、かつ国益をもたらすような社会秩

4．構造材料拠点（京都大学）を行い、望ましい裁定を勝ち取っています。
「元素戦略」は一般社会にも知られるようになり、新序の形成。

元素戦略は単に課題解決型の戦略でないことは明ら聞各社社説やテレビでも取り上げられ（池上彰特別かです。いくつかの特色を挙げます。

番組）、好感をもって迎えられています。このイニシア

1) 科学技術の「分野」
ではない。もとより専門分野もなく、ティブに関わる者の責任の重大さに改めて思い至っています。

専門家もいない。
2) 研究の動機や条件の設定が従来とは異なる。それが、新しいサイエンスが生まれるチャンスに。

型プロジェクトとして「元素戦略＜研究拠点形成型＞」
をです。4拠点は、将来事業終了の10年後には、センター
オブエクセレンスとして自立できることを想定しています。

元素危機の展望
元素危機は短期的には経済問題であり、需要と供給のバランスに影響されます。
中期的には南北問題とも言えます。その1つが環境

3) 今までとは異なる文化。ゆえに、多方面に影響を及ぼす。

問題でしょう。環境保全努力が、中国による希土類輸出

4) 個別課題では、
シャープなゴールを設定する場合が多制限の一因であることを輸入国も理解すべきです。

く、それに応じた費用対効果の検証が必要。

長期的には、利用可能な資源の質と量の問題です。

元素戦略に基づくある成果によって、一挙に社会が2040年には世界の人口の60％が都市人口になると言わ前進するというものではありません。数件、十数件の研れています。都市生活者の急増に希少元素製品の生究成功はすばらしいものですが、それでも大きなゴール

産が追い付かないのは明らかであり、世界的な新しい秩には程遠いのです。社会の変革に影響を持つまでには序の形成が必要となります。

膨大な成果の積み重ねと、長い年月にわたる不断の活動が必要になります。

持続可能社会の実現に向けて、最も期待を集めていプログラム･ディレクター
（PD）

村井眞二
奈良先端科学技術大学院大学 特任教授

るのが科学･技術の成果でありましょう。幸いにも、
この四半世紀の間には、最も深刻な資源問題としての元素＜研究拠点形成型＞へ
文部科学省は、「元素戦略･産学官連携型」、「元素

危機はまだ大きくのしかかってくることはありません。この
時間を無駄にしてはなりません。

"Element Strategy Initiative" Research Digest

2012─20150304

第1期を終えた元素戦略プロジェクトと大型研究施設との連携
磁石材料拠点

触媒･電池材料拠点

電子材料拠点構造材料拠点

解析評価グループ

解析評価グループ

解析評価グループ

解析評価グループ

電子論グループ

電子論グループ

電子論グループ

電子論グループ

材料創製グループ

材料創製グループ

材料創製グループ

材料創製グループ

年度になると考えています。
本プロジェクトは総合科学技術･イノベーション会議が策定した方針に基づいて、文部科学省が実施するものです。PDは村井眞二と澤岡昭が、PO（プログラムオフィサー）
は科学技術振興機構（JST）の中山智弘と尾崎勝（知財担当）が担当しています。PDとPOは文科省と研究拠点との間の潤滑油となり、与えられた条件下で最大の成果を挙げることを目標にして活動しています。また、文科省のプロジェクトである以上、中期的な研究成果だ

大型研究施設けではなく、
プロジェクト終了後の展開と人材育成への貢KEK-PF
KEK
PF

情報統合型
材料研究拠点献も重要な使命であると考えています。

©RIKEN

公募によって平成24年に選定された拠点は、磁石材

MI I
MI²I

プログラム･ディレクター (PD)料（代表：NIMS･広沢哲）、触媒･電池材料（代表：京澤岡 昭

大･田中庸裕）、電子材料（代表：東工大･細野秀雄）、
構造材料（代表：京大･田中功）です。平成27年度の研果を除いては、本プロジェクトの進捗状況をプロジェクト

開 催しました。副題として、“CMSI（「京」･HPCI、）大同大学 学長

究費は20.4億円でした。それぞれの拠点の活動につい外からほとんど知ることができません。情報公開に関し

SPring-8、J-PARC、KEK-PFを利用した物質･材料研てはホームページが開設されていますので、ご覧下さい。

ては十分な体制をとっていなかったのです。

究の課題共有と共創”を打ち出しています。この初の連元素戦略プロジェク
元素戦略プ
ジ クト
トの研究拠点と連携体制
研
研究拠点と連携体制
究拠点と連携体制

携シンポジウムは、特に若い研究者にとって、元素戦略プ

本プロジェクトでは、重要事項の審議のために、文科研究拠点形成型の元素戦略プロジェクトは平成24年

省研究振興局長の諮問機関として元素戦略運営統括

一方、本プロジェクトでは、国策として設置された文科

ロジェクトと大型研究施設の全貌を知る良い機会になっ夏にスタートし、3年が経過しました。この3年間が拠点会議が設置されています。また、各拠点は年2回程度の省所管の大型研究施設を活用して研究を加速すること

立上げの第1期であり、現在、次の3年間の第2期に入っ推進委員会を開催しており、統括会議の構成員と専門が求められています。こうした課題を受けて、大型研究

平成27年度には、大型研究施設として情報統合型物ています。第2期では第１期の成果と反省を踏まえて研委員が出席しています。これらの会合では知財をはじ

施設の利用を推進し、併せて4拠点の連携と情報公開

質･材料開発イニシアティブ「MI²I」がNIMSの中に設置

究体制の変更と研究計画そのものを見直す拠点もあり、めとする守秘義務を伴う事項が議論されるため、非公開を図るため、平成26年2月28日･3月1日に大型研究施されました。これによって、物質科学研究が新たな時代

本格的な新体制による研究が軌道に乗るのは平成28になっています。そのため、学会等で発表される研究成設 連 携シンポジウム2014を東 京 大 学 物 性 研 究 所でを迎えるものと期待しています。

たことでしょう。

"Element Strategy Initiative" Research Digest

2012─20150506

大型研究施設
連携シンポジウム（第2回）
─ 局所構造制御で 物質から材料へ─
開催趣旨

元素戦略運営統括会議構成員

福山秀敏
東京理科大学 総合研究院長

今回のシンポジウムは、大型研究施設と産官学が連ベーション創成”という方針に沿って設置された各研究携して「我が国における物質材料科学研究活動の最先拠点では、従来、相互に意見交換をしたことがない研究端」を発表する“研究活動見本市”と位置付けています。

者間の連携協力が日常的に展開される状況が出現してここでの情報交換と意見交換を通じて、研究開発のさらおり、そこでは新しいタイプの人材が育ってきています。

なる発展が促進されるものと期待しています。

学問分野の深化に伴って、それぞれの分野の研究成果が社会的にどう位置づけられるのかが時として不明確

元素戦略プロジェクト＜研究拠点形成型＞/大型研究施設 連携シンポジウム（第2回）
は2016年1月21日･22日に開催された。

研 究 拠 点 の 活 動 の中で、大 型 研 究 施 設 であるになり、また分野間の連携･協力の努力が忘れられが

SPring-8、J-PARC、KEK-PF、「京」
コンピュータが果た

ちになっている現状においては、
これは大変新鮮な状

す役割は極めて大きく、「拠点と大型施設」の連携が重況です。本多光太郎の「産業は学問の道場」、久保亮

要になってきます。両者の連携を強化するため、第１回

五の「基礎と応用に区別はない、大事なことは瑣末か

シンポジウムが平成26年に開催されました。第2回の本瑣末でないかである」との言葉をまさに体現したものとシンポジウムでは、「局所構造制御で物質から材料へ」を言えましょう。

副題として掲げています。物質中の局所原子配置とそ莫大な財政赤字を抱えた我が国の再建にとって、科れに伴う電子状態の特徴の理解が材料の機能発現に学技術研究によるイノベーションの実現、とりわけ物質材

は必須の役割を果たすことを強調したもので、実際、放料研究における産学官連携

射光や中性子は局所構造の解明に、
また
「京」
をはじめ

による革新的材料の創出はとする大型計算機は電子状態の解明に大きな威力を発必須です。本シンポジウム

揮しています。

がこの重要な目標に向かっさらに、ビッグデータや機械学習等で今後急速に重要ての一つのステップとなるこ

性が増すと期待される「情報科学に立脚した機能性材とを祈念し、参加者全員に心料の探索・設計」
を行う「情報統合型材料研究」の拠から謝意を表します。

点が新たに加わりました。
このように、“学問分野の再構成とそれに基づくイノ

文字通り、本多の言うように、「今が大切」なのです。

東北大学金属材料研究所「創立百周年記念事業｣で出展された
本多光太郎の色紙（提供：金研･
佐々木孝彦教授）"Element Strategy Initiative" Research Digest

2012─20150708磁石材料領域
磁解析評価

プロジェクト名プ

文部科学省 元素戦略プロジェクト･磁性材料研究拠点「放射光ナノビーム解析」
文

高性能磁石の実現にむけたSPring-8の元素戦略活用−磁石組織と磁性の可視化による課題解決−

研究の背景

ネオジム
（Nd）
焼結磁石は、ハイ
ブリッド自動車や風力発電などをPoint● 耐熱性があり高性能な磁石を希少元素フリーでつくることが目標● 保磁力を最大化する微細組織の形成が課題● 新たに開発した走査型軟Ｘ線MCD顕微鏡装置によるナノ磁気イメージング解析を開始

界に対して15％程度でしかなく、
保

グネットを備え、強磁場中で磁区観

らかになります。また、微細組織と磁力を大幅に向上する微細組織の察ができる世界で唯一のSXM装置

保磁力の相関をさらに詳細に研究

また局所物性から新しいマテリ

形成が材料開発の具体的な課題とです。これによって、破断面の磁すれば、保磁力を大幅に向上する

アルを探すことも期待されます。

なっています。

区を広い範囲で、かつ詳細に見る

方法が見つかると考えています。

ナノビームを使って局所の情報をはじめとして、産業界では非常にわれわれは、
保磁力の発現機構

ことができるようになりました（図重要な材料となっています。特に

（磁性）
と微細組織
（構造）
の関係を

2）。例えば、磁場を上げ下げしな

自動車用途に必要な磁石の耐熱

磁区の観察から調べています。な

がら磁区の変化を観察すること性を上げるには希少元素のジスプ

ぜなら、微細組織の一部に局所的で、逆磁区が発生する領域が見え

ロシウム
（Dy）
が必要ですが、Dyをに逆磁区が発生しやすい部分、すました。

入れると耐熱性以外の性能が下がなわち保磁力を低下させる「弱点」

ります。耐熱性があり、かつ高性実現したいと考えています。

得ることができるようになったの
今後の展開

で、
これまで不純物だと考えていたものの中に非常に魅力ある物質が放射光を使ってはじめて可能と見つかるかもしれません。そのよなる磁区観察などから、磁石のマ

うなものを見つけることができれ

SXMでは研磨面の磁区も観察が

テリアルデザインを行い、他の研ば、元素戦略が起点となってさらにを見いだすこと、
さらに、発生してできるので、今後、研磨面と破断面

究所や磁石･自動車メーカーの方

新しいイノベーションにつながる

能な磁石を希少元素フリーでつくしまった逆磁区の拡大を阻止する

における磁区形成過程の相違も明と協力して、高性能な永久磁石をことが期待されます。

ることが究極の目標です。

ピニング機構を明らかにすること

図1 SPring-８のビームラインBL25SUに設置された
SXM装置
試料のどういう面を見たいかによって、破断や表面のエッチング、
またエバポレーションすることも可能。

図2 SXMによる破断面の磁区観察の例
磁石粒子に重なるコントラストが磁区に相当。黒いところは、
ネオジムが多く含まれていてFeが少ないネオジムリッチ相。

が求められているからです。とこ
研究の概要

中村哲也

ろが、従来の方法で磁区観察を行うことができた研磨面では、一般にネオジム焼結磁石は、10μm以保磁力が低下した状態にあること

高輝度光科学研究センター

下の粒径のNd₂Fe₁₄B結晶を主相とが問題でした。一方、磁石を割っ利用研究促進部門

し、その粒間をNd合金やNd酸化てできる破断面には不規則な凹凸物が粒界相として充たす微細組織が形成され、
従来の磁区観察にはをもっています。ネオジム磁石の適しませんが、保磁力は良好に保

理論上の保磁力限界は約7.5 Tでたれることを見いだしました。

公益財団法人す。単結晶の保磁力は非常に低そこで、SPring-８のビームライ

く、
ネオジム焼結磁石の保磁力は、ンを大幅に高性能化した上で、走微細組織を形成してはじめて実用

査型軟X線MCD顕 微鏡（SXM）装的な値（市販磁石で約1.2 T）となり置を開発しました（図1）。この装ます。ただし、この値は7.5 Tの限置は最大発生磁場 8 Tの超電導マ

連名者
（共著者）
：小谷佳範・豊木研太郎・Billington David・岡﨑宏之・保井晃・上野若菜・鈴木基低（高輝度光科学研究センター）、
宝野和博・広沢哲（元素戦略磁性材料研究拠点：ESICMM ／物質･材料研究機構）
09

