科研費 - 松永 克志
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研究課題/研究課題番号：24H00379 2024年4月 - 2027年3月
科学研究費助成事業 基盤研究(A)
松永 克志
担当区分：研究代表者
配分額：48620000円 （ 直接経費：37400000円 、 間接経費：11220000円 ）
半導体やセラミックスに用いられる無機結晶は、強固な化学結合性ゆえに、室温で強度は高いが脆い性質をもつとされてきた。しかし近年の硫化亜鉛結晶に関する研究により、周囲の光環境が結晶の機械的性質に大きな影響を与えていることが判明した。しかし、同現象がどのような半導体で発現しうるのかについては判然としていない。本研究では、実用的に重要な酸化物半導体も研究対象として加え研究を進める。光照射時の力学物性に関する実験および計算解析に加え、発光などの新規機能発現の検証を行い、半導体中の転位に関する新しい材料科学構築を目指す。
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データ駆動科学援用第一原理計算による複合リン酸カルシウムの構造・機能設計
研究課題/研究課題番号：23K17831 2023年6月 - 2025年3月
科学研究費助成事業 挑戦的研究(萌芽)
松永 克志
担当区分：研究代表者
配分額：6370000円 （ 直接経費：4900000円 、 間接経費：1470000円 ）
高齢社会を迎えた我が国においては、高性能な生体材料の開発に大きな期待が寄せられている。そのためには、生体材料特性に関わる現象を原子・分子レベルで理解し、生体材料を設計することが望ましい。しかしそのような取り組みはほとんど行われてことなった。本研究では、有機分子を取り込んだリン酸カルシウムの構造と機能を、高度な計算科学を駆使して解明する。従来の材料開発手法とは異なる、生体材料研究における大きな変革のきっかけとしたい。
生体骨や歯のエナメル質等は無機／有機の複合材料であり、リン酸カルシウム結晶と有機分子の界面構造や両者の間で生じる相互作用の解明が、生体材料設計の重要指針となる。リン酸カルシウムと有機分子との複合材料として期待されている生体材料の一つが、有機分子により修飾されたリン酸八カルシウム（OCP）である。このOCP結晶に特有の物性として、様々な有機分子を結晶内に取り込むことが可能であり、有機分子に対する選択性も報告されてきた。しかしその分子修飾選択性の起源はおろか、具体的な結晶中の原子配列さえ未解明である。そこで本研究では、有機分子として鎖状ジカルボン酸イオン分子であるマロン酸を対象とし、これを含有するOCP結晶の最安定構造を、第一原理計算とデータ駆動科学的手法を用いて検討した。これまでの研究では、データ駆動科学的手法として、ベイズ最適化および粒子群最適化の２つの手法を採用し、両手法による計算結果の相互比較から、計算結果の妥当性を評価した。さらに、実際のOCP結晶のジカルボン酸分子を含む層には、水分子も含まれる可能性があるため、陰溶媒モデルの適用も検討した。その結果、両最適化手法とも同等な計算結果となり、計算結果に対するデータ駆動科学的手法の依存性は見られなかった。また、陰溶媒モデルを適用しない場合、実験格子定数を大きく過小評価する結果となった。そこで陰溶媒モデルを適用して同様な計算を実施した結果、得られた格子定数は実験報告と良く一致しており、本研究手法の妥当性を確認することができた。
本研究では、第一原理計算とデータ駆動科学的手法を用い、ジカルボン酸を水和層に導入したOCP結晶の電子・原子レベル構造の解明を目的としてきた。これまでの研究では、鎖状ジカルボン酸イオン分子として分子量の最も小さいマロン酸を対象とし、OCP結晶の水和層に挿入したときの最安定構造を探索した。データ駆動科学的手法として、ベイズ最適化および粒子群最適化の２つの手法を採用し、両手法による計算結果の相互比較から、計算結果の妥当性を評価した。さらに、実際のOCP結晶のジカルボン酸分子を含む層には、水分子も含まれる可能性があるため、陰溶媒モデルの適用も検討した。その結果、両最適化手法とも同等な計算結果となり、計算結果に対するデータ駆動科学的手法の依存性は見られなかった。また今回得られた格子定数は実験報告と良く一致しており、本研究手法の妥当性を確認することができたと考えている。
