実験と理論・計算・データ科学を融合した材料開発の革新

[革新材料開発]

研究総括

細野 秀雄東京工業大学 科学技術創成研究院 教授

募集・選考・領域運営にあたる総括方針

材料科学・工学という学問の位置

生物

物性物理 化学

材料科学▪工学

社会基盤

エネルギー 医療

機械エネルギー

エレクトロニクス

金 属 セラミックス 高分子

数多ある物質のなかで、人間社会に直接役立つもの

「材料」と「物質」の違い

材料は凝集系の物質

1

2

背 景

日本の産業競争力の強みである製造業を支えてきたのは「材料研究」の強さ。しかし、近年その優位性が急速に失われつつある。

我が国は、材料分野で際立った業績を有する研究者を数多く輩出してきたが、人材の伸び悩みが顕在化

インフォマティクス技術や計算機シミュレーションなどが急速に進展

米国Materials Genome Initiativeなど、海外の材料開発プロジェクトが先行

各国の研究開発投資額や研究人材が増大する中、

我が国らしい研究開発手法自体の革新が必要

3

本領域が求める研究

●実験科学と、理論科学・計算科学・データ科学とを融合・連携させた新規材料の開発研究

●材料系、プロセスは限定しない。無機系、有機系、金属系、機能材料、構造材料、など幅広い分野が対象

●物質科学にとどまらず、材料研究であることが MUST

高いレベルの実験科学的手法にプラスして、物性理論の裏付けのある革新的な計算科学的手法、データ科学的手法を用いた提案を積極的に評価

既存手法の改良だけでなく、独自の新たな手法の開発も大いに推奨

平成28年8月東京工業大学プレスリリース「希少元素を使わずに赤く光る新窒化物半導体を発見」

4

Discovery of earth-abundant nitride semiconductors by computational screening and high-pressure synthesis

Y. Hinuma et al. Nature Communications 7, 11962 (2016)

最先端の第一原理計算を用いたスクリーニングによる効率的な物質選定と高圧合成実験の連携により、希少元素を含まず、赤色発光デバイスや太陽電池への応用が期待できる新しい窒化物半導体（CaZn2N2)を発見。

先進計算科学に基づいたマテリアルズ・インフォマティクスにより物質探索の加速を実証。

新窒化物半導体CaZn2N2の高圧合成

アンビル

シリンダー

ベルト式高圧合成装置

発光および拡散反射スペクトル発光スペクトル

1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2 2.4 2.6

10 K 300 K

Inte

nsity

(a.u

.)

Photon energy (eV)

1.98 eV

1.92 eV10 K RT

赤色発光の写真

平成29年2月京都大学他 プレスリリース「数理的フレームワークにより微小電線の形成過程を再現」

6

Chemical and Entropic Control on the Molecular Self-Assembly Process

Daniel PACKWOOD, Patrick HAN, Taro HITOSUGI

Nature Communications | DOI: 10.1038/ncomms14463

理論化学・数理科学を専門とするパックウッド講師が、材料科学を専門とするハン助教・一杉教授と密に共同研究、金属表面上に吸着した分子の配列を予測する新しい数理的フレームワークを構築。

このフレームワークでは、分子間に起きる相互作用をデータベースから機械学習により学び、人工知能が適切な数理モデルを自動的に組み立てる。

非常に高い確度で分子配列を予測し、グラフェンナノリボンの形成過程において分子が鎖構造を形成するメカニズムを解明。

7

選考方針

■1 提案されている材料開発手法が斬新か

■2 研究のアウトプットである、重要な「材料」が具体的に明記されているか

■3 強い実験と計算科学やデータ科学・数学的手法が有機的に連携したチーム編成か

■4 チーム体制の独自性と強み（特に実験研究者）が、明記されているか

■5 研究代表者が次世代の材料開発を担うリーダとなる人材として適切であるか

・材料分野の古典的分類（金属、有機、無機）のバランスは優先しない。

・このPjはNature,Scienceなどに論文を掲載することが主目的ではない。日本らしい材料研究の新しい方法論を、具体的材料開発を通じて社会に提示することを目指す。

8

提案書に含むべき事項・期待 (1/2)

実験科学との連携にて用いる物性理論、計算科学的手法、データ科学手法などを、具体的に明記

連携を実施するチーム体制の独自性と強みについて解説

気鋭の研究者を中心するチームを奨励

女性研究者の積極的な参画を期待

これまでの材料研究の体制とは一味も二味も違う、これからの材料研究のフロンティアを開拓するにふさわしいチームの編成を歓迎

9

提案書に含むべき事項・期待 (2/2)