もっと知りたい人へ

http://www.spring8.or.jp/ja/
10磁石材料領域
磁解析評価

プロジェクト名プ

文部科学省 元素戦略プロジェクト･磁性材料研究拠点「放射光ナノビーム解析」
文

微細組織
微細組織制御による高性能磁石材料創成にむけた
高温X線回折による粒界構造解析

研究の概要

辻 成希
公益財団法人● 磁石中の粒界相の物質や構造を調べることが非常に重要● 熱処理過程における粒界相の変化を放射光高温X線回折で調べた● ネオジムの4 f サイトに酸素が固溶しているモデルを提唱

変化を、高い分解能で観測を進めた。A、
B試料における大きな違いることです。

はネオジム（Nd）の消失温度で、これらの実験結果を説明するた

いてNdOx相が増加するという結おり、最適加熱処理温度以上にお(A)Cuを含むN d₁₄.₂Fe₇₉.₄
実験は、

その他は大きな違いがないことがめに、われわれはNdの4 f サイトに果を得るなど、多くのデータが蓄積

保磁力が約20％増大することが知(B)Cuを含まない
B₆.₃Cu₀.₁(at.%)と、

観測されました。また体積の温酸素が固溶しているモデルを提唱されてきています。

られています。これは、主相であNd₁₄.₁Fe₇₉.₈B₆.₁(at.%)の2種類の試

度変化を観察すると、キュリー点

しました（図2）。電子論グループる結晶粒のまわりに薄い銅（Cu）を料を用いて、
SPring-8のビームライ

を境に金属ネオジム相の熱膨張に依頼して第一原理計算による検含んだ粒界相をつくることで保磁

ンBL02B2で行いました。測定する率が、主相であるNd₂Fe₁₄Bと同様討を行ったところ、
われわれの酸素力が回復するものと考えられていときは石英キャピラリー内に試料に変 化 することが 観 測されまし

固溶モデルを支持する結果が得ら

今後の展開としては、熱力学計ます。このような観点から、
磁石中を真空封入し、本プロジェクトで開た。これは、主相との間に何らかれました。特にCuが0％の試料で算との対応を検討していくことにの粒界相がどのような物質で構成発したグラファイトヒーターを使っの相関があることを示唆していまは、第一原理計算と非常によい一なります。今回は配向性のサンプ

され、どんな構造になっているのて高温下で測定しました。

す。さらに詳しく調べるため格子致を示しています。

ルを用いていますので、主相を解

図1は 実 験 結 果で す。白 い 丸

定数を見てみると、ネオジムの格

さらに定量解析から、Cuには酸析から除外しています。そこで、無ことが非常に重要になってきます。

が実験結果で、赤い線が主相の子定数がキュリー点を境にa軸、c化物相の生成を抑制する効果があ

配向の磁石を含めて主相を含めた

われわれは、
その定性解析と定みで行った解析（リートベルト解

軸ともに伸びています。室温ではることが示唆されました。また、
粒

含有量の変化を明らかにしていき

量解析をX 線回折で行っていま析）の 結 果 で す。A、B試 料とも

c軸方向が特に伸びていることが界相含有量は温度依存性を示してたいと考えています。

す。最近特に力を入れているのに 四 つ の 粒界相 Nd(

)、

は

NdOx(

)、
Nd₂O₃()、

高温放射光 X 線回折に

Nd₅Fe₁₈B₁₈(

Nd (P63 /mmc))が同定されましNd
O (4f )

Intensity [counts]

可能性として：

酸素の導入
40000

NdOx, Nd

20000
0

今後の展開

か、
またその物質の含有量を調べる

利用研究促進部門

9

Nd2O3

NdO

10

11

Shannon ion radius+
Nd³ : 1.11 Å
O² : 1.36 Å

Nd (P63/mmc)
NdOx (Fm-3m)
Nd2O3 (P63/mmc)
Nd5Fe18B18 (Pccn)

Nd

2 [degree]

z

12
y

z

Nd5Fe18B18

図1 粒界相（結晶相）の同定
一部の領域を拡大すると、主相だけではフィットできていないピークが存在していることがわかる。同定を行うと4つの相があることが観測された。

連名者
（共著者）
：上野若菜・岡﨑宏之・中村哲也(高輝度光科学研究センター )、広沢 哲(物質･材料研究機構)
11

観察されました。

焼結磁石に熱処理を加えると、より、熱 処 理 過 程 中での粒界相

高輝度光科学研究センター

Point

図2 酸素固溶モデル
われわれが提唱したNdの4 f サイトに酸素が固溶したモデル

もっと知りたい人へ

http://www.spring8.or.jp/ja/
12磁石材料領域
磁

解析評価

材料創製

プロジェクト名プ

新エネルギー･産業技術総合開発機構（NEDO）
新
未来開拓研究プログラム「「次世代自動車向け高効率モーター用磁性材料技術開発」：ナノ複相組織制御磁石の研究開発

重希土類
重希土類フリーNd-Fe-B磁石実現に向けた保磁力機構解明

Point● 保磁力を上げる組織的要因を探る● 磁場反転した部分を磁区観察と組織観察から総合的に分析● STXMとSANSを組み合わせ相補的に情報を見ることが重要−放射光・中性子施設の相補利用によるマルチスケール・マルチアスペクト解析−

研究の背景

研究の概要

によって磁気特性が決定されます。

いました。その解析例が図１で壁が侵入する様子を見ることがで

例えばモーターで使う磁石は、磁区す。結晶粒径のサイズや粒界相きます。こうしたことから磁区の観永久磁石研究の重要な指標は、保磁力を上げるには、物性値をのN-S方向の向きが全てそろったの量の違いによって4種類の試料

察には顕微鏡が最適なように思え

1つが耐熱性に関わる保磁力、もう制御する方法と、組織内の結晶粒

着磁状態で使われますが、使ってをつくり、磁化反転挙動を観察しま

ますが、万能ではありません。顕1つがHV/EVのトルクに関わる残留径や粒界相を操作する方法が考えいるうちにモーター内の磁場や温した。その結果、結晶粒径が大き微鏡で観察する試料は薄片化して磁束密度です。ところが、耐熱性担られます。そのためには、組織の度がかかり、磁区の部分的な反転

く、粒界相の量も少なく、保磁力がいるため、いくつかの磁石結晶粒保のために欠かせない重希土類のサイズに応じたマルチスケールのがおきます。反転部分が増えてく

最も低いものは多磁区になっていは切断されて磁石内部とは異なる

ジスプロシウム（Dy）は全体の残留解析が必要になります。

ると磁化が低下します。そこでわて、その磁区が連結している特徴

状態を示す可能性があります（図時間を下げてしまうという問題があ磁石というのはもともとcm単位

れわれは、反転部分にどのようなが見られました。粒径が小さく、

2）。またバルクの磁石の一部を切ります。われわれは、
Dyを低減し、の大きさなのですが、その中では組織的な要因があるのかを、磁区粒界相が多いものについては、かり出しているので、三次元的に連結かつ高保磁力を出すための組織的非常に小さな磁石（磁区）が集まっと組織の観察から調べています。

なり様相が異なり、組織と磁化反したときに同じ状態かどうかがわ

な要因を見つけようとしています。

て1つの磁石を形成しており、
磁区

磁 区 構 造 を 見る に は10nmス

転挙動と保磁力の関係が明らか

かりません。

になってきました。

ケールの分解能が必要で、放射光
結晶粒間
分断

矢野正雄
トヨタ自動車株式会社

Hc=23kOe；単磁区･磁区孤立

Hc=19kOe；多磁区･磁区は粒内で完結を干渉させるPSI（スイス）の走査

さらに、
ローレンツ顕微鏡を用

性子小角散乱（SANS）という分析

型透過軟X線顕微鏡（STXM）を使いると、界面が不明瞭な面から磁を行っています。中性子線は高い透過能をもち、かつマルチスケー

NdCu
浸透(粒界相多)(分断性良)

200 nm80 nm

先端材料技術部

10T

-0.5T

X線

浸透なし
(粒界相少)(分断性悪)-1.7T

μHc=19kOe；単磁区･多磁区･磁区連結200nm(熱間加工速い)

c軸

-1.0T

× μ

hv=1002.5eV(Nd M4 edge)

900nm(熱間加工遅い)

単磁区粒

多磁区粒

■160-300nm■160nm以下

80%

定量化することができるようになり

60%

ました
（図3）
。

40%

STXMとSANS。2つ の 手 法を組20%み合わせたマルチアスペクト解析が実現しましたが、さらなる高保磁Pr-Cu4%

Pr-Cu20%

粒径

連名者
（共著者）
：小野寛太･武市泰男･斉藤耕太郎（高エネルギー加速器研究機構）、上野哲朗（物質･材料研究機構）、
Paul Scherrer Institut; Jörg Raabe, Benjamin Watts, Joachim Kohlbrecher Helmholz-Zentrum Berlin; Uwe Keidering
荒木暢・原田雅史・野崎 洋・金子裕治（豊田中央研究所）、庄司哲也・長島真也・佐久間紀次・宮本典孝・加藤 晃・真鍋 明（トヨタ自動車）て、バルクの磁石の界面状態を定量化したり、単磁区／多磁区率を熱間加工

図2 顕微鏡による磁区観察は万能か？
薄片化によってバルク中とは異なる性質を示す。
また三次元的に磁気結合した状態での磁区観察が困難だという問題もある。

ルで分析できます。SANSによっ

100%

0%

Hc=11kOe；多磁区･磁区同士が粒をまたいで連結

図1 ネオジム磁石の磁化反転挙動
4種類の試料を、それぞれ着磁した状態（10T、-0.2Tなど）からゼロに戻した状態で測っている。

13

こうした問題を解決するため、
中

図3 単磁区/多磁区率の定量化
浸透により単磁区比率が多くなる傾向はSTXM結果と同じ。SANSにより定量化が可能になる。

力化指針獲得のためには、1個の結晶粒の電子状態や磁気状態を見ていくことも必要と考えています。

14

触媒･電池材料領域
触

解析評価

材料創製

プロジェクト名プ

文
文部科学省
元素戦略プロジェクト＜研究拠点形成型＞
京京都大学 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

自動車排ガス処理触媒の浄化メカニズムの解明−自動車用触媒の貴金属低減に向けて−

研究の背景

Point

● 微量のパラジウムを担持した新規自動車排ガス触媒を開発● 従来型触媒の半分の貴金属量でも高い触媒活性を確認● マンガン種の還元挙動と触媒活性の関連性を見いだす

研究の概要

性を示しました。Pdの量をさらに

d = 0.568 nm(002)

減らしていくと、驚くべ きことに

京都大学
触媒･電池元素戦略研究拠点

われわれは、マンガン（Mn）修0.1w t %でも非常に高い酸化活

一 酸 化 炭 素（CO）や 窒 素 酸 化 物

飾 六 方 晶YbFeO₃に、微 量 の パラ性･還元活性を示しました。これ（NO）、燃料残渣である炭化水素

ジ ウ ム（Pd）を 担 持 し た 触 媒らの結果から、飛躍的な貴金属量（HC）などの有害物質を分解･浄化（Pd/Mn-YbFeO₃）が、排ガス浄 化の低減化が期待できます。

するための触媒が搭載されていま反応に極めて有効であることを見

また、具 体 的 にどの 金 属 種 がす。COやHCは 酸 化 反 応、NOはい だしました。Mn-YbFeO₃は 普Pd/Mn-YbFeO₃の 還 元 活 性 に 寄

還元反応によって、水と二酸化炭通の方法では合成できないため、与しているのかを調べるために、素と窒素に無害化されます。酸

ソルボサーマル法という少し変

SPring-8のBL01B1を用いて、水素化反応と還元反応を同時に進行

わった方法で合成します
（図1）。

流通下での

させる必要があるため、
自動車排

ま た、Mn-YbFeO₃は、C₃H₈燃 焼

いました。その結果、高い活性をガス触媒は高度な触媒設計が求反応に対して、Pd触媒より極めて示したPd/Mn-YbFeO₃の 表 面 に、められます。

高い活性を示すことを見いだして100℃から150℃という極 めて低

現在用いられている自動車排

います（図２）。そこで、本触媒の温で還元される酸化マンガン種

ガス処理触媒には、
ロジウム
（Rh）

自動車排ガス浄化性能を評価しが多量にアモルファス的に存在しや 白 金（Pt）、パ ラジ ウム（Pd）とたところ、高 い 酸 化 活 性を示し、ていることがわかり、この特異ないった希少な貴金属が多量に含1wt％という微量のPdを担持させMn種が自動車排ガス浄化反応にまれています。貴金属の使用量

ると、NOの還元活性が飛躍的に大きく寄与していることが示され削減や触媒の低コスト化に向け高くなることがわかりました。

ました。

て、新規触媒の開発が強く望まれています。

XAFS測定を行

さらに、1wt％のPdを担持した

本発表のように、遷移金属元素

Pd/Mn-YbFeO₃と、従来型の2wt%がもつ性質を最大限発揮させるこの 貴 金 属を担 持したPd/Al₂O₃やとのできる触媒設計が、今後、貴Rh/Al₂O₃、Pt/Al₂O₃を比較したとこ