今後、データ駆動科学的手法については粒子群最適化手法を採用し、マロン酸より大きな分子量の鎖状ジカルボン酸イオン分子のOCP結晶への挿入を検討する。また、イオン修飾の熱力学的安定性評価方法についても検討を行う。 -
第一原理熱力学計算によるリン酸カルシウム結晶の有機分子修飾機構の解明
研究課題/研究課題番号：21K18818 2021年7月 - 2023年3月
科学研究費助成事業 挑戦的研究(萌芽)
松永 克志
担当区分：研究代表者
配分額：6370000円 （ 直接経費：4900000円 、 間接経費：1470000円 ）
人工骨や人工歯根のような生体代替材料開発において、リン酸カルシウム結晶と有機材料との複合化による材料機能発現が目指されている。そこでは、リン酸カルシウム結晶と有機分子が形成する界面の安定性やその起源となる界面相互作用様式が、重要な材料設計指針となる。しかしこれに関する電子・原子レベルからの知見はほとんどない。そこで本研究では、有機分子で修飾したリン酸八カルシウム結晶に着目し、第一原理計算により熱力学的安定性や異なる有機分子に対する選択性について解明することを目的とする。この成果を、リン酸カルシウムと有機分子の複合化に関する基礎学理構築への契機としたい。
リン酸カルシウム結晶と有機分子との複合化による生体材料特性向上を目指すには、リン酸カルシウム結晶と有機分子が形成する界面構造やその安定性に関する知見が重要な材料設計指針となる。本研究では、ジカルボン酸分子で修飾したリン酸八カルシウム結晶に着目し、第一原理計算によりその結晶構造および熱力学的安定性を解明することを目的とした。ジカルボン酸としてコハク酸を主な研究対象とした。既往の実験データとの比較検討から、計算結果の妥当性を確認することができた。また、界面結合状態解析および形成エネルギー評価に基づく熱力学的安定性から、同コハク酸分子修飾結晶の形成機構を明らかにすることができた。
最近のリン酸カルシウム系バイオセラミックスの研究開発では、リン酸カルシウム単体としてではなく、機能性有機分子との複合化が一つのトレンドである。しかし、これに関する電子・原子レベルの知見はほとんどなかった。本研究から、複雑な生体材料構造を計算科学により解明することが可能となった。生体材料研究の新しいアプローチとして、今後の研究開発に応用されていくことが期待される。 -
研究課題/研究課題番号：21H04618 2021年4月 - 2024年3月
科学研究費助成事業 基盤研究(A)
松永 克志
担当区分：研究代表者
配分額：42640000円 （ 直接経費：32800000円 、 間接経費：9840000円 ）
半導体やセラミックスに用いられる無機結晶は、強固な化学結合性故に、室温で強度は高いが脆い性質をもつとされてきた。しかし近年の硫化亜鉛（ZnS）結晶に関する研究により、周囲の光環境が結晶の機械的性質に大きな影響を与えていることが判明した。しかし、同現象がどのような結晶で発現するのかについては、未だ明らかになっていない。本研究では、ZnSと同じ閃亜鉛鉱構造を持つ化合物半導体結晶を対象とし、光硬化現象のメカニズムと重要因子を明らかにする。
閃亜鉛型結晶構造を有するII-VI族もしくはIII-V族化合物半導体結晶が示す光照射による硬化・軟化現象の起源を解明するため、第一原理計算および実験検証を行った。光照射による電子・ホールが生成されると、転位コアにおける静電場と相互作用し、転位コアの原子配列が変化することが判明した。この微視的メカニズムにより、半導体中の転位の移動度が変化し、結晶の効果・軟化が発現することを指摘した。また半導体単結晶をもちいた圧縮試験による実験検証も行い、同現象を実証した。
