材料 | 研究開発 | 株式会社豊田中央研究所

材料

次世代の自動車やエネルギーシステムに求められる環境性能や経済合理性など、ますます高度化する社会的要請に対してブレークスルーを生み出す材料の研究開発に取り組んでいます。エネルギー貯蔵・変換材料の創成においては、ナノ界面の反応設計・反応制御技術の他、 X 線や光、量子ビームなどを用いてマルチスケールで材料構造や反応プロセスの解析・現象解明を行う技術の研究開発を進めています。また微細加工技術や、材料プロセスと成形が一体化した積層造形などの製造技術、計算科学に基づいた原子・分子レベルでの材料設計、及びその合成を可能とするプロセス開発などにも取り組んでいます。加えて材料開発の効率を飛躍的に向上させるためマテリアルズインフォマティクスや自律自動実験など計算機科学との融合研究にも精力的に取り組んでいます。

コア技術

ナノ材料科学，数理物理・物性基礎科学，金属材料物性，無機・錯体化学，エネルギー化学，反応工学/プロセスシステム工学，触媒プロセス/資源化学プロセス，分析化学，量子ビーム科学，環境材料/リサイクル技術

ナノ界面反応設計・反応制御技術

効率の高いエネルギー変換材料の創成や異種材料・異種物質の接着接合などへの応用を目指し、物質の界面や表面で生じる反応の制御や、物質構造の設計、反応場の解析などさまざまな要素技術の開発に取り組んでいます。その一例として、私たちはナノ粒子の高い活性に着目し、ナノ粒子を電解紡糸の表面上にスパッタリングすることで、直径1～3 nmのルチル型IrO₂結晶クラスターを結晶ドメイン境界で連結した自立型の担体レス繊維触媒として形成する手法を確立しました（NUNO; Nano particles United Non-woven-Object）。粒子間に間隙が形成されることで広い触媒反応面を有することから、材料の使用量を抑えながら高い活性をもつ水電解触媒などへの応用が期待されます。

Reproduced from J. Mater. Chem. A, 2020, 8, 25061(DOI: 10.1039/d0ta07707k) with permission from the Royal Society of Chemistry.

試作したナノ構造触媒材料のSEM画像
（粒子間に生じる間隙により広表面積化を実現）

データ駆動型材料設計・シミュレーション

スケールを横断したさまざまな特性を満たすプロセスの設計や新しいエネルギー貯蔵・変換材料の開発などにおいて、実験科学の手法に加えて、計算化学やデータ科学、自律実験系などを融合させた次世代の材料開発手法の構築が求められています。しかしながら、第一原理計算などを用いた物質・材料シミュレーションは実効的な時空間スケールの計算を実行するには膨大な時間を要するという課題がありました。私たちはさまざまな材料の原子間相互作用を機械学習力場で表現し、計算機が判別した未知の構造に対してのみ、第一原理計算によって新たに取得した訓練データを用いて相互作用モデルを再構築する自律的な学習アルゴリズムを考案しました。その結果、従来と比較して計算速度を2～4桁ほど向上させることが可能となりました。これを触媒活性や電解液のイオン伝導率などの計算に適用し、実験との連携をはかることで材料設計を加速させていきます。