金属使用量の低減化につながる

ろ、Pd/Mn-YbFeO₃は 貴 金 属 量 がと思われます。

50 nm
図1 ソルボサーマル法で合成したMn-YbFeO₃は薄い板状結晶をもつ。

100
C3H8 conversion (%)

細川三郎

自動車には、排ガスに含まれる

連名者
（共著者）
：寺村謙太郎・田中康裕（京都大学）
15

図2

もっと知りたい人へ

Mn-YbFeO3
Pd/Al2O3

60
40

YbFeO320
0200

半分であるにもかかわらず従来型よりも高い酸化活性および還元活

80

300
400
Reaction temperature ( C
̊ )

500

Mn-YbFeO₃触媒とアルミナ担持Pd触媒によるプロパン燃焼反応

http://www.esicb.kyoto-u.ac.jp/
16

触媒･電池材料領域
触解析評価

プロジェクト名プ

N
NEDO革新型蓄電池先端科学基礎研究事業
JST先端計測分析技術･機器開発プログラム「蓄電池固体内反応局所領域の非破壊分析装置と手法の開発」
J
JST CREST「二酸化炭素排出抑制に資する革新的技術の創出」：低炭素社会のためのs-ブロック金属電池
J

蓄電池
蓄電池の充放電メカニズム解明に向けた階層構造の解析の現状

Point● 作動状態の蓄電池の中で起こっている反応･現象を、放射光や中性子を用いて解析● 材料の劣化原因や高速充放電を可能にする因子を解明● マグネシウムなどのありふれた元素を用いた新たな蓄電池の開発−元素戦略・大型研究施設への期待−

研究の背景

能な正極材料であるLiFePO₄の非ていると考えられます。

今後の展開

平衡な相変化の挙動を調べましJ-PARCの蓄電池開発専用の中こうした成果を踏まえて、さまざる蓄電池（二次電池）は、電気自動より、電極と電解質の界面での劣た。LiFePO₄からLiが抜けてFePO₄

性子回折装置「SPICA」
では、作動

まなタイプの蓄電池の開発を進め車をはじめとする大型蓄電池とし化因子を解明しました。コバルトに変わっていく過程を非常に高速状態にある実電池の中で何が起きています。その1つにマグネシウての用途が拡大していくと考えら

酸リチウム（LiCoO₂）を正極材料とな時間分解で測定すると、
この2つているかを原子レベルで知ること

ム電池があり、
使用するのは、Mg、の安定な相に加えて、中間の格子ができます。低速と高速で充放電

Fe、Si、O、C、S、Hというありふれた定数をもつLixFePO₄の相があるこした場合では、明らかにステージ

元素のみです。新しい電池を最短＋したとき、正極の最表面でCo³ が＋Co² に還元され、界面に非常に薄＋

ネルギー量に限界があり、1回充い還元層（Co² ）
が生成することがとがわかりました。このLixFePO₄構造の変化がレートによって異なで開発していくことが大事であると電して東京から大阪まで行けるよ

わかりました（図1）。電気的に不相が2相のゆがみを緩和することることが確認できました。

考えています。

うな電気自動車を実現するには、可逆であるこの還元層がどんどん新しい蓄電池の開発が必要にな

電極内に浸食していくことで、
劣化

ります。

が起こってくると考えられます。劣応や現象が異なるスケールの空をマグネシアやジルコニアなどの間および時間で起こっています。

層で覆うことで、劣化しない材料を従来のようにトライ＆エラーによ

つくることができると考えられます。

る試行錯誤のやり方ではなく、透また、
SPring-8の時間分解X線回

1.0

中間ステージステージ 20.8

高速放電時挙動

1.0
黒鉛

0.6
0.4
0.2

高次
ステージ

ステージ 1

0.6

中間ステージ
黒鉛

0.4
0.2

0.0

高次ステージステージ 20.8
存在比化を防ぐために、
例えば、正極表面

低速放電時挙動

存在比

蓄電池の中では、さまざまな反

人間･環境学研究科

で、LiFePO₄の高速充放電を実現し放射光やNMRを用いた解析に池は、重量あたりに貯められるエ

京都大学大学院

折測定を用いて、高速充放電が可リチウムイオン電池に代表されれます。現在のリチウムイオン電

内本喜晴

研究の概要

ステージ 1

0.0
0

5

10

0

0.5

放電時間／時間1

放電時間／時間

過力の高い放射光や中性子を用
いて、蓄電池が作動している「その場」の解析技術を活用することが、開発のスピードアップにつながります。
ステージ 1

ステージ 2

中間ステージ

高次ステージ

黒鉛

リチウム脱離図1 LiCoO₂を正極材料にした蓄電池では、
電極
これが劣と電解質の界面でCo²＋の還元層ができ、化を引き起こす。

連名者（共著者）：折笠有基・小久見善八・福田勝利・谷田 肇・陰山 洋（京都大学）、
神山 崇（高エネルギー加速器研究機構）、
太田俊明（立命館大学）、
櫻井吉晴（JASRI）、
櫻井 浩（群馬大学）
ほか
17

図2 中性子で観測した負極におけるステージ構造の変化。リチウムが脱離していく過程がわかる。

もっと知りたい人へ

http://www.uchimoto.jinkan.kyoto-u.ac.jp/
18

触媒･電池材料領域
触

電子論

プロジェクト名プ

JS
JSTさきがけ「エネルギー高効率利用と相界面」領域：第一原理統計力学による太陽電池･光触媒界面の動作環境下電荷移動・励起過程の解明
H
HPCI戦略プログラム分野2「新物質･エネルギー創成」第４部会･重点課題「エネルギー変換の界面科学」
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
文

電極界面における電解液反応シミュレーション−リチウムイオン2次電池の安全性・機能性向上に向けて−

研究の背景

館山佳尚
物質･材料研究機構
国際ナノアーキテクトニクス研究拠点

Point● 電極界面にできる被膜の新規反応メカニズムを提案● 高濃度リチウム塩電解液の優れたイオン輸送特性の起源を理論的に示す

研究の概要（VC）の犠牲的な還元分解と、それ化学安定性やイオン輸送性能をらの重合によってつくられると考示すのはなぜか、という問題に取今後の展開

自然エネルギーを有効利用すSEI膜は初期充電したときに形えられていました。しかし、シミュり組みました。その結果、リチウム電池内の原子･分子の挙動をさる新しいエネルギー社会を構築成されますが、溶媒、添加剤、
アニ

レーションの結果、還元分解したイオンと陰イオン分子、溶媒分子

らに詳しく解明するため、シミュするには、大型の蓄電池（二次電オンなどによって性質が変わって溶媒（EC）分子がVC分子によってが連続的につながりながら液体状

レーションを推し進めていくつも池）が不可欠になります。その開きます。どんな材料が最適なの

不活性化される過程が主であるこ態をつくっているという特殊な構りです。ですが、電池反応にはい発が内外で盛んにおこなわれてか、どういうメカニズムなのかをとが明らかになりました。

造が明らかになりました（図3）。

ろいろな可能性があって、シミュ

いますが、実 用 化 するには 高 性

知りたいのですが、界面の計測は

さらに、電解液の分解物をベー

これらの新コンセプトは、蓄電レーションだけでは効率が上がり

能 化と、安 全 性 の 確 保 が 求 めら

実験では困難でした。予言性のスにした有機系界面被膜の形成

池の微視的機構の理解に大きなにくいのです。今後は、マテリア

れます。

高い量子力学に基づいた第一原

過程をシミュレーションしました。

インパクトを与えるものとなって

ル･インフォマティクスの人たちと電池性能を高めるため、
リチウ

理計算シミュレーションが必要にその結果、界面から離れたところでいます。

連携して、研究を発展させていき

ムイオン電池の電解液には有機なります。しかし、第一原理計算

凝集が始まり、やがて界面に接着

溶 媒 が 使わ れています。ところは計算コストが非常に大きく、多するという「沖合凝集機構」
を新たが、好ましくない酸化還元反応が数の原子･分子が関わる複雑な構に提案するに至りました（図2）。

起こりやすく、電解液が分解して造･現象を取り扱うには限界があ

熱暴走につながる危険がありまりました。
われわれは、「京」
コンピュータ

負 極ｰ電 解 液 の 界 面 に 被 膜（SEIなどの大規模スパコンを高効率で膜）を形成させています。最適な利用する第一原理計算プログラム

SEI膜を設計するには、原子･分子「statCPMD」
を改良･開発し、電池のレベルのメカニズムを解明する

動作温度における原子･分子の複必要があります。

雑なダイナミクスを精度よくシミュ度リチウム塩電解液が優れた電気

CO₂↑

電解液

-

EC

この手法を用いて、まず電解液
分子の還元分解に関する新規の反応メカニズムを提案しました（図1）。これまで、SEI膜は添加剤

連名者
（共著者）
：袖山慶太郎（京都大学）、
奥野幸洋・後瀉敬介
（富士フイルム）、
山田淳夫・山田裕貴（東京大学）➡

す。それを阻止するため、あえてたいと考えています。

また近年注目されてきた、高濃

VC

eSEI

レーションできるようにしました。

19● リチウムイオン電池の電極界面における反応を、「京」
で高効率シミュレーション

負極

図1 シミュレーションにより得られた電解液の還元分解機構
還元分解したEC溶媒分子が、VC添加剤により不活性化される。

もっと知りたい人へ

図2 有機SEI膜の形成モデル
還元分解した分子は負極界面から少し沖合に流れて凝集し、
やがて界面に接岸するこという解析結果が得られた。

図3 高濃度リチウム塩電解液モデル
リチウムイオンとアニオン、
溶媒分子が連続的につながった特殊な構造をつくっている。

http://www.nims.go.jp/group/nscs/
https://www.youtube.com/watch?v=Tx1RHU7Zw2c20触媒･電池材料領域
触

電子論

プロジェクト名プ

H
HPCI戦略プログラム分野2「新物質･エネルギー創成」
第第3部会･特別支援課題「ナノ･生体系の反応制御と化学反応ダイナミクス」

材料機能設計における電子論計算の限界とこれから

Point● 大規模系に対する実用的な化学反応シミュレーション手法DC-DFTB法を開発● DC-DFTB法を超並列環境にも対応させる● CCS技術において、CO₂の吸収と放散過程の反応メカニズムが異なることを解明

研究の概要

研究室のワークステーションを

応メカニズ ムを仮 定していまし古典MD法とQM-MD法では、取使ってDFTBで計算すると、8000原

たが、DFTB-MDシミュレーション

われわれは大規模系に対するり扱えるサイズ（原子数）に大きな子で1万秒ほどです。それに対しによって、吸収過程と放散過程はDFTBにはパラメータが必要で、実用的な化学反応シミュレーショ

隔たりがあります。われわれは密てDC法を適用すると、2万原子が異なる経路を通って反応が進行

それがすべてそろっているわけでン手法の開発を行ってきました。

度汎関数強束縛理論（DFTB）
とい

1分強で計算できます。精度も問することが わ かりました（図2）。

はありません。それに対して最近、

化学反応シミュレーションでは、う方法に着目しました。DFTBは、

題ありません。

この経路の違いが、放散のときの自動的にパラメータを決定するこ結合の生成･開裂に電子の移動を密度汎関数理論（DFT）
をベースに

超並列環境に対応したプログラ

熱を決 めています。これらがわとができるものが提案されており、伴うので量子力学（QM）が必要にしてそこからさらに近似した理論

ム も 開 発しまし た。そ の 結 果、

かったことで、さまざまなアミン

パラメータの充実も進んでいくでなります。分子動力学（MD）によですので、宿命的にDFTより大き「京」コンピュータで12万8000の種に対して、放散時にあまり熱をしょう。リファインされたパラメー

りダイナミクスを扱う必要もありな計算ができるはずです。ただ、CPUコア数を使うと、50万分子の必要としない分子設計ができる

タを使えば、
DFTと遜色ないバンド

ま す。す な わ ち QM-MDシ ミュ

DFTBは ま だ オ ーダ ー の3乗 で計算が40秒ほどでできるようになようになります。

構造も表現できると考えています。

レーションが必要です。さらに数す。そこでわれわれは、量子科学

りました（図1）。プログラムは現

万原子系を取り扱える方法論が計算で線形スケーリングを満たし

在も改良しています。

必要で、そこでは線形スケーリンていた分割統治（DC）法をDFTBとグまで落としたいというニーズが組み合わせました。

あります。

留）
という技術を研究しています。
エネルギー計算時間

理工学術院
計算時間 [sec]300.0

ベンチマーク最大:H2O g 500,000

200.0

これは、排気ガス中のCO₂を吸収

CPUコア数
8,000
16,00032,00064,000128,000

し、濃縮して地中や海中に放散し、地球環境のCO₂削減を図るもので

0.0
0.0

図1 DC-DFTB並列計算パフォーマンス
150万原子系のDFTB電子状態計算は42.4秒（1万6000ノード並列）。

R1 R2 NH, CO2 , H2 O

R1 R2 NCOO−, R1 R2 NH2 +, HCO3 −放散過程：Ion-pair mechanism

す。CO₂の吸収過程では、吸収液のアミン溶液などといかに速く化

100.0

学反応させるか、一方の放散過程

24.66 nm
•密度：1.0 g/cm³•部分系：水1分子•バッファ領域：6 Å•計算機：「京」1.0
原子数 [millions]0.5

O(N1.4)では加熱に必要な熱をいかに抑1.5

えるかが課題になっています。

図2 DFTB-MDによるアミン吸収液の吸収過程と放散過程のシミュレーション
吸収過程と放散過程では異なる経路を通って反応が進行することが判明した。

この吸収と放散は、化学反応式
で は 反 応 の 向 きが 逆 な だ けです。従来は、吸収も放散も同じ反もっと知りたい人へ
21

吸収過程：Grohuss-type mechanism

DC-DFTB法を使って、われわれはCCS（二酸化炭素分離回収･貯

中井浩巳
早稲田大学

今後の展開

http://www.chem.waseda.ac.jp/nakai/
22電子材料領域

解析評価

プロジェクト名プ

文
文部科学省
元素戦略プロジェクト＜研究拠点形成型＞電子材料領域
東東工大元素戦略拠点

放射光が
放射光が明らかにしたIGZO半導体の構造とデバイス性能の劣化原因

Point● 次世代の薄膜トランジスタ材料として期待されるIGZO半導体の構造を放射光で解析● IGZO半導体の劣化原因を解明● 劣化しないIGZOの薄膜トランジスタをつくるための提案−不純物水素や過剰酸素がつくっていたバンドキャップ内欠陥−
解析評価グループ
電子論グループ材料創製グループ