硫化亜鉛単結晶は、通常の白色光下では数％の塑性歪みを示したのち急激な破壊を示す（光硬化現象）のに対し、暗室下では10倍以上の塑性歪みを示す。この申請者らの成果により、従来から脆いと考えられてきた無機結晶であっても、光環境を変えることで、機械的性質を大きく制御できる可能性が広がったといえる。本研究は、この現象の起源を電子・原子レベルで解明した。半導体やセラミックスの無機結晶は、その結晶構造および化学結合性により硬くて脆いと考えられてきた。その常識を覆す成果に対する基本原理を提示したという点で、学術的意義は大きいといえる。 -
研究課題/研究課題番号：19H05786 2019年6月 - 2024年3月
科学研究費助成事業 新学術領域研究(研究領域提案型)
松永 克志, 吉矢 真人, 中村 篤智
担当区分：研究代表者
配分額：207610000円 （ 直接経費：159700000円 、 間接経費：47910000円 ）
材料中の結晶欠陥はバルクと異なる原子配列に基づき特異な量子場を形成する。こうした量子場は、材料の各種特性に大きく影響するとともに、多量の希少元素を要することなく新規な機能を発現させるため、その系統的理解が重要な研究課題となっている。そこで本計画研究では、代表的な結晶欠陥である「転位」を主対象として、転位の機能発現の源となる量子場を「転位機能コア」と位置づけ、それと材料機能の相関を解明することで、「機能コアのモデリング」を達成する。
転位により発現する新奇な機能が注目されている。その一方で、そのような機能の発現メカニズムは多くが未解明であった。そこで本研究では、実験と理論の両面から転位による機能発現メカニズムを解明することを目的として研究を実施した。まず、第一原理計算を利用してキャリアにより転位で生じる現象の系統的調査を行い、転位とキャリアの相互作用を解明した。また、得られた結果をモデル実験と併せて比較し解析することで、キャリアが転位のすべり運動に大きく作用することを見出した。さらには、転位に由来する熱伝導特性変化の理論的解析を行うことにより、転位組織を通して材料の熱伝導性を制御可能であることを見出した。
本研究において、転位による材料機能発現のメカニズムを系統的に検討した結果、転位と光や熱、電子との相互作用について、これまでに無い、より体系的な理解が得られ、転位による機能発現メカニズムを説明することが可能となった。また、この研究成果に伴い、転位による従来にない発光特性の発現を発見した。これにより、転位を用いた材料開発が世界的にも注目される研究分野へと成長した。さらには、転位組織を作り込むことで材料の熱伝導性を制御する指針も得られた。このように、材料機能を悪くすると考えられていた転位を、逆転の発想で積極的に利用した材料機能の開発を現実にした点は本研究の大きな意義と言える。 -
機能コアの材料科学
研究課題/研究課題番号：6103 2019年6月 - 2024年3月
新学術領域研究(研究領域提案型)
松永 克志
担当区分：研究代表者
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研究課題/研究課題番号：19H05785 2019年6月 - 2024年3月
科学研究費助成事業 新学術領域研究(研究領域提案型)
松永 克志, 阿部 真之, 遊佐 斉, 柴田 直哉, 平山 雅章, 溝口 照康, 太田 裕道, 北岡 諭
担当区分：研究代表者
配分額：107120000円 （ 直接経費：82400000円 、 間接経費：24720000円 ）
本領域研究では、世界最高水準の電子状態計算、モデル実験、ナノ計測を三本柱とし、機能材料、エネルギー材料、構造材料分野で高い研究業績を上げている研究者らと一体になって、機能コアの概念に立脚した新しい材料科学の学理を構築する。総括班ではこの領域の目的を達成するため、1)研究領域の全体的な研究方針策定、2)連携研究および設備有効利用の促進、3)若手相互派遣による人材育成・国際活動支援、4)公開シンポジウム等の成果公表活動、5)アウトリーチ活動、を行う。さらに、連携研究が最大限の効果を上げるよう、計算解析センター、ナノ計測センター、モデル試料センターを設置し、領域内研究を支援する。
