2025/03/14 更新

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オオト タツヒコ
大戸 達彦
OHTO Tatsuhiko
所属
大学院工学研究科 材料デザイン工学専攻 計算材料設計 准教授
大学院担当
大学院工学研究科
学部担当
工学部 マテリアル工学科
職名
准教授
外部リンク

学位 1

  1. 博士(工学) ( 2013年3月   東京大学 ) 

研究分野 1

  1. ナノテク・材料 / 基礎物理化学

経歴 2

  1. 名古屋大学   工学研究科   准教授

    2023年3月 - 現在

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    国名:日本国

  2. 大阪大学   基礎工学研究科   助教

    2013年6月 - 2023年2月

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    国名:日本国

 

論文 83

  1. Annelated vs. non-annelated hopping sites in periodically twisted molecular wires 査読有り 国際誌

    Asakawa, R; Yokoyama, S; Yamada, R; Ohto, T; Tada, H; Ie, Y

    BULLETIN OF THE CHEMICAL SOCIETY OF JAPAN   98 巻 ( 1 )   2025年1月

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    担当区分:責任著者   記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)   出版者・発行元:Bulletin of the Chemical Society of Japan  

    To realize efficient intramolecular hopping transport, molecular wires must possess both a small reorganization energy (λ) at the hopping site and a minimal energy difference (ΔEhs) between them. While we showed that periodically twisted molecular wires using an annelated unit (TBID) as a hopping site improves hopping transport, the influence of the chemical structure of the hopping site remains unclear. Here, to investigate the impact of the annelated structure on hopping transport, we designed a non-annelated unit (BPB) and developed molecular wires based on periodically twisted BPB. Physical properties of BPB were compared with those of TBID. Molecular wires based on BPB showed lower single-molecule conductance than those based on TBID. Theoretical calculations indicate that BPB has a larger λ, ΔEhs, as well as a higher injection barrier compared to TBID. These results demonstrate the importance of the annelated structure at the hopping site for achieving efficient hopping transport.

    DOI: 10.1093/bulcsj/uoae146

    Web of Science

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  2. Synthesis and Characterizations of Dibenzo-Fused Perioctacene 査読有り 国際誌

    Xu, XS; Moshniaha, L; Vasylevskyi, S; Kabe, R; Ohto, T; Narita, A

    ANGEWANDTE CHEMIE-INTERNATIONAL EDITION   64 巻 ( 6 ) 頁: e202418334   2024年11月

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    担当区分:責任著者   記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)   出版者・発行元:Angewandte Chemie - International Edition  

    Dibenzoperioctacene (DBPO) with extended zigzag edges was synthesized and unambiguously characterized by a combination of nuclear magnetic resonance (NMR), mass spectrometry, and single-crystal X-ray diffraction analysis. Variable-temperature (VT) NMR analysis indicated the closed-shell character of DBPO, yet the bond lengths in the single-crystal structure of DBPO aligned more closely with those of open-shell teranthene than closed-shell bisanthene. Spin-unrestricted density functional theory (DFT) calculations using various methods supported that ground state of DBPO might be on the borderline between closed- and open-shell singlet states, with a large singlet-triplet energy gap (ΔEST), consistent with the VT NMR and bond-length analyses. UV/Vis-near infrared (NIR) absorption spectrum showed the longest-wavelength peak at 905 nm, marking the NIR optical properties of DBPO. DBPO exhibited a tendency to react with atmospheric oxygen, which additionally hinted at its possible open-shell character. Furthermore, the oxidized species of non-fluorescent DBPO exhibited strong emission at 820 and 915 nm.

    DOI: 10.1002/anie.202418334

    Web of Science

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  3. Temperature-dependent vibrational energy relaxation of hydrogen-bonded and free OD groups at the air-water interface 査読有り 国際共著 国際誌

    Greco, A; Ohto, T; Nagata, Y; Bonn, M; Backus, EHG

    JOURNAL OF CHEMICAL PHYSICS   161 巻 ( 17 )   2024年11月

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    記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)   出版者・発行元:Journal of Chemical Physics  

    Water interfaces play a crucial role in regulating interactions and energy flow. Vibrational sum-frequency generation (vSFG) spectroscopy provides structural and dynamic information on water molecules at interfaces. It has revealed, for instance, the presence of the hydrogen-bonded and free OH groups at the air-water interface. Here, using temperature-dependent, time-resolved vSFG, we focus on the vibrational energy relaxation dynamics of interfacial heavy water (D2O). We reveal that while the relaxation timescale for hydrogen-bonded OD stretch modes is temperature-independent, the lifetime of the free OD stretch mode decreases with increasing temperature. Our data, supported by simulations, suggest that both intramolecular energy transfer and rotational reorientation mechanisms jointly contribute to the energy relaxation process of the free OD, with temperature influencing these mechanisms differently.