研究の概要

た。シリコンなどの通常の半導体の他の測定を組み合わせることで明らかになってきました。

ア モ ル ファス 酸 化 物 半 導 体

AOSは非晶質であるため実験上

で は、「バ ン ド ギ ャ ッ プ 中 に
10¹⁷cm-³以上の欠陥があるとデバ（AOS）は、透明･フレキシブル･高の難しさがあります。そこで、
古典

イスが動かない」とされているた

電子移動度の薄膜トランジスタを

分子動力学と第一原理計算によりめ、これは従来の半導体の常識を室温で作製できることから、次世

a-IGZOの構造モデルを組み立て覆す結果です。AOSでは、バンド

代の薄膜トランジスタ用材料とし（図1）、そ の 妥 当 性 をSPring-8のギャップが3eV程度と非常に大きすると欠陥が残って、その後のデて注目されています。AOSの材料

ビームラインBL01B1の薄膜蛍光

い た め に、価 電 子 帯 側 の バ ンド

バイスの安定性などに重要な問として代表的なのが、「a-IGZO」とEXAFS測定によって確認しました。

ギャップに非常に深い欠陥があっいう、In（インジウム）、Ga（ガリウ

その結果、a-IGZOを構成する原ても、デバイスの動作に影響しな

ム）、Zn（亜鉛）、酸素（O）から構成

子の最近接の配位距離は、結晶中

いのではないかと考えられます。

される半導体です。われわれは、とほとんど同じで、配位数は結晶

また、a-IGZOの欠陥の起源は、2004年にa-IGZOを材料にした高より少ないということが明らかに

空孔、弱結合酸素、不純物酸素が性能の薄型トランジスタを動かすなりました（図2）。ただし、第二近寄与していることも、HAXPESとそことに 成 功し、2012年 から、タブ

接の配位数は、EXAFS測定では過レット、スマートフォン、
パソコンモ

小評価されてしまうという課題もニター、大型有機ELテレビなどに出てきました。

a-IGZO半導体の原子配列や電子

よびBL15XUの硬X線光電子分光

構造、欠陥構造などを明らかにし（HAXPES）によって測 定したとこ
ろ、10²⁰cm-³以上という多くの欠陥

連名者
（共著者）
：井手啓介・細野秀雄（東工大）、
上田茂典・大橋直樹（物質･材料研究機構）

処理をすればいいのですが、そう題が生じてしまいます。最初に熱処理をしなくてもきちんと動く薄定TFTをつくるのに必要です。この条件を見つけるために、今後も総合的に検討していく予定です。

12

12

Ga K 吸収端
10

Ga-Ga

8

Ga-O

sc-IGZO

68
6

a-IGZO

4

a-IGZO

sc-IGZO

Zn-O

4

10

Zn-Zn

Intensity (arb.units)

あ る か を、SPring-8のBL47XUおば、
悪いa-IGZO膜をつくっても熱a-IGZO

2を解明し、解決法を見いだすには、が価電子帯の直上に検出されまし23

12

一 方、a-IGZOにどん な 欠 陥 がなければなりません。

図1 酸化インシジウム系の構造モデル
酸化インシジウム系は八面体が辺を共有してIn間距離が近いため電子移動度が比較的高くなるのが特徴であり、非晶質でもこの構造が残っ
ている。

10

化」の問題があります。この原因

アモルファスでも、
稜共有InO6八面体構造が残っている(ZnO5)(GaO5)層

Intensity (arb.units)

0

1

2

3

4
R(Å)

5

6

7

8

0

0

明しました。

(InO6)層Ga Zn

2て、その動作特性が変化する
「劣

In O

0

大きな差がないことを理論的に証

O
In
Zn
Ga

薄膜トランジスタをつくろうと思え

Zn K 吸収端

sc-IGZO

In-O

8

タには、印加電圧や光照射によっInO

アモルファスInGaZnO4 (LDA)

結晶InGaZnO4型トランジスタをつくることが高安

6も非晶質でも、電子の有効質量に4

しかし、a-IGZOの薄膜トランジス

In2O3

In-In

また、
酸化物半導体では、結晶で2応用セラミックス研究所

実用化されています。

見かけ上きれいに動くa-IGZOのIn K 吸収端0

東京工業大学

今後の展開

0

神谷利夫

Intensity (arb.units)

研究の背景

1

2

3

4
R(Å)

5

6

7

8

0

1

2

3

4
R(Å)

5

6

7

8

図2 EXAFS測定で得られた動径分布
非晶質のIGZO（a-IGZO：茶色いグラフ）と単結晶のIGZO（sc-IGZO：青いグラフ）を比べると、最近接の原子間距離は同じで、配位数は非晶質のほうが少ないことがわかったが、第二近接の配位数は異常に少なく測定された。

もっと知りたい人へ

http://www.ties.titech.ac.jp/
24電子材料領域

解析評価

プロジェクト名プ

文
文部科学省
元素戦略プロジェクト＜研究拠点形成型＞電子材料領域
東東工大元素戦略拠点

放射光電子分光による金属・酸化物界面の解析−ReRAM（抵抗変化型メモリ）の動作機構の解明に向けて−

Point● 抵抗変化型メモリ「ReRAM」
をモデルケースに金属･酸化物の界面を解析● 硬X線光電子分光（HAXPES）を用いて奥深くの構造を探る● 優れた抵抗変化を示す界面の特徴が明らかに
解析評価グループ
電子論グループ材料創製グループ

研究の背景

研究の概要

徴づける電子状態をとらえること

こで、PtとPtOxを積層した電極をイッチング特性が優れている試に成功しました。

つくると、確かにPtとNSTOの間に料では、そうでない試料とは異な

最近の急速なモバイル化やウ

われわれは、セラミックス粒界へ解析に用いたのはX線光電子

PtOx層を挟んだときに良好なス

る接合状態が実現されていること

エアラブル化、
IoT化によって、
電子のアプローチの前段として、
金属と分 光（XPS）で す。典 型 的 なXPS

イッチング特性が出ることがわかがわかってきました。こうした成部品の小型化が必須となっていま

酸化物の界面の評価･解析を行う

は、エネルギーが1.2〜1.4keVのXりました。

果をもとに、HAXPESをさらに有す。電子部品として広範に使われことにしました。モデルケースに線を用いており、極表面の分析を

次に、HAXPESで電極のさらに効活用し、セラミックスの粒界･界ているセラミックスは、結晶の粒をは抵抗変化型メモリ「ReRAM」
を用

得意とします。一方、われわれは奥 にあるNSTOを 調 べ たところ、面研究にも発展させていきたい

焼いて固めたものであり、さらにいました。ReRAMは、酸化物を金

SPring-8のビームラインBL15XUに

PtOx層を持った電極を付したスと思います。

粒子の内部は複雑な構造をもって属電極ではさんだ構造をしており、

おいて、6 〜 8keVという硬X線をいるため、粒界や界面だらけです。

電圧をかけた方向によって、界面用 い た 光 電 子 分 光（HAXPES）を

こうした粒界･界面を精緻に制御での抵抗が高い状態か低い状態

測定しており、通常のXPSでは見することが、小型化電子部品の高かのどちらかをとります。電源をえにくい、奥にある状態を分析し精度化や高機能化のために重要切ってもその状態が維持されるたました。

になります。

め、
次世代の不揮発性メモリとして

電 極 に は 白 金（Pt）、酸 化 物 に期待されています。本研究では、はニオブ添加のチタン酸ストロン

顕著な抵抗変化を示す界面を特チウム（NSTO）を用 い、
これらの

バルク
敏感

分光器

界面における抵抗スイッチング

物質･材料研究機構
環境･エネルギー材料部門／

現象を検討しました。通常のXPS

東京工業大学で電極を見るとどこも金属の白金

元素戦略研究センターのように見えます。しかし、同じ電極をHAXPESで見ると、電極がHXPES

θ ≈ 89º

Intensity (a.u.)

大橋直樹

Pt2+ Pt0 Pt2+ Pt0

X線

表面
敏感

eθ
試料

通常の
XPS

θ ≈ 30º

82

80

Pt
PtOx
Nb:SrTiO3

78
76
74
72
Binding energy (eV)

70

極表面

Pt
PtOx

Ptと酸化白金（PtOx）の混相に見えることがあり、さらに、試料と分

図2 HAXPESで部分酸化した電極を測定した結果
優れた特性を示す電極では、酸化された状態の白金が存在する。

光器との角度を変えた測定から、
Ptで覆われた表面の奥にPtOxの
図1 電子セラミックスの外観（左）と内部の拡大写真（右）素子の高性能化･高機能化のためには粒界や界面を制御することが重要になる。

連名者
（共著者）
：廣瀬左京
（村田製作所）、上田茂典・大澤健夫・坂口勲（物質･材料研究機構）、
安藤陽（村田製作所）、
大串秀世（物質･材料研究機構）
25

層があることが判明しました。そもっと知りたい人へ

http://dx.doi.org/10.1149/2.0051407jss
http://dx.doi.org/10.1063/1.4772628
http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevB.83.125317
26電子材料領域

解析評価

プロジェクト名プ

文
文部科学省
元素戦略プロジェクト＜研究拠点形成型＞電子材料領域
K
KEK物質構造科学研究所副拠点

セメ ト
セメン
（C12A7）への水素照射で現れる
電気伝導の起源

Point● エレクトライドC12A7中の水素の電子状態をミュオンを用いてシミュレート● これまで知られていなかった電子供与過程が明らかに● C12A7の機能発現の背景にある水素の振る舞いを実験的に示す−水酸基形成による電子供与過程の存在が明らかに−研究の背景という状態が存在することがわかが、例外として直接水素イオン照射

今後の展開りました（図2）
。ただし、
この状態

した場合には光誘起伝導が発現す

水酸基の形成とそれによる電子

12個のカゴからなる基本構造をも現を理解するには、供給された水はあまり安定しておらず、温度がることが知られており、その原因は供与（電気活性化）は、最近ルチル

ち、
このうち2つのカゴの中に酸素素がどのような状態で存在してい30K以 上 に な る とCage{OH−}＋

謎のままでした。今回の研究か(TiO₂)等でも明らかになっており、−

C12A7は、
O² をさまざまな負イオ−

るかを知る必要があります。われCage{e }の み が 観 測 さ れ ま す。

ら、低濃度の水素化においては水

酸化物固体の水素化における普遍

われは、C12A7に水素同位体であ

これは、低温でカゴに束縛されて酸基形成により供与されたCage

的な現象として研究の進展が期待−ンに置き換えられるため、電気伝るミュオンを照射注入し、ミュオン

いた電子が、熱励起されて放出さ{e }が 余 分 な 水 素と結 び つ いて導度の異なる物質に変化させるこ

スピン回転法という測定方法を用れた証拠となります。

Cage{H−}を形成し得ることが明らとができます。

いて、カゴ中の水素の電子状態を−

O² のかわりに水素イオン（H−）

物質構造科学研究所

起こらないと考えられていました

エレクトライドC12A7の機能発イオン（O² ）が 含まれています。

高エネルギー加速器研究機構が束縛されているCage{OH−＋e−}

セメントの原料であるC12A7は、

−

門野良典

研究の概要

これまで、C12A7の水素化では−Cage{O² }がなくなるまで光誘起

調べました
（図1）
。
−

を入れ、
これに紫外線を照射するカゴの中で水素は、Cage{OH }と、永続的光誘起伝導が実現しま

あるいはCage{H−}の状態で存在す。これは、H−が光励起によってすることは知られていました。今解離し、電子（e−）のみがカゴの中回、新たにこの状態にさらに電子−伝導に必要なCage{H }の形成は[Ca24Al28O64]4+.4H–

