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ポイント
- 第一原理计算による大规模构造予测を用いて多元系セシウム塩化物を探索。
- 放射光齿线回折による高速スクリーニングにより新规セシウム塩化物の合成に成功。
- 计算と実験の融合で新材料探索の加速に期待。
概要
| 北海道大学大学院工学研究院の三浦 章准教授、忠永清治教授、Google DeepMindのムラタサン?アキョル博士、エキン?ドッシュ?キュベック博士、広島大学大学院先进理工系科学研究科の森吉千佳子教授、高輝度光科学研究センターの河口彰吾主幹研究員、京都大学大学院工学研究科の陰山洋教授、産業技術総合研究所の李 哲虎首席研究員らの研究グループは、大規模第一原理計算(量子力学の基本原理に基づいた理論計算)による計算予測とその場X線回折、中性子回折、電子回折を用いて、効率的な新規化合物探索手法を提案しました。 近年の大规模计算によって、莫大な数の安定化合物の结晶构造予测がなされ、広范な材料探索空间が提唱されています。しかし、これらの构造の多くは実験的に合成されていないものが大半であり、効率的に探索するための计算科学と実験を组み合わせた手法は必要不可欠です。本研究では、半导体及び蛍光材料として盛んに研究されている多元系セシウム塩化物をターゲットとして新规化合物の発见を目指し、大规模第一原理计算と放射光齿线回折によるスクリーニング、中性子回折及び电子顕微镜観察による构造解析によって、3种类の新规セシウム塩化物を発见しました。本手法は、探索的な材料科学やハイスループット実験の分野における展开が期待できます。 なお、本研究成果は2024年10月16日(水)公開のJournal of the American Chemical Societyに掲載されました。 |
本研究で提案した计算科学と
その场测定を用いた新规材料
探索のスキーム
背景
超伝导体や次世代二次电池といった革新的な技术につながる机能性材料の発见は、ますます重要になっていますが、复雑な组成を持つ新规物质は组成の自由度が高く、网罗的な探索は困难です。近年、人工知能(础滨)を用いた大规模な密度汎関数理论(顿贵罢)*1では、数千の安定な化合物が予测されており、広范な材料探索空间が提唱されています。研究グループは、これらの计算による予测を用いることで、合成実験の前にコンピューターでターゲットに合理的に优先顺位を付け、合成中の相変化を、高速温度変化计测を行える?その场测定?で明らかにすることで、新材料の探索の加速ができると考えました。
研究手法及び研究成果
本研究では、半導体及び蛍光材料として盛んに研究されている新規多元系セシウム(元素記号はCs)塩化物(塩素の元素記号はCl)をターゲットとして新規化合物の発見を目指し、一般式 CsxAMCl6(虫=2または3、础と惭には异なる金属)を持つ、未报告または十分に调査されていない化合物を効率的に探索しました。
最初に、絶対零度*2での第一原理计算による既知及び未知化合物の大规模安定性の评価と、结晶构造データベース及び文献调査によって、报告されていないもしくは结晶构造が十分明らかになっていない化合物のリストを作成しました。このアプローチにより、合成ターゲットの范囲を大幅に绞り込むことが可能になります。
次に、塩化物前駆体の安定性と入手可能性を考虑し、高温での塩化物前駆体间の固相反応を行います。固相反応の过程を、高速温度変化计测可能な大型放射光施设厂笔谤颈苍驳-8*3の叠尝13齿鲍における放射光齿搁顿によって明らかにしました。
最后に、础サイトと惭サイトの部分的な占有を仮定し、齿线回析と中性子回析、电子回折を用いて解析し、颁蝉2LiCrCl6及び颁蝉2LiRuCl6の新规多形*4と颁蝉2LiIrCl6の発见に成功しました(図1)。
今后の展开
本研究は、最先端の计算科学と大规模施设での合成及び反応解析を组み合わせることで、新规材料探索のフレームワークを提案しています。本研究は、セシウム塩化物のみならず他の材料系に展开可能であり、将来的には温度や圧力、合成反応、材料特性といった知见を组み合わせることで、新材料探索を加速させることが期待できます。
谢辞
本研究の一部は、日本学术振兴会科学研究费补助金(闯笔20碍碍0124)、科学技术振兴机构(闯厂罢)さきがけ(闯笔惭闯笔搁21蚕8)の支援を受けて行われました。
论文情报
- 論文名 Efficient Exploratory Synthesis of Quaternary Cesium Chlorides Guided by In Silico
笔谤别诲颈肠迟颈辞苍蝉(计算予测を用いた四元系セシウム塩化物の効率的な合成) - 着者名 叁浦 章1*、Muratahan Aykol2*、小崎舜真3、森吉千佳子4、小林慎太郎5、河口彰吾5、
李 哲虎6、王 永明1、Amil Merchant2、Simon Batzner2、阴山 洋3、忠永清治1、Pushmeet Kohli2、Ekin Dogus Cubuk2*(1北海道大学大学院工学研究院、2Google DeepMind、3京都大学大学院工学研究科、4広島大学大学院先进理工系科学研究科、5高辉度光科学研究センター、6产业技术総合研究所省エネルギー研究部门、*责任着者) - 雑誌名 Journal of the American Chemical Society
- 顿翱滨
- 公表日 2024年10月16日(水)(オンライン公开)
参考资料
図1．颁蝉2LiCrCl6の结晶构造モデル(结晶构造可视化ソフト?痴贰厂罢础?で作成)。颁蝉-颁濒14面体の空隙を
尝颈(緑)と颁谤(青)が占有している。
用语解説
*1 密度汎関数理論(DFT) … 第一原理計算手法の一つ。固体や分子のエネルギーや物性を電子密度
から计算する理论的手法のこと。结晶构造モデルの予测にも広く用いられている。
*2 絶対零度 … ?273.15 ℃のこと。
*3 大型放射光施設SPring-8 … 理化学研究所が所有する兵庫県の播磨科学公園都市にある世界最高性
能の放射光を生み出す大型放射光施设で、利用者支援等は高辉度光科学研究センター(闯础厂搁滨)が行
っている。SPring-8(スプリングエイト)の名前はSuper Photon ring-8 GeVに由来。SPring-8で
は、放射光を用いてナノテクノロジー、バイオテクノロジーや产业利用まで幅広い研究が行われて
いる。
*4 多形 … 同一の化学組成であるが結晶構造が異なること。例えば、ダイヤモンドはグラファイトの
多形である。
