2021年 | プレスリリース・研究成果
数学を取り入れたシミュレーションで材料設計を加速－グラフェン触媒設計に従来法よりも10億倍速い計算時間で成功－
【本学研究者情報】
〇材料科学高等研究所 教授 小谷元子
研究室ウェブサイト
【発表のポイント】
- カーボンネットワークを単純化した数学モデルの構築に成功。
- 数学を用いた構造の数値化により貴金属フリーのグラフェン触媒の設計が可能に。
- もっとも正確とされる理論計算手法と定性的によく一致したシミュレーション結果が10億倍速く得られ、先端材料候補の探索が加速されることに期待。
【概要】
3次元の立体的構造を持つカーボンネットワークは、平面構造を持つ2次元グラフェンシート（＊1）を曲げることで形成され、シートをうまく曲げると2次元グラフェンとは異なる優れた特性を持つことが知られています。しかし、3次元のカーボンネットワークがなぜ優れた特性を示すのかは系統的に理解されておらず、局所構造と材料全体の特性を結び付けた網羅的な理解が必要とされています。
東北大学材料科学高等研究所の小谷元子教授らの研究グループは、カーボンネットワークをバネで連結された数理モデルとみなし、構造を単純化することで、従来法よりも10億倍速いシミュレーション計算時間で貴金属を使用しない優れた触媒の設計法を見出しました。数学によって提案されたカーボンネットワークを実験的に作製し、その触媒能力を検証することで、数学を用いた材料設計の有用性を実証しました。
本研究成果により、局所構造が持つ幾何学構造の歪みや不安定性などの、これまで難しかった数値化が可能となり、それらが全体の特性に与える影響の理解が可能となりました。この数学手法と従来手法を相補的に組み合わせた大規模シミュレーションと様々な用途への展開が可能な材料開発が進むことが期待されます。
本研究は国際科学雑誌「Carbon」に2021年6月4日（現地時間）付けでオンライン掲載されました。
図1. 数学手法によるカーボンネットワークの単純化とグラフェンの原子構造モデル
(A) カーボンネットワークの単純化による標準実現と第2近接同士の反発力を加えた改善型標準実現。
(B) 第一原理計算手法と改善型標準実現手法によって構築されたグラフェンの原子構造モデル。
(C) （B）の青い線に沿って各原子サイトのガウス曲率の変化を取り出した図。
【用語解説】
（＊1） 2次元グラフェンシート
炭素原子が蜂の巣格子を組むように共有結合した2次元シート材料。原子1層分の厚みを持つ。
問い合わせ先
＜研究に関すること＞
小谷 元子（こたに もとこ）
東北大学材料科学高等研究所（WPI-AIMR） 教授
TEL: 022-217-6325
E-MAIL: motoko.kotani.d3*tohoku.ac.jp（*を@に置き換えてください）
＜報道担当＞
東北大学材料科学高等研究所（WPI-AIMR） 広報戦略室
〒980-8577 宮城県仙台市青葉区片平２－１－１
TEL 022-217-6146
E-MAIL： aimr-outreach*grp.tohoku.ac.jp（*を@に置き換えてください）