されます。

かになり、
これが水素照射による光誘起伝導の起源であることが分かりました。

[Ca24Al28O64]4+.4OH–[Ca24Al28O64]4+ [OH-+e-]に残った状態（Cage{e−}）になり、このホッピング伝導によって導電性

Cage{O2-}が生じると考えられています。さらにC12A7を強還元するとCage{e−}の濃度が上がり、
バンド伝導になって金属化します。これを1Kくらいに冷やすと超電導になります。
このように陰イオンが占めるべき
位置を電子が占める物質をエレクト

かも大気中で安定であることから、
多方面での応用が期待されています。

Hayashi et al., Nature Comm. (2014)
図1 C12A7の構造。カゴ中のO²−をさまざまな負イオンに置き換えることができる。

連名者
（共著者）
：平石雅俊・小嶋健児・宮崎正範・山内一宏・幸田章宏（高エネルギー加速器研究機構）、
松石 聡・細野秀雄（東京工業大学）
27

2.0 ×10–6 e pm–30

ライドと呼び、電子を放出しやすく、し

図2

Cage{OH−＋e−}の状態があることがわかった。
Cage{OH−}とCage{H−}の状態の他に、もっと知りたい人へ

http://msl-www.kek.jp/musr-g/
28

構造材料領域
構

電子論

プロジェクト名プ

元
元素戦略プロジェ
クトC
Computational Materials Science Initiative（CMSI）「金属系構造材料の高性能化のためのマルチスケール組織設計･評価手法の開発」
JST「革新的構造用金属材料創製を目指したヘテロ構造制御に基づく新指導原理の構築」
課題名：ハミルトニアンからの材料強度設計
JS

鉄鋼材料
鉄鋼材料の強度設計への転位−固溶元素間相互作用の大規模第一原理計算の適用

Point● スーパーコンピュータ「京」
を用い、鉄中のらせん転位と固溶元素の相互作用を直接計算● 固溶元素がらせん転位のすべり挙動に与える影響を解明● 電子論に基づく非経験的な鉄鋼材料の強度設計の可能性を強く示唆−電子論による構造材料の力学特性設計に向けて−研究の背景

基礎工学研究科

今後の展開のに対して、固溶強化に寄与しな

さらに、第一原理計算からは、鉄鋼材料にはさらなる高強度化･

体心立方格子構造の鉄の場合

いと報告されている元素では相

らせん転位と固溶原子の相互作

電子論に基づく構造材料の力高延性化が求められています。鉄には、固溶強化で重要となるのが互作用が非常に小さいことがわ

用に関する今までにない多くの学特性設計は、これからの発展が鋼材料の塑性変形の主たる担い手

らせん転位と固溶原子の相互作

かりました。相互作用が小さい

情 報 が 得 ら れ ま す。こ れ ら を期待されています。今回の研究では、線状の格子欠陥である転位で用であり、これを電子論に基づきということは、
らせん転位の運動

データベース化し詳細に調べる

は固溶原子のみを対象としました

す。鉄鋼材料では固溶原子や析出求めることで各元素の固溶強化へを妨げないために固溶強化に寄ことで、らせん転位と固溶原子のが、他の転位や、析出物、粒界など物などのさまざまな材料欠陥を入の寄与を明らかにできると考えま与しないと予想され、われわれの相互作用の根本的なメカニズムのより大きな空間スケールの材料

れて転位を動きにくくすることで、高す。しかしながら、らせん転位構計算結果は実験による報告と対が明らかになる可能性がありま

欠陥と転位との相互作用も強度に強度化が図られてきました（図1）。

造を原子モデルで再現するだけ応していました。この成果は、非す。この知見は鉄合金だけでは大きな影響を及ぼします。さらに固溶原子による高強度化（固溶でも少なくとも100原子以上が必

経験的な力学特性設計においてなく、他の合金にも適用できる可構造材料として用いるためには強強化）
では、固溶原子の種類により要となり（図2）、電子論に基づく第電子論が基盤となる情報を与え能 性 があり、金 属 材 料 の 固 溶 強度とともに延性も求められます。

ますが数原子％程度の添加で数一原理計算では大きな計算コストてくれること、電子論から求めら化を目指した材料設計を行うう

今後は、これらのより複雑な力学

十％の強度向上という大きな効果となっていました。本 研 究で はれた情報を元にマクロな力学特えで役に立つ指針が得られると特性設計の課題に関しても電子論が得られます。一方、固溶原子のスーパーコンピュータ「京」
を用い性を予想できることを強く示唆し期待しています。

に基づく計算科学的手法の活用

効果は非線形で予測が難しく、高ることで、らせん転位と固溶原子

強度化を目指した材料設計のたの相互作用を直接的に評価する

めには固溶原子の種類と濃度を大規模第一原理計算が容易にで様々に変えた多くの実験が必要ときるようになり、
その結果、鉄中のなっていました。電子論を用いてらせん転位とさまざまな置換型の固溶原子が強度に与える影響を予

固溶原子の相互作用を初めて電測することができれば、電子論に基子論から直接的に評価することがづく非経験的な構造材料の力学特がさらに広がると考えます。
析出物

例えば、実験で固溶強化の違います。これは従来の経験的な力学が報告されている数種類の元素

特性設計からのパラダイムシフト

で計算を行ってみたところ、固溶をもたらすことを意味しています。

強化に寄与することが報告されて

らせん転位

高強度化

転位

固溶原子
結晶粒界
ひずみ

できました。

性設計への道が開けると考えられ

連名者
（共著者）
：尾方成信
（大阪大学）
29

ています。

➡

大阪大学大学院

いる元素では相互作用が大きい

応力

譯田真人

研究の概要

図1

鉄の高強度化と、強度に影響を与えるさまざまな材料欠陥。

もっと知りたい人へ

図2 らせん転位を2つ含む原子モデル

http://esism.kyoto-u.ac.jp/
http://www.cms-initiative.jp/ja/research-activities/subject-general/topic4/focus330

構造材料領域
構

解析評価

プロジェクト名プ

ISMA(Innovative Structural Materials Association: 革新的新構造材料等研究開発）
IS

鉄鋼材料
鉄鋼材料内部の塑性変形挙動の
中性子回折による非破壊観測

Point● 革新的高機能鉄鋼材料の開発にはミクロ組織の制御が重要● 物体内部の応力や巨視的平均値を測定するには中性子線が有効● 最終目標は組織の形成過程を明らかにするとともに、引張や圧縮、低サイクル疲労など−強力な中性子線の材料透過能の活用−

研究の概要

鉄鋼材料には高強度とともに延友田

陽

物質･材料研究機構
元素戦略材料センター

組織と特性の関係を知ることいるので、変形によって集合組織がファイルと径方向のプロファイル

場回折によって解析されています。

かにするとともに、引張や圧縮、低形成されることを、その場で追いかは非対称になっていて、強い結晶

最終的な目標は、
これまで測定サイクル疲労など組織と特性の関けることができたわけです。

領域と弱い結晶領域があること、応できなかった、材料を作り込むとこ

係を知ることです。J-PARCだけで力とひずみが分配していることがろをダイレクトに測定してモデルとなく、小型中性子源も利用しながらわかってきました。

対応させ、組織の形成過程を明ら研究が進められています。

びも必要です。強度と靱性･延性

また、最近開発された方法を使を向上させ信頼性を高めた革新

うと、
格子ひずみ、
転位密度だけで的高機能鉄鋼材料を開発していく

なく、転位の配列や性格も推定で２相材料のセメンタイトが入っには、ミクロ組織の精緻な制御がきるようになりました。さらに、
こたフェライト･セメンタイト（パーラ

重要になります。そのために高分

れらのデータを基にして、
何万とい

イト）
鋼では、フェライトとセメンタ

解能電子顕微鏡などを駆使した

う結晶粒を対象にした引張試験片

イトの間で応力分配が起こり、さら

nmレベルからmmに至るマルチのグローバルな平均値を求めるこにフェライトの中でも応力分配がスケールでの組織観察法が発展とができるようになりました。

起こります。結晶粒のラメラ間隔

し、材料の開発に大きく貢献していこれらの結果を踏まえて、われを小さくすると強度は上がっています。しかし、巨視的挙動とミクロ

われはオーステナイト鋼を使ってきます。フェライトの引張応力を組織の関係を定量的に明らかに

加 熱、圧 縮して保 持 する実 験 を

3GPaを超える非常に強い状態にすすることは、
電子顕微鏡の観察のみ

J-PARCで行いました。その結果、ると、原子間結合ポテンシャルを反では困難です。また電子線やX線

加工すると転位密度は増えます

映したような非線形な弾性変形をでは、材料の表面や薄膜の観察しが、保持中に下がっていき、集合組

示すようになることが、中性子そのかできません。内部における応力

織が変化することがわかりました。

とミクロ組織の三次元分布を測定

現場の製造ラインを模擬する実験

するには、透過能の高い中性子線をとしてはひずみ速度が遅いので、利用する手法が適しています（図1）。

今後は速度を上げていきたいと考

図2は、引張変形に伴う応力のえています。

変化を中性子回折で見たデータ

また、転位密度が減少しながらです。引張方向のプロファイルの硬化するという不思議な振る舞い

強度変化と、垂直方向のプロファをみせるマルテンサイト鋼についイルの強度変化が異なっています。

ても、中性子回析で調べてみまし

もともと同じ状態からスタートしてた。そ の 結 果、引 張 方 向 のプ ロ

径方向

入射ビーム

検
出
器

検
出
器

図1 中性子回折
放射光や電子線は表面や薄膜の観察は可能だが、試料全体の情報を得るには中性子回折が有効である。

図2 引張変形に伴う応力分配
引張方向（上）とその垂直方向（下）とで、回折強度が異なる。

連名者
（共著者）
：関戸信彰
（物質･材料研究機構)、
ステファヌス･ハルヨ（日本原子力研究開発機構)
31

32

構
構造材料領域

電子論

プロジェクト名

HPCI戦略プログラム分野2「新物質･エネルギー創成」
第5部会･重点課題「金属系構造材料の高性能化のためのマルチスケール組織設計･評価手法の開発」

Point

OpenMXの開発と材料界面への応用−材料の界面問題への第一原理計算の適用に向けて−● bcc-鉄と炭化物の界面構造の計算や、シリセンのドメイン構造の計算などを行うするため、整合析出と部分整合析

した。小さなユニットセルに対し計を考えた場合、現実の複合構造

出を考え、サイズによってエネルてフォノンの分散を計算すると、計算物質科学におけるソフトウの複雑さから、超並列計算機でもギー的にどういう安定性をとってゼロ振動数モードが出現します。

エアは実験･理論を含め情報集約

第一原理電子状態計算の適用はいるのかを調べました。

これが構造のゆらぎを発生させるのハブとしての役割を担うように容易ではありません。

ないかと考えています。

今後の展開

実験によって、析出物の粒径とと考え、数学的な条件を課すと、ス

次世代のポスト「京」
では超並列

通常の第一原理計算はオーダー

抵 抗 力 の 関 係 を 調 べてみると、トライプ幅は4以上であろうと見積をどこまで使うかという問題があり

発 は 物 質･材 料 研 究 のイニシアNの3乗に比例します。われわれは2.2nm以上の粒子直径では抵抗力もられます。それを確かめるためますが、われわれは超並列をやっティブを握る上でも重要です。そ計算コストが原子数に比例したが変わらないという結果が得られ大規模計算を行った結果、4と5のてみようと考えています。規模は

こで私たちは、汎用ソフトウエア

オーダー N法を開発し、第一原理ました。その理由を調べるためストライプ幅のときに非常に安定

まずは1万原子くらいにして注意深の多くが欧米産である状況を鑑

電子状態計算手法の適用範囲をに、部分整合の界面をつくって第化し、5のときは実際の幅と完全にく多重並列化を施すことで、
ストロ

み、
日本発の第一原理電子状態計

大 幅 に 拡 張してきました（図1）。

一原理計算を行いました。粒径サ一致していることがわかりました

ングスケーリングを実現したいと算ソフトウエアOpenMXの整備とそして「京」
コンピュータなど大型

イズに対するエネルギーの変化を（図3）。このことから、ストライプ

思っています。

普及に努めてきました。

計 算 機を活 用し、従 来 はできな

見ると、炭 化チタン（TiC）の 場 合

構造は、フォノンのインスタビリ

それにより中〜大規模系の分子かった大規模計算が可能になりは2.3〜2.4nm程 度で 部 分 整 合ティが最初の駆動力になっている

動力学計算や構造最適化が容易ました。

が 選 択 さ れ ま す（ 図 2 ）。こ れ

ことがほぼ明らかになったのではになると考えています。

開が進んでいます。しかし今後の

例えば、
フェライト
（bcc構造）のは 実 験で得られた鉄と炭化物の界面構2.2nmと非常によく造の計算を行いまし一致しています。

東京大学 物性研究所

T. Ozaki, PRB 74, 245101 (2006)

図1 オーダー N法
ある特定の領域に着目し、赤い原子の電子状態だけをローカルな情報か
らうまく引き出す。各原子に対して同様のことを繰り返し、全体をつなぎ合わせることで全体を復元する。

連名者
（共著者）
：Truong Vinh Truong Duy (日産アーク)、澤田英明(新日鐵住金)、
高村由起子(北陸先端科学技術大学院大学)、Chi-Cheng Lee (東大物性研)た。純 鉄 は 構 造 材