    DOI: 10.1063/5.0231310

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  4. Toluene-Poisoning-Resistant High-Entropy Non-Noble Metal Anode for Direct One-Step Hydrogenation of Toluene to Methylcyclohexane 査読有り 国際誌

    Tajuddin, AAH; Ohto, T; Tanimoto, H; Fujita, T; Jeong, S; Fukazawa, A; Shimoyama, Y; Misu, Y; Takano, K; Matsuoka, K; Ito, Y

    CHEMSUSCHEM   18 巻 ( 2 )   2024年8月

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    記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)   出版者・発行元:ChemSusChem  

    The direct one-step hydrogenation of toluene to methylcyclohexane facilitated by a proton-exchange membrane water electrolyzer driven by renewable energy has garnered considerable attention for stable hydrogen storage and safe hydrogen transportation. However, a persistent challenge lies in the crossover of toluene from the cathode to the anode chamber, which deteriorates the anode and decreases its energy efficiency and lifetime. To address this challenge, the catalyst-poisoning mechanism is systematically investigated using IrO2 and high-entropic non-noble-metal alloys as anodes in acidic electrolytes saturated with toluene and toluene-oxidized derivatives, such as benzaldehyde, benzyl alcohol, and benzoic acid. Benzoic acid plays an important role in polymer-like carbon-film formation by blocking the catalytically active sites on the anode surface. Moreover, Nb and the highly entropic state on the surface of the multi-element alloy lower the adsorbing ability of toluene and prevent polymer-like carbon film formation. This study contributes to the design of catalyst-poisoning-resistant anodes for organic hydride technology, advanced fuel cells, and batteries.

    DOI: 10.1002/cssc.202401071

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  5. Periodically Twisted Molecular Wires Based on a Fused Unit for Efficient Intramolecular Hopping Transport 査読有り 国際誌

    Asakawa, R; Yokoyama, S; Yamada, R; Maeda, S; Ohto, T; Tada, H; Ie, Y

    JOURNAL OF THE AMERICAN CHEMICAL SOCIETY   146 巻 ( 33 ) 頁: 23529 - 23536   2024年8月

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    担当区分:責任著者   記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)   出版者・発行元:Journal of the American Chemical Society  

    Realizing efficient long-distance intramolecular charge transport based on a hopping mechanism is a key challenge in molecular electronics. In hopping transport, a smaller reorganization energy (λ) and energy difference between hopping sites (ΔEhs) should lead to a smaller activation energy and faster charge transfer. However, the development of π-extended molecules that meet these requirements is challenging. In this study, we successfully synthesized several nanometer-scale π-extended molecules composed of a fused π-conjugated unit as a hopping site for reducing λ. Conformational twists between fused units effectively localize π-conjugation in each unit, contributing to reducing ΔEhs. The expected electronic structures of the oligomers were confirmed using spectroscopic and electrochemical measurements. Single-molecule conductance measurements exhibited higher conductance and lower activation energy than those of nonfused oligothiophenes. First-principles calculations indicated that smaller λ and ΔEhs values explain the high conductance. These results highlight the efficiency of the proposed molecular design for effective intramolecular hopping transport.

    DOI: 10.1021/jacs.4c07548

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書籍等出版物 1

  1. スピントロニクスのための計算機ナノマテリアルデザイン

    吉田 博 , 白井 正文, 赤井 久純 , 浜田 典昭, 小田 竜樹, 中村 浩次, 神吉 輝夫, 佐藤 和則, 真砂 啓, 福島 鉄也, 新屋 ひかり, 三浦 良雄, 大戸 達彦, 阿部 英介

    内田老鶴圃  2022年  ( ISBN:9784753622016

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    記述言語:日本語

    CiNii Books

MISC 2

  1. 物性物理学に関する学生実験のオンライン化の試み

    蓑輪 陽介, 藤原 秀紀, 大戸 達彦, 山田 亮, 後藤 穣, 細井 優, 生田 力三, 鶴田 篤史, 横山 知大, 夛田 博一  

    大学の物理教育28 巻 ( 2 ) 頁: 83 - 87   2022年7月

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    記述言語:日本語   掲載種別:記事・総説・解説・論説等(学術雑誌)   出版者・発行元:一般社団法人 日本物理学会  

