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液晶がナノ構造をつくる際の新現象を発見

 
―分子が集まる動きをAIが見分ける技術で高機能材料の創製に臨む―

公開日:2021.09.10

 

研究成果 Physics & Chemistry

NEDOは「超先端材料超高速開発基盤技術プロジェクト」に取り組んでおり、今般、産業技術総合研究所、九州大学と共同で人工知能(AI)と分子シミュレーションを組み合わせた世界初の解析技術を開発し、液晶がナノ構造化する際に起こる新しい現象を発見しました。

従来の古典核生成理論において、さまざまな物質のナノ構造は1段階~2段階のプロセスを経て生成されると説明されていました。しかし今回、液晶の場合にはより複雑な3段階のプロセスを経ることを発見するとともに、そのメカニズムの解明にも成功しました。本解析技術は液晶だけでなくポリマーや生体材料などさまざまな物質の解析にも応用可能なため、幅広い高機能材料の創製につながります。

なお本研究成果の詳細は、2021年9月6日(英国夏時間)に英国の総合科学誌「Nature Communications」に掲載されました。

概要

 私たちが広く利用しているプラスチックや合金、加工食品などの日用品はおおむね固形物として提供されていますが、その大半は液体混合物から固形物への冷却プロセスを正確に制御することで加工されています。中でも液晶や溶液、ポリマー、生体材料などは冷却プロセスの違いによる多彩な構造パターンを形成します。これらのパターンは機能の多様性をもたらし、製品の性能を決定づけることさえあります。このため、物理学や生物学、材料科学、工学などの幅広い研究分野においては冷却プロセスがどのように進行し、どう制御できるかを理解することが重要な課題となっています。
 多くの場合、冷却プロセスはナノ構造の生成から始まります。これを簡単に説明する理論として古典核生成理論※1がありますが、それでもナノ構造が生成する速度など材料開発にとって重要な物理量を定量的に説明することはできず、正当性が長く疑問視されてきました。この問題を解消する手段として、個々の分子の運動をミクロな視点から観察し、ナノ構造の個数や増え方を実際に数えることができる分子シミュレーション※2技術に期待が集まっています。
 しかし分子シミュレーションだけでは観察が難しいナノ構造も数多く存在しており、さまざまな先進技術との組み合わせが検討されています。例えば、冷却途中の液晶の中に特徴的なナノ構造が存在することは過去のX線照射実験などから予想されていましたが、分子シミュレーションだけでは詳細まで分からず、未解明のままでした。そこで、これまでにない高い精度でナノ構造の観察を可能とする新たな解析技術によって、革新的な材料の創製につながる計算技術を構築することが求められていました。
 このような背景の下、国立研究開発法人新エネルギー・産業技術総合開発機構(NEDO)は「超先端材料超高速開発基盤技術プロジェクト※3」において、計算・プロセス・計測の三位一体による有機・ポリマー系機能性材料開発の高速化に取り組んでいます。その一環として、国立研究開発法人産業技術総合研究所(産総研)、国立大学法人九州大学(九州大学)と共同で、代表的な有機・ポリマー系機能材料の一つである液晶の冷却プロセスに注目し、ナノ構造化を起点とする材料構造制御技術の開発を進めています。
 この中で今般、この中で今般、NEDOと産総研機能材料コンピュテーショナルデザイン研究センターソフトマテリアルシミュレーションチーム 高橋 和義 主任研究員、九州大学大学院理学研究院物理学部門 福田 順一 教授は共同で新たな解析技術を開発するとともに、液晶がナノ構造化する際に生じる新しい現象を発見しました。本解析技術は人工知能(AI)と分子シミュレーションを組み合わせたもので、特徴的なナノ構造が生成されるプロセスを観察した結果、古典核生成理論では説明できない3段階のプロセスを発見し、そのメカニズムの解明に成功しました。
 なお、本研究成果の詳細は2021年9月6日(英国夏時間)に英国の総合科学誌「Nature Communications」※4に掲載されました。

参考図

学習済みAIの作成と冷却途中の構造への応用

注釈

※1 古典核生成理論
例えば物質が液体から固体に変化する場合などに、その始まり方を説明しようとする古典的な理論です。変化の際に分子が集まって形作られるナノ構造の生成しやすさ・しにくさは、ナノ構造のサイズと表面積のバランスのみで決まると仮定します。サイズがある臨界値を超えるとナノ構造が安定して大きく成長し始め、液体が本格的に固体へと変化すると考えます。簡単な一方で、ナノ構造の生成に関連する物理量を定量的に説明できず、その正当性が長く疑問視され続けてきました。

※2 分子シミュレーション
量子力学やニュートン力学などに基づいて、分子構造や個々の分子の運動をミクロな視点から観察するためのシミュレーション技術です。

※3 超先端材料超高速開発基盤技術プロジェクト
事業期間:2016年度~2021年度
事業ページ:https://www.nedo.go.jp/activities/ZZJP_100119.html

※4 Nature Communications
英国Nature Portfolio社(旧Nature Publishing Group社)が刊行する、自然科学の全分野を扱う総合科学誌です。総合誌でありながら各分野のトップジャーナルに並ぶ影響力を持つ(2020年度のインパクトファクターは14.919)ため、複数の分野に大きな影響を与える雑誌です。

論文情報

タイトル:
著者名:
Kazuaki Z. Takahashi(筆頭著者、責任著者), Takeshi Aoyagi, Jun-ichi Fukuda 
掲載誌:
Nature Communications
DOI:
https://doi.org/10.1038/s41467-021-25586-4
 

研究に関するお問い合わせ先

理学研究院 福田 順一 教授