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化学

2021.07.07

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-

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。

国立大学法人東海国立大学機構 名古屋大学多元数理科学研究科の内藤 久資 准教授らの研究グループは、東北大学材料科学高等研究所の小谷元子 教授を中心とし、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。

 

【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。

 

◆詳細(プレスリリース本文)はこちら

 

【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。

 

【論文情報】

“Geometric model of 3D curved graphene with chemical dopants”

(化学元素をドープした3次元の曲面を持つグラフェンの幾何学モデル)

“Andreas Dechant, Tatsuhiko Ohto, Yoshikazu Ito, Marina V. Makarova, Yusuke Kawabe, Tatsufumi Agari, Hikaru Kumai, Yasufumi Takahashi, Hisashi Naito, Motoko Kotani, Carbon 182, 223-232 (2021), DOI:10.1016/j.carbon.2021.06.004.

<付記事項>

本研究成果は、東北大学材料科学高等研究所:Andreas Dechant助教(当時)、大阪大学大学院基礎工学研究科:大戸達彦助教、筑波大学数理物質系:伊藤良一准教授、金沢大学ナノ生命科学研究所:Marina Makarova特任助教、大学院自然科学研究科電子情報科学専攻:河邉佑典博士課程前期学生、理工学域電子情報通信学類:上利龍史学部学生、熊井光学部学生、ナノ生命科学研究所(さきがけ研究者):髙橋康史教授、名古屋大学多元数理科学研究科:内藤久資准教授との共同研究によるものです。

本研究は、JSPS科研費 新学術領域研究「次世代物質探索のための離散幾何学」JP17H06460、 JP17H06465、JP17H06466、 JP18H04477、JP20H04639、JP20H04628、科学研究費助成事業(科研費)、JSTさきがけ(JPMJPR18T8)、世界トップレベル研究拠点プログラム(WPI)、東北大学金属材料研究所における共同研究(新素材共同研究開発センター:202011-CRKEQ-0001、文部科学省委託事業ナノテクノロジープラットフォーム課題として物質・材料研究機構微細構造解析プラットフォーム(課題番号JPMXP09A20NM0013)などの支援を受けて実施されました。