本領域研究では、世界最高水準の電子状態計算、モデル実験、ナノ計測を三本柱とし、機能材料、エネルギー材料、構造材料分野で高い研究業績を上げている中堅・若手研究者らと一体になって、機能コアの概念に立脚した新しい材料科学の学理を構築する。さらに、機能コア制御による多様な材料創製への展開を目指す。これらの研究を推進・支援するため、領域内研究に対する助言や進言、共同研究や共通試料・設備利用の推進、若手育成・国際支援を目指した企画とその運営等を行った。
世界最高水準の電子状態計算、モデル実験、ナノ計測の密接な連携に基づく有機的な共同研究により、機能コアの概念に立脚した新しい材料科学の学理構築に至った。さらに、機能コア制御による多様な材料創製にも成功した。これらの研究を推進・支援するため、領域内研究に対する助言や進言、共同研究や共通試料・設備利用の推進、若手育成・国際支援を目指した企画とその運営等が奏功した。また本領域で、志を共有できる中堅・若手研究者の人的ネットワークが形成され、材料科学における新たな潮流を生み出す契機となることが期待できる。 -
生体活性リン酸カルシウムにおける表面ポテンシャルの電子論的起源解明
研究課題/研究課題番号：19K22048 2019年6月 - 2021年3月
科学研究費助成事業 挑戦的研究(萌芽)
松永 克志
担当区分：研究代表者
配分額：6370000円 （ 直接経費：4900000円 、 間接経費：1470000円 ）
生体骨の持つしなやかな機械的性質は、コラーゲン繊維とアパタイト(HAP)結晶との静電的相互作用が起源となっている。つまり、生体材料特性の発現において、六方晶構造をもつHAP結晶表面の静電ポテンシャルが重要因子となっている。しかし、「HAPのa面は正、c面は負に帯電」という、従来の経験的知見に対する電子・原子レベルの起源は未解明であった。本研究では、第一原理計算を用いて、HAP／水溶液界面での安定原子配列およびHAPの表面ポテンシャルとその結晶方位依存性の起源を解明することを目的とする。
バイオセラミックスの生体材料特性の起源となる、ハイドロキシアパタイト（HAP）／水溶液界面での安定原子配列と表面ポテンシャルの結晶方位依存性の起源を、第一原理計算をベースとした手法で電子レベルから明らかにすることを目的とした。水溶液環境下で安定なHAP表面は、化学量論組成の{0001}面とCa-rich {1010}面であった。さらに各表面の表面ポテンシャルから等電荷pHを求め、中性pH条件での表面荷電状態を調べたところ、{0001}表面とCa-rich {1010}表面はそれぞれ、負と正に帯電していることがわかった。実験結果とよく対応した結果が得られた。
高齢社会の到来にともない、生体用セラミックスの高機能化が重要な研究課題となっている。本研究では、人工骨の高機能化に関わる、アパタイト表面の荷電状態の理論的解析を行った。これまで実験報告されていた表面荷電状態の結晶学的異方性を再現することが確認できた。アパタイトとタンパク質、有機分子との複合化など、材料設計指針となることが期待できる。 -
研究課題/研究課題番号：18H03838 2018年4月 - 2021年3月
科学研究費助成事業 基盤研究(A)
松永 克志
担当区分：研究代表者
配分額：44850000円 （ 直接経費：34500000円 、 間接経費：10350000円 ）
本研究では、ZnS、ZnTe等におけるすべり転位を第一原理計算により解析し、これらの結晶が示す光環境に依存した大塑性変形の起源を解明することを目的とした。ZnS結晶中のすべり転位は、積層欠陥を介して部分転位に分解している。基底状態での部分転位コアは、未再構成構造となるが、過剰なキャリアの存在下で再構成することがわかった。転位コアの再構成は、転位の移動度低下をもたらすと考えられる。よって、転位コアによるキャリアトラップと原子配列再構成という転位量子構造こそが、同結晶の光照射による硬化現象の起源であると考えられる。また、ZnTe結晶も同様な結果となることがわかった。