また、シリコンの料としての強度が十薄 膜 材 料として注分ではありません。

目 さ れ てき たZrB₂

強度を制御する一つ上のシリセンは、
自の 方 法 は 炭 化 物を

発 的 にストライプ

析出させることです。

状 のドメイン構 造

その際の界面構造とを 形 成 することが析出物の直径との関

わ か っ て い ま す。

係を理 論 的 に予 測その原因を調べま

もっと知りたい人へ

2.0

Energy per terminating Zr atom(eV)

原理電子状態計算は幅広く応用展

Interface and strain energy(J/m²)

なっており、
基盤ソフトウエアの開密度汎関数理論に基づく第一33● 計算コストが原子数に比例したオーダー N法を開発

産業応用を志向した物質･材料設

研究の概要

尾崎泰助

● 第一原理電子状態計算ソフトウエアOpenMXを開発

TiC/Fe
1.8

1.6

1.4
coherent
semi-coherent

1.2
1.5

2.0

2.5

diameter of precipitate(nm)
図2 炭化チタンを析出させた鉄の界面構造
の計算結果

3.0

-0.96
-0.962-0.964-0.966-0.968
-0.97
2

3

4

5

6

∞

Width(number of on-top Si atoms between boundaries)
図3 ストライプ構造の大規模第一原理計算
ストライプ幅5で最小値を取る。これは実験結果と一致していた。

http://t-ozaki.issp.u-tokyo.ac.jp/index̲ jp.html
34

情報統合型材料研究領域
情情報統合

プロジェクト名プ

情報統合型物質･材料開発イニシアティブ
情情報統合
情報統合型物質・材料研究拠点（MI²I）の取組み・
目標・将来ビジョン紹介

研究の概要

Point

● MI²Iが2015年7月1日からスタート● 解くのが難しい逆問題に機械学習でアプローチ● 信頼性が高ければ望ましくないデータも蓄積していくカルチャーへの転換が必要

科学が何を可能にするのかを探索ます。この相関関係をデータからで記述子空間をつくる必要があり学習できますが、
物質･材料空間とするグループがあり、
データプラッ

学ぶのが機械学習の回帰問題で

ます
（図2）
。

記述子空間の間の関係を見つける

物質･材料研究機構をハブ拠点

トフォームを構築するアクティビ

す。その例として、希土類と鉄から

記述子空間には既知の物理量のが容易ではありません。その両とするJSTプロジェクト「情報統合

ティもあります（図1）。デ ータプなる磁性体のTCの予測と機械学や実験、計算で容易に得られる量者の関係は、物質･材料研究に固型物質･材料開発イニシアティブ：

ラットフォームは、
データベースを習による解析の結果を見ると、機を使えます。全体の探索空間から有のものです。われわれとしては

略 称MI²I」は2015年7月1日から始中核にしてシミュレーションソフト

械学習で予測されたTCが非常に小さな訓練セットをつくって普通そこに注力しなければいけません。

まりまし た。物 質･材 料 研 究 に

ウエア、機械学習や統計解析など

よい相関を示すことがわかります。

のアプローチでデータを得ておデータの信頼性が高ければ、望

データ科学を取り入れ、データをのツールを格納したシステムで、新

直接スクリーニングでは全探索

き、そのデータと記述子との間のましくないデータも蓄積することがうまく使って新しい物質･材料研究

しい研究の実行を支援します。

は不可ですが、機械学習を使えば関係を機械学習で勉強して見かけ重要です。通常は捨ててしまうよ

MI²Iでは、
物質･材料から機能を全探索できる規模の場合、仮想スの法則をつくり、
その見かけの法

うなデータでも、信頼性が高けれ

出口課題は、蓄電池（二次電池）

求めるという通常の順問題だけでクリーニングが有用です。このと則を使ってバーチャルな順問題でば蓄積していかないと回帰はでき

材 料、磁 石･スピントロニクス材

なく、ある物性･機能をもつ物質をき物質･材料空間と機能空間をつ全部を尽くすというアプローチがないのです。そういうデータを蓄料、伝熱制御･熱電材料です。ま設計することを重視しています。

なげるときに機械学習を使おうと可 能で す。空 間 がより大きな 場積していくカルチャーをつくっていた物質･材料研究においてデータ

物質･材料設計は逆問題なのです。

すると、直接つなぐのは難しいの

合、記述子空間と機能空間は機械

く必要があるでしょう（図3）。

の方向を探るプロジェクトです。

逆問題を解くのは難しいのです

寺倉清之
物質･材料研究機構
情報統合型物質･材料研究拠点

システム化･
技術統合

蓄電池材料

出口課題
磁石･
スピントロニクス
材料

システム

が、機械学習はこれを可能にする
1つの筋書きを与えてくれるものと

伝熱制御･
熱電材料

既知の物理量実験、計算で容易に得られる量捉えています。

最適解

記述子空間

機械学習は、
注目する属性の有ツール

これだけでは正しく回帰できない。

無などでいくつかの分類が可能で機能要素技術開発す。われわれとしてはさまざまな問

データ科学：
可能性探索とツール開発

題の解き方を用いて、
物質探索や
知識基盤･
基礎的研究

データ

データプラットフォーム構築

機能最適化、
あるいは現象の理解

機能空間

物質・材料空間
機械学習は困難につなげていきたいと考えています。

機能の低いデータも必要

物質探索のときには回帰問題が
図1 プロジェクト推進体制
出口課題を起点とした3層構造による強力な体制を組んでいる。

重要です。回帰問題は、
ある機能を記述子 、 、 の関数として表し

図2 機械学習を利用した仮想スクリーニング
物質･材料空間と機能空間を直接つなぐのは難しいため、記述子空間をつくる必要がある。

もっと知りたい人へ
35

記述子

図3 情報統合型物質･材料研究を進めるには個々の研究者がほしいデータだけでなく、データの信頼性があれば機能の低いデータも蓄積が必要。

http://www.nims.go.jp/research/MII-I/index.html
36

情報統合型材料研究領域
情情報統合

プロジェクト名プ

情報統合型物質･材料開発イニシアティブ
情情報統合
情報統合型物質材料研究を支える
データプラットフォームの構想

研究の概要

情報統合型物質材料研究
（MI²）

Point

● 材料関連のビッグデータにはシステマティック性が要求される● データの統合利用には、
フォーマットの標準化が必要● 持続性のあるデータベース構築に重要なのはデータの自動収集と更新

相材料、
多相材料、
複合材料という

統合データ登録システムに登録しることで、ユーザがデータを検索･階層構造になっています（図1）。そます。さらにメタデータを登録す取得しやすくします。
（図2）

うすることで、すべての材料とすべの基盤となるビッグデータは、多ての特性を1つのシステムに格納す

量性、多種性、
リアルタイム性のることが可能になります。これが3つから定義されます。さらに材料

MI²データプラットフォームの基本

データに関してはシステマティック

枠組みにもなると考えています。

今後の展開

日々行われている材料研究･開Chemical system: element

発から出る、
リアルタイム性のある」ྜᮦᩱ

大量のデータを蓄積することは、
効

Compound: chemical formula

率的で持続可能なデータ収集方法ከ┦ᮦᩱ䠄⤌⧊ᵓ㐀䚸䝥䝻䝉䝇䚸సᡂ⪅䚸≉ᛶ䠅だと考えられます。ただし、研究
Substance: crystal structure性が要求されます。マテリアルズ･徐一斌

物質･材料研究機構
材料情報ステーション

データの統合利用には、
フォー

インフォマティクスは最終的に材

マットの標準化も必要です。材料

料の構造、プロパティ、プロセスのデータは、1）材料情報、2）実験、計関係を見つけださないといけない

算条件、3）実験、計算結果データ、ので、
システマティックなデータで4）
二次データの、4つの部分から構

なければ目的を達成することがで成されます。2と3は大型研究施設

きないからです。

が記録を完備しています。データ༢┦ᮦᩱ䠄䝣䜷䞊䝮䚸䝥䝻䝉䝇䚸సᡂ⪅䚸≉ᛶ䠅

Material: form, process, bibliography໬Ꮫ䝅䝇䝔䝮䠄≧ែᅗ䠅㻠䝺䝧䝹䛾ᮦᩱ㆑ูᏊ

データフォーマット、
著作権や公開ポリシーなど、困難な問題がいくつか存在します。
材料データをデータベースとして管理･提供するのは、人類の知識の継承に必要不可欠な手段である

Web䝃䞊䝞

従来のデータベースでは、新し共有のために最重要な記述は材と私 たち は 考えています。そういデータが入るたびにデータベー

料情報です。別々の研究者のデー

いったデータベースには持続性がスも増えていきます。システム管タが同じものかどうかを見るには必要で、そのために重要なのは、理が膨大になるので、ビッグデー

組成や結晶構造、製法などの材料

タには向いていません。そのた情報が重要ですが、実はこれが欠め、材料の分類やデータの種類をけています。

またぐ汎用的な管理システムを構築する必要があります。

データの自動収集と更新です。デーᮦᩱ䝕䞊䝍Ⓩ㘓䝅䝇䝔䝮

タを集めに行くのではなく、データが集まってくるような体制をつくら

ᮦᩱ᝟ሗ
䝕䞊䝍

そこで、
データの統合利用ネット

཰㘓䝕䞊䝍䛾䝯䝍䝕䞊䝍

なければ持続性を保てません。

ワークとして、次のようなシステム

NIMSのデータベース（MatNavi）

を考えています。データ自体は各では、すべての材料は原子、化合物、機関が保管し、材料情報を記述す

物質、材料という4レベルの材料識る部分は標準フォーマットを用意

別子で分類されます。データベーします。各機関はそのフォーマッスの構造は、
化学システム、物質、単

トに従って材料情報を作成し、材料

また分散型データベースを統合
利用するためには、標準化された

ᮦᩱ᝟ሗᶆ‽䝣䜷䞊䝬䝑䝖䚸䝯䝍䝕䞊䝍ᶆ‽䝣䜷䞊䝬䝑䝖

材料記述子を急いで検討する必要
J-PARC/MLF

SPring8

PF

CMSI

ி

MI2I,
MatNavi䛭䛾௚

があると考えています。

図2 データ統合利用ネットワーク構成の提案

もっと知りたい人へ
37≀㉁䠄㟁Ꮚᵓ㐀䚸⤖ᬗᵓ㐀䠅

者･技 術 者 のインセンティブ や、
図1 ビッグデータの格納･管理
ビッグデータの管理システムとしては、
材料分類とデータ種類を超えた汎用のシステムを構築する必要がある。NIMSのデータ
ベースは、元素から複合材料までの材料プロセス･構造･特性データを全て格納できるデータ
ベース構造になっている。

http://mits.nims.go.jp/
http://samurai.nims.go.jp/XU̲Yibin-j.html
38

情報統合型材料研究領域
情情報統合

プロジェクト名プ

文
文部科学省
科学研究費補助金 新学術領域研究「ナノ構造情報のフロンティア開拓−材料科学の新展開」
計
計画研究「ナノ電子状態解析のフロンティア開拓」

Point

ナノ電子顕微分光への情報処理技法の応用● 巨大なサイズのデータから情報を抽出するには機械学習が重要● 適切な拘束条件を付加することで、ほぼ正しいスペクトルを得ることが可能に● 機械学習では、機械と人間とがアシストし合うことがポイント

研究の概要にはいくつかの成分スペクトルが成分数10として最適化をスタート

ところが、この方法には重大なに収束する場合があることを考えましても、正しく3つの成分だけが残

近年の走査透過型顕微鏡は、自す。これを数学的に分離したいの

欠 陥 が ありま す。一 般 に、実 験す。われわれは、含まれる成分のります。さらに上記のソフトな拘動で電子プローブを制御し、任意ですが、データには全てゼロ以上

データを再現する解の組み合わ空間分布を表す行列に弱い直交束パラメータを入れて調整するとの場所から網羅的にデータを取りの値（非負値）をもつという自然なせ が 無 限 に存 在してしまうので性を入れる試みをしています。こ参照スペクトルとほぼ同じ正しいます。そのデータはビッグデータ

拘束条件があります。これに対しす。非負であるという自然な拘束れによって各成分の空間分布に重スペクトルになります（図3）。

であり、従来の手法では情報を拾ては、NMF（非負値行列対角化）と条件を入れると行列の可能性はなりの程度を調整し、物理的に自こうした拘束条件は測定データ

いきれないため、機械学習によっいう解析法があります。

かなり制限されますが、それでも然な解へと導くことができました。

の特性によって適切なものがそれその解析例をリチウムイオン電原理的には多くの可能性が残りもう1つ の 問 題 は、正しい 成 分

ぞれ異なります。データの特性を池の正極材料におけるリチウム

ます。適当な拘束条件を使う必数をどのようにして決めるのかで知ることは、統計処理の手法を選機械学習では、スペクトルデー（Li）の化学状態分析で紹介しま

要があり、いかにしてうまく物理

す。“Sparsity”拘 束（なるべく少 数

ぶ際にも欠かせません。機械学

タ中に埋もれている微量元素やす。リチウムイオン電池の一般的的に正しい解に導くかが鍵になの 成 分 が 固 まって 存 在 する ほ

習の前に、むしろヒューマンラー

未知の成分をどのように抽出するな正極材料にはリチウムと遷移金ります。

うが 良いとする拘束）を利用するニングが必要になるのです。そのかが問題になります。スペクトル

属の酸化物が使われており、スペ

例えば複数のスペクトル成分がAutomatic Relevance Determination

意味でも、今の段階では機械学習

データは3次元データキューブとクトルにはこれらが重なっていま

大きく重なっているときに、あるス(ARD)という手法を組み入れてみにおいては機械と人間とがアシス呼ばれる数学的構造をもっています。NMFを使って計算すると、
リ

ペクトル成分の強度が他のスペクます。例えば半導体メモリのスペ

トし合うことがポイントになると考す（図1）。ある1点 のス ペクトル

チウム状態がうまく分離できます

トル成分のピーク位置で落ち込ん

クトルデータにARDを応用すると、えています。

ります。

名古屋大学

でしまうなど、物理的に不自然な解一次結合で表されると仮定しまて情報を抽出することが重要にな

武藤俊介

（図2）。

未来材料･システム研究所

0

0

0

0

0

0

0

0

00

100

+ noise

20

120

+c₃×

0

110

+c₂×

連名者
（共著者）
：志賀元紀(岐阜大学)、巽 一厳（名古屋大学）、
津田宏治（東京大学）

60

65

70

75

90

100

110

120 130 140
Energy loss (eV)

150

160

90

100

110

120
130
140
Energy loss (eV)

150

160

30

130

図1 基本的仮定としてのデータ構造 各空間座標のスペクトルデータには自然な拘束条件がある。

39

Intensity

E

=c₁×

成分 1
成分 2
成分３

c-Si

Intensity (a.u.)