    1.はじめに

    2020年1月に国内で最初の感染者が報告された新型コロナウィルス感染症は瞬く間に広がり,4月には緊急事態宣言が発出されるに至り,生活様式に大きな変革をもたらした.大学の授業も例

    DOI: 10.11316/peu.28.2_83

    CiNii Books

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  2. Sun et al. Reply

    Shumei Sun, Fujie Tang, Sho Imoto, Daniel R. Moberg, Tatsuhiko Ohto, Francesco Paesani, Mischa Bonn, Ellen H. G. Backus, Yuki Nagata  

    Physical Review Letters123 巻 ( 9 )   2019年8月

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    記述言語:英語   掲載種別:速報,短報,研究ノート等(学術雑誌)   出版者・発行元:American Physical Society  

    DOI: 10.1103/PhysRevLett.123.099602

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講演・口頭発表等 14

  1. Seebeck Effect in Molecular Wires Facilitating Long-Range Transport 国際会議

    Tatsuhiko Ohto、Jiung Jang、Jeong Woo Jo、Hyo Jae Yoon

    APS Global Physics Summit  2024年3月23日 

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    開催年月日: 2025年3月

    会議種別:口頭発表(一般)  

  2. 第一原理計算と量子アルゴリズムをつなぐ多階層計算手法の開発 招待有り

    大戸達彦

    さきがけ公開成果報告会  2025年2月5日 

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    開催年月日: 2025年2月

    会議種別:口頭発表(招待・特別)  

  3. First-principles study on the electron-vibration and spin-phonon couplings of chiral molecules 国際会議

    Tatsuhiko Ohto, Shinji Miwa

    WE-Heraeus-Seminar: Chirality and Quantum Spin – a Critical Assessment  2024年12月2日 

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    開催年月日: 2024年12月

    会議種別:口頭発表(一般)  

  4. Theoretical analysis of coexisting tunneling and hopping electron transport 招待有り 国際会議

    Tatsuhiko Ohto

    KOREA-JAPAN JOINT SYMPOSIUM FOR ADVANCED MOLECULAR DEVICES  2024年11月7日 

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    開催年月日: 2024年11月

    会議種別:口頭発表(招待・特別)  

  5. 長距離伝導分子ワイヤーのゼーベック効果

    大戸 達彦、Jiung Jang、Jeong Woo Jo、Hyo Jae Yoon

    第18回分子科学討論会  2024年9月19日 

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    開催年月日: 2024年9月

    会議種別:口頭発表(一般)  

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科研費 11

  1. 単一分子接合における電荷と熱の輸送機構の解明とその制御に関する研究

    研究課題/研究課題番号:22H00315  2022年4月 - 2026年3月

    日本学術振興会  科学研究費助成事業  基盤研究(A)

    夛田 博一, 山田 亮, 大戸 達彦, 山田 亮, 大戸 達彦

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    担当区分:研究分担者 

    金属電極間に分子を架橋した単一分子接合の電気伝導度(σ)と熱伝導度(κ)を広い温度範囲で計測し,キャリアと熱の輸送機構に関する学理を構築するとともに,それらの制御を行うための指針を導出し,熱電変換素子への応用の可能性を提示する。微細加工技術を駆使して,周辺から熱的に遮断されたサスペンション型のデバイスを作製し,構造の規定された分子を架橋して,分子長や分子骨格,アンカー部の違いが σ と κ に与える影響を考察する。
    昨年度までに、金属ナノワイヤの熱物性測定を測定するために、窒化シリコン膜/シリコン基板に微細加工技術を駆使して、ナノ接合、ジグザグ構造のヒーターおよび温度センサーを金属細線で作製し、熱の散逸を防ぐために下層の基板をエッチングして全体を宙吊り構造とした素子を作製した。さらに駆動機構(アクチェーター)となる金属細線を X 字型に組み込んだ懸架膜型素子を開発し、アクチュエーターの金属細線に流す電流を制御することにより、熱膨張と収縮を繰り返し、アクチュエーターの先端に取り付けた電極が破断と接合を繰り返す。エレクトロマイグレーション法と電気化学メッキ法を併用して金属ナノ接合を作製し、駆動機構によりナノ接合の破断と接合を繰り返し行う技術(ブレークジャンクション技術)を確立した。従来のリソグラフィーとエレクトロマイグレーション法だけで作製した電極では、破断の際に電極が大きくずれてしまい、再接合が困難になる頻度が高かったが、メッキ法で作製した電極では、より安定に破断と接合を多数回繰り返すことができることがわかった。このナノギャップ電極に、チオール基を末端に有する分子を含む溶液を滴下し、破断と接合を繰り返しながら、電気伝導度の測定を行ったところ、ブレークジャンクション法特有の分子の架橋を示すプラトーが現れ、従来の測定で得られた値とほぼ一致し、安定な分子接合を作製し、電気伝導度が測定できることを確認した。
    微細加工技術に試行錯誤を繰り返し、単一分子接合を安定して作製する手法を確立した。従来のエッチングとエレクトロマイグレーション法で作製した電極に比べ、電気化学メッキ法を併用した電極では、金属ナノ接合の破断と接合が長時間にわたり繰り返し行えるようになり、電気伝導度の測定に成功するとともに、熱伝導度の測定にも着手できている。
    ヒーターと温度センサーを持つ宙空構造の作製、駆動機構の導入、メッキ法によるナノギャップ電極の作製と分子の架橋に成功した。歩留まりをあげるために、より効率的な作製プロセスを工夫するとともに、熱伝導度の測定において、よりノイズを抑えるための設計を行う。