セラミックスは、他の材料にない優れた物性を持つ材料であるが、その脆い機械的性質がさらなる応用を阻んできた。しかし最近の研究で、光の有無によって、機械的性質が劇的に変化する無機結晶が存在することが判明した。本研究では、その代表例である硫化亜鉛結晶を主たる対象とし研究を進めたところ、その現象の起源がすべり転位という格子欠陥の局所的な電子状態にあることを明らかにした。この知見を活かした、材料合成や加工方法への応用とそれに伴う新たな展開が期待できる。 -
バイオセラミックス界面におけるイオン・分子挙動の精密解析
研究課題/研究課題番号：17K18982 2017年6月 - 2019年3月
挑戦的研究(萌芽)
松永 克志
担当区分：研究代表者
配分額：6370000円 （ 直接経費：4900000円 、 間接経費：1470000円 ）
水溶液溶媒効果を考慮した電子状態計算に基づいて、水溶液／ハイドロキシアパタイト(HAP)界面の安定原子配列を求めた。HAP表面の荷電状態を検討したところ、水溶液と接する(1010)面では、化学量論組成やP rich組成の場合より、Ca rich組成の表面がより安定であった。Mg2+とZn2+は、バルク中への置換固溶の場合と比較して、界面近傍で置換エネルギーが著しく低かったが、最安定サイトは異なった。
ハイドロキシアパタイトは生体代替材料として重要であり、生体親和性のさらなる向上が求められている。ハイドロキシアパタイトの高性能化には、生体親和性の起源となる水溶液と結晶界面におけるイオン・分子の挙動を解明することが必要不可欠であるが、その詳細は不明な点が多い。本研究では、第一原理計算をベースとした高精度計算科学を用いた研究を行った。水溶液／アパタイト界面での安定原子配列や点欠陥形成機構を電子・原子レベルから解析できるようになり、アパタイト材料の高機能化の重要因子を解明することができた。 -
原子・イオンダイナミクスの超高分解能直接観察に基づく新材料創成
研究課題/研究課題番号：17H06094 2017年4月 - 2022年3月
科学研究費助成事業 特別推進研究
幾原 雄一, 柴田 直哉, 中村 篤智, 石川 亮, 馮 斌, 栃木 栄太, 溝口 照康, 関 岳人, 松永 克志
担当区分：研究分担者
最先端原子分解能(S)TEM法を、“原子・イオンダイナミクスの直接観察法”へと大きく進化させ、高速電子線走査・検出システムの開発や環境制御試料ホルダーを開発するとともに、転位や亀裂の挙動、原子拡散挙動、粒界移動など、これまで不明であった材料現象を原子レベルで明らかにした。これより、ナノ構造と機能発現の本質的メカニズムを解明し、ナノ構造設計・制御指針を確立することにより、新材料開発の基礎・基盤学理を構築した。
本研究から生み出された“原子・イオンダイナミクスの直接観察法”は、材料科学における新たな計測手法であるのみならず、これまでブラックボックスであった材料ナノ構造と機能特性との相関性の根本的な理解につながり、その学術的意義は極めて大きい。また、得られた成果は、材料ナノ構造のダイナミクスを利用した構造・機能材料の設計・開発に直結し、材料開発分野ならびに産業応用分野へのさらなる波及効果が期待できる。 -
ナノ構造情報のフロンティア開拓－材料科学の新展開（国際活動支援）
研究課題/研究課題番号：15K21748 2015年11月 - 2018年3月
新学術領域研究(研究領域提案型)
田中 功
担当区分：連携研究者
本国際活動支援班では，国内外での国際会議，シンポジウム，ワークショップなどの機会に，領域メンバーやポスドク研究者，大学院生などが積極的に成果発表を行うことで，国際的な研究ネットワークの構築，その場への若手研究者の参加促進と，国際的な研究のリーダーシップを取ることに努めた．また，領域での成果をまとめた英文での書籍と雑誌特集号の出版および大学院生および若手研究者の海外派遣を行った．
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神経回路数理モデルによる高精度原子間ポテンシャル開発とセラミックスへの応用
2015年4月 - 2017年3月