Maps of diﬀerent chemical states
通常相

自然な拘束条件：非負値

(b)

表面付着相

y

図2 リチウムイオン電池の正極材料をNMFで分離した結果もっと知りたい人へ

図3 半導体メモリにARDを応用した例
成分数10で最適化すると3成分が残り、ソフトな拘束条件（w=0.1）を付けるとほぼ正しいスペクトル成分に分解される。

http://emu.nucl.nagoya-u.ac.jp/service.html
40

情報統合型材料研究領域
情情報統合

プロジェクト名プ

J
JSTさきがけ領域研究「理論･実験･計算科学とデータ科学が連携･融合した
先先進的マテリアルズインフォマティクスのための基盤技術の構築」

Point

さきがけ インフォマティクスについて● データ科学によってほしい特性をもつ新材料を探索● プロジェクト1期生は分野横断的な15名。2015年12月から研究がスタート● 若手研究者の斬新な発想で、日本発のマテリアルズ･インフォマティクスを進めたい

研究の概要

そこで、データ科学の登場です。

築」の公募が昨年度にあり、12月

15名を1期生として採択し、昨年機能を実現する新物質･新材料の入力 と出力 の関係式があり、から第1期が始まりました。私が12月1日から研究をスタートしまし探索があります。さらに、物性や材材料研究をする上での1つの目

はほしい物性として、 から Xを想研究統括を務めており、数学、化た。材料と情報科学の両方の知識

料特性を直観的に結びつけて、多標は、ほしい特性をもつ新材料を定したいと考えます。 には、物質学、物理、情報科学など、
さまざま

が必要で、
さきがけは個人研究で

種多様な物質データを包括的に整見つけることです。例えば布からの組成、原子番号、作り方など、さな分野の方に領域アドバイザー

すから応募が少ないのではないか

理･記述･可視化する新しい物理的デザインして製造プロセスを考え

まざまなパラメータが 含まれまをお願いしています。

と心配しましたが、実際には多くの概念の発見につながり、新物質･新て服をつくるのは順問題ですが、す。これを整理して記述子を上手領域の募集にあたっては、1）新方から応募がありました。採択者

材料の設計指針が出てくることをその逆に、ほしい服をつくるにはに選択できれば、少ないデータを物質発見の促進、設計指針の構築、のバックグラウンドは、実験科学3

期待しています。

どんな材料が必要なのかを考え

元に直線的あるいは滑らかな線

2）大規模データからの相関･法則

名、理論･計算科学（物性、分子、材

参加してくれる研究者に対して

ます
（図1）。

で材料特性を描くことができますの帰納的解明、
3）
候補物質の高速･料）8名、データ科学4名、対象とすも、材料合成プロセスに寄与する（図2）。

大量スクリーニング、
4）
物質･材料

る物 質で 分 類 すると、固 体･結 晶

研究や、多自由度、マルチスケー

これは自由度が高く、
またマル

常行真司
東京大学
大学院理学系研究科 / 物性研究所

チスケールの現象が関わっておこうしたデータ科学への期待を

データの包括的記述、
5）
データ取（磁性、伝熱、強相関）6名、分子（発ル、非平衡の壁を超える新しいシ

り、さらに非平衡という問題もあっ

受けて、科学技術振興機構のさき得･蓄積･管理手法、
計算･解析ツー

光、
触媒）
3名、
高分子･液体･ガラス

ミュレーション手法開発への寄与て、非常に難しい問題です。物性がけ領域研究「理論･実験･計算科

ルなどといった例を挙げています。

･ミクロ組織6名となり、きわめて分も期待しているところです。若手

科学や物質科学でふだん使って学とデータ科学が連携･融合した

必ずしもそれらに限定されることな

野横断的な顔ぶれとなりました。

研究者の斬新な発想で、日本発のいる方法論だけで解決するのは

先 進 的 マテリアルズインフォマ

く新しい考え方が若い人から出てマテリアルズ･インフォマティク

マテリアルズ･インフォマティクス

困難です。

ティクスのための基盤技術の構くることを期待して公募しました。

スへの期待としては、
まずはほしいを進めていきたいと考えています。

デザイン
製造プロセス？

図1 ほしい特性をもつ新材料の探索
ほしい服をつくるのにはどんな材料が必要かを考える場合、自由度が高く、
マルチスケールの現象が関わっており、さらに非平衡という壁もあり、解を見つけるのは容易ではない。

…
図2 データ科学とは基礎方程式が不明のとき、
入力 と出力 の組からなる多数のデータを使って、帰納的に 、Yの関係を見いだす。 ＝（ ）＋εそして、
入力パラメータ ＝（ 、₂、₃、…）の中から、出力を左右するパラメータを決定する。

もっと知りたい人へ
41

http://www.jst.go.jp/kisoken/presto/research̲area/ongoing/bunyah27-4.html
42産業界からの期待

産業界からの期待

自動車用材料開発における先端計測と“私たちは何を作るべきか？どのように作るべきか？”

マテリアルズ･インフォマティクスへの期待―科学と化学とテクノロジー―

梅村 晋

瀬戸山 亨

トヨタ自動車株式会社

世界的に地球環境への取り組合による「知能化」は、安心･安全

社会環境の変化と科学技術ので す（図）。国 内 でCO₂排 出 量 をみが強化される中、弊社も「トヨタ

や快適車室内空間、運転者支援

進展は、
ある程度、
必然性と合理性

25％ 削 減したところで、世 界 の環境チャレンジ2050」において、への寄与により、今後の自動車社のもとに遂げられてきました。そ

1％にしかなりません。

CO₂排 出 量 を2050年まで に2010

会を大きく変えていくでしょう。

う考えると、今後の世界･日本がどまた、世界全体では、経済の成年比で90％削減するという大きな

「軽量化」
「電動化」
「知能化」をうなるかを予測することは全く不長とともにCO₂排出量は増大する目標を掲げています。

実現させる上で大いに活躍する

可能ではありません。流行ではな傾向にありますが、各国のCO₂排

走 行 時 のCO₂削 減 に は、
「軽 量のが、先端計測技術と情報科学でく、何が本質的に必要で、何をやる

出量とGDPを比較すると、
日本は

化」
と
「電動化」
が重要になります。

す。これまでの材料開発は、試作べきかを考えれば、その方向性やGDPに対してCO₂排出量は少ない「軽量化」
では鉄をアルミにすると･評価⇔現象解析のサイクルで進戦略はおのずと見えてくるはずでので す。特 に、日本 の 化 学 産 業

いった単なる部品単位の材料置換

められてきましたが、今後はこれ期待は大きいものがあります。弊

す。とりわけ化学産業は、エネル

は、売上高あたりのエネルギー消戦略を立てることです。つまり、にとどまらず、
車両構造そのものをに放射光や電子顕微鏡を用いた社の例では、大量の実験データを

ギー･化学原料などの巨大インフラ

費量が圧倒的に少なく、しかも、こ世界規模で市場が大きくなる領

変えるという抜本的変革に取り組先端計測技術と、データマイニン

もとに分子シミュレーションを駆に直結する基盤産業であり、今後れは機能化による高付加価値化

域を見極め、
それに関わる科学技

んでいます。
「電動化」
については、グなどの情報科学を加えることで、使し、温度に対して粘度が変わるの産業構造の変化を注意深く予測がもたらした結果であり、再生可

術基盤を強化していくことが重要

個々の自動車の電動化はもちろん

抜本的な開発のスピードアップや新規材料を開発することに成功しすべき立場にあります。

能資源の使用はほとんど寄与してになります。産学の協力体制をのこと、
地域コミュニティや工場地

革新的な材料創製につながることました。計算科学の実践活用を

われわれが直面している課題

いません。このことは、CO₂の 排築き、サイエンスをテクノロジー

帯など社会システムとしてのトーが期待されます（図）。

繰り返し、データを操る力を習得

は、世界の中で考えるべきことが出削減と高利益は両立できることに変えるような仕組みをつくるこすることが今後ますます重要に大半であり、国内問題として考えを意味し、今後、再生可能資源をとも必要です。日本の産業の生なってくることでしょう。

ると真の解決にならないことがほ使っていけば、さらに効果を上げ

命線ともいえる材料科学や化学

一方、
リチウムイオン電池など

とんどです。例えば、2011年度のられると期待できます。

に携わるわれわれが、こうしたこの開発では、
実際に使用される環

世界のCO₂排出量を見ると、日本

日本の現状や今後を考える際とに率先して取り組んでいかなく境あるいは時間分解能･空間分解の総CO₂排出量は世界の4％程度に重要なことは、世界市場を見ててはいけないと思っています。

タルエネルギーマネジメントも重

特に、近年注目されているマテ

視しています。また、IT技術との融リアルズ･インフォマティクスへの

【従来】

【将来】

能が重要なファクターになるた

材料開発
材料
開発

新規材料の
創製･提案
(Materials
Informatics)（試作･評価）（試作
評価）
サンプル供試フィード･バック

現物の
性能検証

データ
デ
タ・ベ
ベース
ス

現象解析

情報科学
情報科
情
（計測、
分析解析理
分析解析理論計算）析理
理論計算）（データ･マイニング等）
（データ
タ･マイ

先端計測による
状態変化の可視化

理想材料構造の追及
原理原則の理解確認したい範囲（実験困難）

いた先端計測技術が大いに役立
中国
29%

その他
29%

たらすような材料技術のブレーク

カナダ2.3%ます。
アメリカ合衆国
16%

日本4%
ロシア5%

㻌

インド6%
環境条件・設計値

図：材料開発スタイルのイノベーション

その他
32.3%

スルーを起こしていきたいと思い実験範囲に限界あり
限界点

め、
放射光や電子顕微鏡などを用ちます。社会イノベーションをも（計測、分析解析、理論計算）

43

三菱化学株式会社

EU
11%

アメリカ合衆国
22.5%

中国
11.5%

ロシア2.6%イタリア2.6%

日本
6.0%

インド2.8%ブラジル2.9%
フランス3.6%

ドイツ4.8%
イギリス3.7%

図：2011年度の世界のCO₂排出量の国別内訳（左）と世界全体での2015年度GDP予測（右）44

ポスター発表

触媒･電池材料領域

ポスター発表33名が連続して行った1分間講演には迫力がこもっていた。
若手の活躍が印象的だった。

No.