研究のアウトプットは「材料」であることが肝であるため、コアメンバーとして実験系研究者が参加することが提案時から必須

研究代表者が実験系研究者である必要はない。

これまでに無い新しい材料開発手法を求めており、オンリーワンの材料の開発が推進できる気鋭の研究者の挑戦を大いに歓迎。

研究費は総額３億円（間接経費を除く）を上限とします。

採択後の研究領域運営にあたっての方針

■ 研究体制や研究計画を柔軟に見直す

■ 研究領域内外の研究者や技術者等と連携する

■ 若手研究人材育成を促進する

■ 中間評価後には産業界と連携する

本研究領域に参画する研究者には、以下の条件を課します。

10

11

連携の促進

研究の進展に応じて、次の各プロジェクト等との連携や協働を促進し、我が国の産業競争力の向上に貢献することを目指します。

● さきがけ 「理論・実験・計算科学とデータ科学が連携・融合した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」

● CREST/さきがけ 「計測技術と高度情報処理の融合によるインテリジェント 計測・解析手法の開発と応用」

● 「情報統合型物質・材料開発イニシアティブ」

● 「ナノテクノロジープラットフォーム」

● SIP「革新的構造材料」

H29 有機 半導体 無機 その他

材料TPE

タフポリマー多結晶シリコン 新規の半導体・

誘電体磁気トンネル接合

材料固体触媒

目的

ゴムを代替できるタフなTPE材料

粒界の構造・物性の理論構築を行う多結晶材料情報学を開拓、優れた特性を示す太陽電池用スマートシリコンインゴットを創製

ハイスループットスクリーニング＆合成・評価・デバイス化で新材料開発を加速

室温で抵抗が桁で変わるトンネル磁気抵抗スイッチ素子基盤材料の開発を行い、人工知能等に応用

データ科学的手法を駆使し触媒設計支援システムを構築、触媒分野の未解決課題を克服、企業の触媒開発を支援、革新材料を開発

手法

合成・成膜

分析・評価

計算・数理

データ科学

チーム 中嶋T 宇佐美T 大場T 水上T 清水T

中嶋G

ポリマー作製AFM測定

高原G

放射光測定

下川Ｇ・小谷Ｇトポロジー解析・数理モデル

森田G

粗視化シミュレーション

宇佐美G

結晶作製,イメージ取得,電気的評価

大野G

粒界構造評価

横井G

第一原理計算モンテカルロ法焼きなまし法

工藤G

機械学習・自動特徴抽出,独立成分分析・ベイズ推定

平松G・野瀬G・谷口G

物質合成,デバイス作製, 太陽電池,

誘電体

大場G：高精度・高速第一原理計算

水上G

新材料開発

廣畑G

結晶化プロセス評価

白井G：第一原理計算

データベース構築ベイズ最適化

清水G

触媒合成・反応

日沼G

第一原理計算データベース構築

蒲池G

量子化学計算データベース構築,ベイズ理論

田村G：機械学習ベイズ最適化・組み合わせ最適化問題解法

12

H29年度採択課題応募６０課題から5

課題を採択

13

まとめ

目的

世界に勝てる新しい材料研究のやり方を、重要な材料の開発に挑戦することで、ケーススタディとして社会に提示。

束縛条件

強い実験と物性理論、数学、データ科学などの融合チーム

歓迎事項

●従来の材料研究からジャンプした「革新」をめざす提案リスキーであっても成功すれば世界をリードできる材料の創製をターゲットに。

●気鋭の研究者、女性研究者の積極的参加

14

募集締切

本領域独自の提案書フォーマットを使用のこと

６月５日（火） 正午（厳守）

面接対象者への通知 7/17（火）

面接選考会 8/3（金）

採択となる可能性が高い方への連絡

～8/27（月）

選定課題の発表 9月中旬

研究開始 10月以降

CREST「革新材料開発」 課題選考スケジュール（予定）

重要な日程

CREST

15

領域アドバイザー （12名）石田 清仁 東北大学 名誉教授

伊藤 耕三内閣府 革新的研究開発推進プログラム プログラム・マネージャー 東京大学 大学院新領域創成科学研究科 教授

伊藤 聡 物質・材料研究機構 情報統合型物質・材料研究拠点 拠点長

稲垣 伸二 （株）豊田中央研究所 シニアフェロー／稲垣特別研究室 室長

楠 美智子 名古屋大学 未来材料・システム研究所 教授

高田 昌樹 東北大学 多元物質科学研究所 教授

津田 宏治 東京大学 大学院新領域創成科学研究科 教授

時任 静士山形大学 大学院有機材料システム研究科 卓越研究教授／有機エレクトロニクス研究センター長

中川 淳一新日鐵住金（株）技術開発本部 先端技術研究所 数理科学研究部上席主幹研究員

山口 周 東京大学 大学院工学系研究科 教授

山崎 聡産業技術総合研究所 先進パワーエレクトロニクス研究センター招聘研究員

吉田 博東京大学 大学院工学系研究科 スピントロニクス学術連携研究教育センター 特任研究員（上席研究員）

16

運営アドバイザー （3名）

浅見 正弘 富士フイルム株式会社 フェロー

佐川 眞人大同特殊鋼（株）顧問NDFEB（株）代表取締役

吉野 彰 旭化成（株) 名誉フェロー

17

参 考

現代化学 2017年 1月号

特集：魅力ある材料を生み出す

ー原子・分子と凝縮系の間ー