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  2. 先端分光計測と精密合成を活用したグラフェンナノリボンの微細構造と機能の制御

    研究課題/研究課題番号:21KK0091  2021年10月 - 2025年3月

    日本学術振興会  科学研究費助成事業  国際共同研究加速基金(国際共同研究強化(B))

    奥野 将成, 成田 明光, 大戸 達彦, 成田 明光, 大戸 達彦

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    担当区分:研究分担者 

    初年度はほぼ計画通りの研究を行うことができた。実施した内容は以下のとおりである。
    (1) 多波長での測定が可能な顕微ラマン分光装置を構築した。671 nmおよび785 nmのレーザーを新規に導入することで、従来保有していた532 nmに加えて、さらにこれら二波長での顕微ラマン分光測定を可能にした。これによって、電子二重共鳴効果による、グラフェンのラマンバンドのピーク位置のシフトなどの詳細な検証を行うことが可能になった。また、蛍光性の分子試料についてもさまざまな波長によるラマン測定の試行が可能になった。
    (2) グラフェンナノリボンおよびその構成分子のラマン測定を行った。新奇グラフェンナノリボンを合成するための原料分子について、ラマン測定を行い、良好なラマンスペクトルを得ることに成功した。10種類を超える分子について、極少量(< 1 mg)あればラマン測定が可能であることを示した。特に、532 nmでは蛍光が強くラマン信号が埋没してしまった試料についても、より長波長の671 nm励起によってラマン信号を得ることができた。これは、(1)で多波長顕微ラマン分光装置を構築したことにより、信号取得が可能になったといえる。分子構造のわずかな違いにより、蛍光の大きさおよびラマンシフトが誘発されることを見出し、今後の構造解析についての情報を得ることができた。また、金属基板上のグラフェンナノリボンについても、十分な信号ノイズ比でラマン測定が行えることを示した。詳細については現在解析中であるが、試料の状態を反映して異なったスペクトルを得ることに成功した。

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  3. 第一原理計算と離散曲面論を用いたグラフェンナノ構造体の触媒活性制御 公募研究

    研究課題/研究課題番号:20H04639  2020年4月 - 2022年3月

    日本学術振興会  科学研究費助成事業 新学術領域研究(研究領域提案型)  新学術領域研究(研究領域提案型)

    大戸 達彦

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    担当区分:研究代表者 

    配分額:7410000円 ( 直接経費:5700000円 、 間接経費:1710000円 )

    普遍的かつ貴金属を使用しない触媒材料設計を達成するため、数学的に炭素ネットワーク構造を予測する標準実現に対して、窒素原子などの化学元素を導入する枠組みを提唱した。より正確に構造を再現するために、近接原子間の反発力を考慮することで、必要最小限の物理現象を組み入れた改善型標準実現モデルを開発し、既存のシミュレーション法を用いて材料設計可能なレベルで構造を再現できていることを確認した。また、数学モデルから導き出された最適な材料設計を用いて、実際に 3 次元グラフェンを作製し、意図した触媒設計が有用であることを実験的に実証した(Carbon 182, 2021, 223-232)。
    3 次元グラフェン触媒の設計を行う上で、曲面を形成するために導入された欠陥構造を持つカーボンネットワークの単純化を行った。カーボンネットワークをバネの連結体とみなした標準実現に対して、第二近接原子間の反発力を加えた改善型標準実現を構築した。この改善型標準実現が正しく構造を構築できるかどうかを最も精度の信頼性が高いとされる第一原理計算手法と比較して調べた。六員環から構成されるグラフェンの格子に五員環と七員環のペア欠陥(以下、5-7 欠陥)を二つ導入した構造を再現したところ、両者の構造特徴は定性的にほぼ一致し、曲面の指標であるガウス曲率の変化を再現できることが明らかとなった。CPU1 コアでの計算時間を簡単に比較すると、改善型標準実現の計算時間が 39 マイクロ秒に対して、第一原理計算手法の計算時間は 4 万 6 千秒であったので、改善型標準実現は第一原理計算より 10 億倍速く計算できることがわかった。