課題名

代表者

所属

課題名

代表者

所属

1

透過電子顕微鏡による局所構造評価

木本浩司

NIMS

16

放射光小角散乱法による高強度軽量 Mg 合金におけるLPSO 構造の形成過程の解明

奥田浩司

京大

2

β-BaZn₂As₂ の超ナローギャップの化学結合的起源

神谷利夫

東工大

17

構造材料研究用の J-PARC 工学材料回折装置試料環境

相澤一也

J-PARC3

偏光 X 線を用いた放射光光電子分光〜部分状態密度の理論的･実験的評価に向けて〜

大橋直樹

NIMS

18

ネオジム磁石材料組織副相の第一原理計算

合田義弘

東工大

4

物質中水素の研究と材料開発

大友季哉

KEK

19

X 線顕微鏡による磁石材料の磁気構造･化学状態可視化 1

小野寛太

KEK

5

水素のトンネル振動を利用した超伝導ギャップの検出〜中性子による金属電子状態の解明に向けて〜

平賀晴弘

KEK 物構研

20

X 線顕微鏡による磁石材料の磁気構造･化学状態可視化 2

上野哲朗

KEK

6

元素戦略ビームライン BL-2 MUSASHI の建設とその利用研究：
2 次元エレクトライド電子状態の実証

堀場弘司

KEK 物構研／PF

21

中性子･放射光による磁性材料の高効率探索小野寛太

KEK 物構研／PF7

量子ビームを利用した超伝導発現機構の解明〜高温超伝導体に共通する揺らぎ現象の存在〜

山浦淳一

東工大 TIES

22

茨城県材料構造解析装置 iMATERIA による磁石材料研究

斉藤耕太郎

KEK

8

元素戦略ビームライン BL-2A における酸化物の機能評価〜新奇量子デバイスに向けて〜

小林正起

KEK 物構研／PF

23

金クラスター触媒の精密合成と構造解析

山添誠司

東大

9

放射光を用いた多重極限実験による
鉄系超伝導体の転移点上昇機構の解明効果

小林賢介

KEK 物構研／PF24

酸化物イオンの固相酸化還元反応と次世代レアメタルフリー蓄電池への応用

藪内直明

東京電機大

10

新規な加工熱処理プロセスの開発を目指した
高温その場中性子回折による相変態挙動の解析

柴田曉伸

京大

25

担持微粒子触媒の理論設計：新しい自動車触媒と環境調和型触媒を目指して

江原正博

分子研

11

SPring-8 放射光を用いたバルクナノメタル変形挙動その場解析

足立大樹

兵庫県立大

26

放射光を利用した自動車排ガス浄化触媒の研究

長井康貴

豊田中研

12

金属材料の微細組織や欠陥の特性解明のための新規解析手法開発：
局所エネルギー･局所応力の第一原理計算

香山正憲

産総研

27

J-PARC の中性子を用いた蓄電池研究

神山 崇

KEK 物構研／PF13

放射光 X 線を用いたその場局所応力場測定による変形誘起マルテンサイト変態挙動の解析〜変態誘起塑性を利用した高強度･高延性材料の実現に向けて〜

陳 美伝

京大

28

茨城県材料構造解析装置「iMATERIA」による電池材料の研究
─ Li₂/₃FePO₄ ならびに同位体置換を行った Li₂MnO₃ の中性子構造解析─

山田淳夫

東大

14

金属材料の凝固･変態過程の放射光を用いた時間分解･その場観察とその応用

安田秀幸

京大

29

Pt 表面触媒反応における溶媒効果の第一原理計算

大谷 実

産総研

15

金属材料の破壊過程の放射光 3Dトモグラフィーによるその場観察

戸田裕之

九大

30

放射光によるその場観察と大規模シミュレーションによる合金凝固現象の解明

大野宗一

北大

触媒 電･池領域

構造材料領域No.

磁石材料領域

電子材料領域

研究課題

計算科学領域

45

領域

構造材料領域領域

46

ポスター発表

触媒･電池材料領域
磁性材料領域
電子材料領域

ナノテクノロジー・物質・材料に関する研究への期待
西條正明
文部科学省 研究振興局参事官（ナノテクノロジー･物質･材料担当）にナノテクノロジー･物質･材料に関する大量のデータが蓄積されナノテクノロジー･物質･材料はてきました。この多様なデータを社会のあらゆる分野を支える基盤

活用することで、多面的な材料探であり、また産業競争力の源泉で索や材料創製が可能になり、材料もあります。我が国の科学技術や開発の時間とコストを大幅に縮減

産業競争力は国際的に優位性をできるとともに、材料機能発現の維持してきましたが、近年、新興国

新しい原理を見いだす可能性もが激しく追い上げてきています。

「元素戦略プロジェクト」は産学増え、科学の面でも大きな利点が我が国が優位性を保つためにも、官連携から始まって、4拠点による得られるものと考えています。こう

各元素戦略研究拠点とMI²Iを掛け

研究拠点形成型、さらに大型研究した背景を受けて2015年に「情報合わせた研究開発体制の構築を施設との連携へと拡大し、その間

統合型物質･材料研究拠点(MI²I）」

図っていきたいと考えています。

ネオジム磁石を発明した佐川眞人博士もシンポジウムの企画に参加。研究者と議論を交わしていた。

領域

計算科学領域

研究課題

産業界からの期待

大型研究施設紹介

47

No.

課題名

代表者

所属

31

ナトリウムイオン二次電池における負極SEI膜形成に対する添加剤効果

長岡正隆

名大

32

分子計算ソフトウェアNTChemの開発と巨大分子への応用

中嶋隆人

AICS

33

ナノ光応答理論と光･電子融合機能デバイスの理論設計

信定克幸

分子研

34

高温超伝導機構の計算科学的解明

三澤貴宏

東大

佐野信幸
新日鐵住金
（本間穂高）

35
36

中性子を用いた材料解析に対する素材産業からの期待

仲道治郎〜 ISMA（NEDO）、
構造材料拠点（ESISM）、
J-PARCの連携に関して〜

37

村上俊夫

を立ち上げました。

今回のシンポジウムへのコメント
講演後のまとめのセッションでは、4人の方からコメントをいただきました。

JFE スチール
神戸製鉄所■ 藤井保彦･日本物理学会会長は、物を集めて高度な反応場をつく■ 毛利哲夫･東北大学金属材料「2012年3月に元素戦略プロジェクトのる、卓越した機能をもつ分子シス研究所･共同利用研究センター長

キックオフとなる6領域合同シンポジ

テムをつくるといったチャレンジ

は、「内部構造があるものは強度

ウム『物理学における新元素戦略』
を日が必要です」と、新しい科学の方や機能が非線形になるので、マル本物理学会の年次大会で開いており、向を示されました。

チスケールの解析が必要になる。

議論が白熱しました。会員は、
その後■ 辛埴･東京大学物性研究所教

また、
局所的な現象が全体の破壊の経緯に非常に興味をもっています。

授 は、「元 素 戦 略プロジェクトで挙動まで支配するという非一様性

物理学会でのシンポジウムをなるべくは、大型研究施設がプラットホー

が強く、電子状態の計算を綿密に早くやってほしい」と要望されました。

ムとして機能しており、目的に特化行う必要がある。さらに、内部組■ 大峯巌･自然科学研究機構理した装置が成功していると思いま

織 の 成 因、安 定 性、発 展 過 程と

No.

課題名

代表者

所属

38

元素戦略 Pj のための軟 X 線ビームラインアップグレードの紹介
SPring-8 における材料解析支援の紹介

中村哲也
木村 滋

SPring-8

39

J-PARC 物質･生命科学実験施設における中性子･ミュオンを用いたサイエンス
J-PARC MLF ミュオン S1 実験エリアにおける元素戦略電子材料研究

山田悟史
小嶋健児

J-PARC/MLF

40

フォトンファクトリーにおける産業利用

伴 弘司

KEK-PF41

物質科学計算アプリケーションポータル “MateriApps” 紹介
物質科学計算フリーソフトパッケージ “MateriApps LIVE!” 紹介

計算物質科学イニシアティブ
五十嵐亮
小西優祐 （CMSI）

事は、「今回のテーマとなった“局す。今後は、ナノ構造の電子状態

いった非平衡な課題にも取り組む

所 構 造 制 御で 物 質 から材 料 へ”を解析するため、顕微分光の実験必要があります」と、構造材料、磁42「京」とAICS基盤ソフトウエア紹介「京」
を含めたHPCI一般･産業利用と大型施設連携課題紹介「京」
西方公郎 スーパーコンピュータ
渡辺一慶 （AICS･RIST）

は、
まさに分子科学が得意とするを加えてほしいです」と、電子物性

石材料、電子材料に共通する問題

43

ところです。そのためには、有機からの希望を述べられました。

を提起された。

情報統合型物質･材料開発イニシアティブ（MI²I）

寺倉清之

情報統合型物質･材料開発
イニシアティブ
（MI²I)

48

運営統括会議構成員のコメント

元素戦略プロジェクト
2012-2015を振り返り、

射場 英紀

玉尾 皓平

村上 正紀

トヨタ自動車（株）電池研究部部長

理化学研究所研究顧問 グローバル研究クラスタ長

立命館大学
特別招聘研究教授･理事補佐

元素戦略の最初の事業から参画させてもらっているので、は持続可能な社会の構築を、物資科学が先導して取り組む決米国でも1940年代までは、欧州からの技術輸入に頼って発や10年くらいになります。いつも研究者の皆さんの新たな発意を表明した「元素戦略」
コンセプトは、2004年の「箱根会議」

展し、「欧米間の技術摩擦」が生じていました。1950年代から想と真伨な取り組みには感服することばかりです。

で発信して10年余が経過し、国内はもとより、世界をも動かすの米国の経済的発展は、「分子エレクトロニクス計画」、「アポ

民間企業の視点から、実用化を加速するようなアドバイスを基盤的コンセプトとして定着･発展してきました。2007年以ロ計画」「国家クリティカル･テクノジー戦略」などの国家プロ求められている中で、やはりいつも気になることは、良い実験

来、文科省･経産省の府省連携プロジェクト、JSTのCRESTとさき

ジェクトに牽引されたと言っても過言ではありません。これら結果が出たときのそれは何故か、基本原理は解明できているがけ、そして文科省の拠点形成型プロジェクトと、切れ目ない支の国家プロジェクトの成功は、プロジェクトの目標が明確に設のかということです。早期に実用化するための別プロジェクト

援によるところが大きかったと思います。今後、関連研究機関

定されたためだと言われています。今回の「元素戦略」
では、への移行が進められていますが、そのことにより当初に計画さやプロジェクトをも包含したオールジャパンのネットワークが構

学術的･技術的な大きな成果は見られますが、最終点に近づれていた科学的な視点の部分が置き去りになることのないよ

築され、個々の研究者、個々のプロジェクト、
個々の拠点でのサイ

きつつある今日、原点に戻り当初の目標との整合性を再考しうなマネジメントが必要と考えます。

エンスベースの成果発信、人材育成とともに、基幹的なナショて頂きたいと思います。

今後に期待する
運営統括会議ナルプロジェクトとなっていくことを期待しています。

長我部 信行

高尾 正敏

前田 正史

三島 良直

（株）
日立製作所 理事/ヘルスケア社CTO

大阪大学 未来戦略機構 特任教授

東京大学 生産技術研究所 教授

東京工業大学 学長

本プロジェクトはアカデミアに重心を置きつつも、産業化ま

物質･材料そしてシステムへというのが元素戦略プロジェク

元素戦略、いささか大げさかと、思いつつお話を聞きまし元素戦略プロジェクト4拠点が採択された平成24年6月から3でを見据えて、国の基幹技術である計測や計算の手法を援用

トのコンセプトのひとつです。期間10年のうち、最初は物質た。金属資源のリサイクルの本格的な検討が開始され、東北年半が過ぎ、科学技術･学術審議会の研究計画･評価分科会にして電子論からマクロ物性に至るマルチスケールな視点で物

開発、元素の役割確認、物質多様性を確保、次は物質から材

大学の中村崇教授が日本学術会議でリサイクルの部会を立ちよる中間評価を経て順調に推移していることを大変うれしく思

理化学材料の研究者が協力する極めてユニークな取り組みで料への見通し付け、残り数年は社会実装に必要な信頼性を担上げたころでした。クリティカルメタル、という言葉もなじみがいます。この研究拠点型元素戦略が現在運営統括会議主査のあると思います。これまでも各拠点で、この理念を実現すべく保するサイエンスの仕上げと、工場スケールの材料開発プロ

出てきたころです。JSTの中山智弘さんが化学系の先生からの村井先生、委員の玉尾先生、福山先生他数名で本当に熱のこご苦労を重ねて、新たな材料開発の方法論が体系化され出来セスへ繋ぐことになります。研究者が変わっても成果が伝承

このアイデアをお持ちになったときには、ちょっと距離があるよ

もった議論を繰り返して立ち上げに至ったことを思い出しま上がりつつあると思います。新材料の発見、開発は、たやすいされる仕組みを構成することで、サイエンスが実効し、開発さうにも思いましたが、東工大の細野秀雄先生がユビキタス（あす。材料の特性･機能を決める構成元素の役割を、物理学、化ものでは無いと思いますが、これまで築き上げた基盤の上にれた材料が普遍化します。当プロジェクトは元素から社会実りきたり）材料と付け加えて頂いたので、なるほどと。その後、学など基礎科学の観点から明らかにし、これに基づいて異分野立って成果を期待しています。

装まで見通す試みであり、アカデミアの研究プロセス見直す

レアアース金属の問題が図らずも起こり、収斂してきたように融合型の拠点において新材料創出を目指すという材料設計の切掛けになります。

思います。本番はこれからです。

新しいパラダイムが着実に成果を上げていくことを楽しみに見守りたいと思います。

49

50

文部科学省 元素戦略プロジェクト＜研究拠点形成型＞研究ダイジェスト2012 20152016年3月22日発行
発 行 者：文部科学省 元素戦略プロジェクト
制作協力：サイテック･コミュニケーションズ デザイン：高田事務所 撮影：由利修一©本誌掲載の写真･画像･図版･記事の無断掲載を禁じます。2016.3★ 本冊子は平成28年1月21日(木)、22日(金)に東京大学 伊藤国際学術研究センター伊藤謝恩ホールで実施された元素戦略プロジェクト＜研究拠点形成型＞/大型研究施設 連携シンポジウム（第2回）
─ 局所構造制御で物質から材料へ ─ で発表された各研究領域の成果をもとに制作しました。