科学研究費補助金
担当区分：研究代表者
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ナノ構造解析のフロンティア開拓
2013年7月 - 2018年3月
科学研究費補助金 特定領域研究
担当区分：研究代表者
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ナノ構造情報のフロンティア開拓－材料科学の新展開
研究課題/研究課題番号：25106001 2013年6月 - 2018年3月
新学術領域研究(研究領域提案型)
田中 功
担当区分：連携研究者
総括班では，領域の全体的な研究方針の策定，企画調整，研究成果の適正評価，研究連携の円滑化・促進，公募による新テーマ発掘，若手育成プログラムの推進，公開講演会・シンポジウム等の企画・実行，海外のトップグループとの情報交換・協力体制構築，国民との科学・技術対話推進，産業界への情報発信などを行った．
また，個別の成果を統合し，新しい学術基盤の創成に貢献するために，領域代表者を編集者として，書籍"Nanoinfomatics"を出版した. -
ナノ構造解析のフロンティア開拓
研究課題/研究課題番号：25106002 2013年6月 - 2018年3月
新学術領域研究(研究領域提案型)
松永 克志
担当区分：研究代表者
配分額：150930000円 （ 直接経費：116100000円 、 間接経費：34830000円 ）
本研究では、第一原理計算に基づく理論計算技術および走査型プローブ顕微鏡を用いた物性計測・原子操作技術によるナノ構造情報獲得手法の開発を行い、酸化チタン表面の吸着原子やクラスタなどの持つナノ構造情報を定量的に抽出した。また、表面ナノ構造評価を効率的に行うため、パルスレーザー堆積法と原子間力顕微鏡の複合装置（PLD/AFM）を開発した。さらに、触媒材料だけに留まらず、機能性セラミックス界面や固体イオニクス材料についても，領域内で連携体制をとり、新規材料創製に資するようなナノ構造情報の系統的な抽出を行った。
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アパタイト表面修飾イオンの持つ局所電子状態の解明
2013年4月 - 2016年3月
科学研究費補助金 基盤研究(B)
担当区分：研究代表者
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ダクタイルイオン結晶における特異な局所化学結合発現の理論的検証
2013年4月 - 2015年3月
科学研究費補助金
担当区分：研究代表者
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第一原理格子ダイナミクスによるアパタイト型高速イオン伝導体の拡散機構解明
2012年4月 - 2013年3月
科学研究費補助金
担当区分：研究代表者
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水溶液環境を考慮したアパタイト中のドーパント固溶と炭酸イオン効果
2009年4月 - 2012年3月
科学研究費補助金 基盤研究(B)
担当区分：研究代表者
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機能元素のナノ材料科学
2007年10月 - 2012年3月
科学研究費補助金 特定領域研究
担当区分：研究分担者
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アパタイト系セラミックスの量子構造に基づく機能設計
2006年4月 - 2008年3月
科学研究費補助金 若手研究(B)
担当区分：研究代表者
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高温用非晶質セラミックスの量子構造と機械的特性
2002年4月 - 2005年3月
科学研究費補助金 若手研究(B)
担当区分：研究代表者