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  4. 単一分子接合中における化学反応の統計的シミュレーション

    研究課題/研究課題番号:19K15505  2019年4月 - 2022年3月

    日本学術振興会  科研費 若手研究  若手研究

    大戸達彦

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    担当区分:研究代表者  資金種別:競争的資金

    単一分子接合の構造とトンネル伝導の機構を原子レベルで明らかにすることが研究期間全体を通じた本研究課題の一つの目標であるが、三脚型分子の架橋構造の推定と伝導特性(Small 17, 2006709 (2021).)の解明が代表的な成果となった。通常の単一分子接合ではチオールアンカーなどを用いて電極と接合させるが、より安定な接合を維持するため、アンカー部位と分子骨格の間でπ共役が維持された新たな三脚型分子の架橋構造と伝導特性を明らかにした。特に架橋構造の解析には、測定で得られた電流―電圧曲線に対して教師なしクラスタリングを導入し、データ科学の観点からも新たな解析方法を提案することができた。

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  5. 単一分子接合の熱電特性の計測と素子設計指針の導出

    研究課題/研究課題番号:18H03899  2018年4月 - 2022年3月

    日本学術振興会  科学研究費助成事業  基盤研究(A)

    夛田 博一, 山田 亮, 大戸 達彦, 山田 亮, 大戸 達彦

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    担当区分:研究分担者 

    ナノ接合は、バルク材料とは異なる特性を示すため新しい電子素子への応用を意図した研究が進められている。熱の輸送についても興味が持たれているが、熱は電子の流れと違ってさまざまな物質中に容易に散逸してしまうためその制御が難しく挑戦的な課題である。本研究では、金属ー分子ー金属(単一分子接合)の熱伝導度およびゼーベック係数を測定する手法を確立することを目的とした。Si 上のSiN 膜を基板とし、電子ビームリソグラフィー技術とエッチング技術を駆使して、ナノ狭窄部を挟んで、ヒーター部と温度検出部を宙吊り構造として作製し、狭窄部をエレクトロマイグレーション法で原子レベルまで細くする。今年度は、金属狭窄部の電気伝導度、熱伝導度、ゼーベック係数を極低温から室温までの広い温度範囲で計測し、理論で予測されていた量子化現象を確認した。細線の直径は、4端子法による電気伝導度の計測から算出した。電気伝導度に対して熱伝導度は線形に応答するのに対し、ゼーベック係数は、狭窄部が細くなるにつれて、急激に増大することを見出し、理論予測を再現した。さらに、狭窄部分を破断することでナノギャップ電極を作製し、その部分に梁を取り付ける加工を行なった。梁に通電すると熱膨張を引き起こし、電極を平面方向に移動させることが可能となる。印加する電圧を制御することで、ギャップ間の電流値が可逆的に変化し、ブレークジャンクション法が可能であることを示した。

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社会貢献活動 4

  1. 第45回 コンピュテーショナル・マテリアルズ・デザイン(CMD®)ワークショップ

    役割:講師

    大阪大学エマージングサイエンスデザインR3センター  2025年2月 - 5024年9月

  2. 第45回 コンピュテーショナル・マテリアルズ・デザイン(CMD®)ワークショップ

    役割:講師

    大阪大学エマージングサイエンスデザインR3センター  2024年9月

  3. 第44回 コンピュテーショナル・マテリアルズ・デザイン(CMD®)ワークショップ

    役割:講師

    大阪大学エマージングサイエンスデザインR3センター  2024年2月

  4. 第43回 コンピュテーショナル・マテリアルズ・デザイン(CMD®)ワークショップ

    役割:講師

    大阪大学エマージングサイエンスデザインR3センター  2023年9月