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「ハイスループット実験+データ科学→ゼロからの材料設計」

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2022.08.02 by 高棹 玄徳 Gentoku Takasao遺伝的アルゴリズムによる広域探索とDFT計算による局所探索の組み合わせは、固体触媒のような複雑系の非経験的構造決定を可能としました。しかし、実触媒サイズの系における構造決定においては、探索空間の拡大と局所解の増大による遺伝的アルゴリズムの早期収束が大きな障害となっています。本研究では、構造データベースからの移住による分散型遺伝的アルゴリズムの実装により早期収束の問題を解決、実触媒サイズのTiCl4終端MgCl2ナノプレートの構造決定を実現し、Ziegler-Natta触媒の一次粒子を表現する現実的な構造モデルを獲得しました。

2022.05.17 by 瀧本 健 Ken Takimoto高分子材料に耐久性を付与するためには、相乗効果のある安定化剤の組み合わせが不可欠ですが、耐久性試験のスループットが低いことや組み合わせ数が膨大であることから、系統的な研究が妨げられてきました。本研究では、マイクロプレートへの溶液製膜とマイクロプレートリーダーによる吸光度測定に基づいたハイスループット実験プロトコルを確立し、遺伝的アルゴリズムと組み合わせることで、透明プラスチックの黄変抑制に関する安定化剤配合の大規模探索に成功しました。得られた7年間に相当するデータを解析し、相補的かつ相乗的な安定化剤をできるだけ多く配合することが重要であるという配合設計指針を導ました。

2022.03.02 by Dongzhi Zhu車載の薄膜キャパシタには、絶縁破壊電圧が高く誘電損失の少ない、二軸延伸ポリプロピレン(BOPP)が主に使われています。本研究では、二酸化チタンナノ粒子を分散させたBOPPナノコンポジットを調製し、その誘電特性を詳細に検討しました。ナノコンポジットは理論値を遥かに超えた比誘電率を示し、その鍵がインターフェーズと呼ばれる中間層にあることを突き止めました。PPナノコンポジットの延伸は非常に難しく、BOPPナノコンポジットの研究はほとんど報告されていませんでした。独自技術であるリアクターグラニュール技術を用いることで技術的な課題を突破し、薄膜キャパシタに関する重要な知見を得ることに成功しました。

2021.11.01 by 和田 透 Toru Wada複雑で不均一な構造を持つZiegler-Natta(ZN)触媒の分析は難しく、未だに完全な構造解析は達成されていません。我々は、原料であるMg(OEt)2がZN触媒へと変換される過程を様々な分析法によって多面的に捉えることで、ZN触媒の活性構造の起源解明を試みました。本研究によって得られた成果、すなわち、担体であるδ-MgCl2の形成と成長、表面に存在する化学種の種類と存在比、不純物の生成と除去の過程といった観測事実を各ステップにおける重合性能と結び付けた系統的な情報は、触媒の系統的な設計を実現する上で非常に重要です。

2021.10.28 by Hui You有機金属構造体(MOF)を用いたthin-filmナノコンポジット(TFN)膜は、海水淡水化における透過性と選択性のトレードオフを解決するための有望な材料です。しかし、MOF自体の分散性や化学的安定性、および高分子マトリックスとの界面接合に課題がありました。本論文では、ポリドーパミン(PDA)でMOFナノ粒子をコーティングすることでこれらの問題を一度に解決できることを実証しました。実際、選択性を犠牲にすることなく、膜の透過性をほぼ2倍にし、耐ファウリング性を向上させることに成功しています。

2021.06.21 by 中野渡 淳 Sunao Nakanowatariメタンの酸化的カップリング(OCM)はメタンをエチレンへと直接変換する、夢の触媒反応です。OCMの難点はメタンがエチレンよりも高い化学的安定性を持つことにあります。つまり、高温などの過酷な条件下では、メタン転換は進みますがエチレンが酸化されてしまいます。一方、低温などの穏和な条件下では、エチレンの酸化は抑えることができますがメタン転換自体が困難になります。我々は、以前の研究で、無作為に抽出した300触媒のOCM性能を135条件で評価した触媒ビッグデータを発表しました。本論文では、このビッグデータを、「過酷条件下でのエチレン酸化の抑制」と「穏和条件下でのメタン転換」という2つの視点で分析し、それぞれの視点において優秀な触媒の特徴を抽出しました。これらの特徴を組み合わせた触媒設計を行い、活性と選択性を両立する触媒を開発しました。

2021.01.27 by Thanh Nhat Nguyen化学反応は、式上では単純に見えても多くの素反応によって構成されているケースが多い。化学反応の制御とは、これらの素反応を同時に制御することであり、複数の有効成分を組み合わせる多元的な触媒の設計が鍵を握っている。我々は、日に4000点もの触媒データを自動取得可能なハイスループット実験装置と触媒インフォマティクスを用いて、前知見に依らないゼロからの触媒設計を実現した。具体的には、36540通りもの組み合わせ(=触媒)を含む広大な物質空間から300通りの組み合わせを無作為に抽出し、これらのメタンの酸化カップリング反応(OCM)における性能をハイスループット実験により評価することで、前知見や作業仮説などのバイアスを含まない触媒ビッグデータを取得した。このデータを機械学習によって分析することで、触媒の設計指針をモデル化し、高性能触媒を80%の精度で予測することに成功した。本研究が用いた方法論は多くの材料分野に適用可能であり、前知見に縛られない物質探索は予期せぬ発見を多く生み出すだろう。

2020.11.09 by 高棹 玄徳 Gentoku Takasao工業的なポリオレフィン製造の主流を占めるZiegler-Natta触媒の重要な性質の一つに、マルチサイト性、つまり得られるポリマーの構造分布があります。しかし、その起源については未だ十分に明らかにされていません。本論文では、様々なサイズと組成のTiCl4終端MgCl2ナノプレートに対し機械学習を用いた構造決定を行い、その過程で100万に及ぶ構造を取得しました。それらに対する分析とシミュレーションに基づいて、Ziegler-Natta触媒のマルチサイト性の起源に新たな仮説を提唱しました。

2020.10.14 by Nhan Ton Nu Thanhグラファイトの化学剥離は高品質グラフェンのバルク製造を実現し得る方法です。この際、溶媒の選択はグラフェンの収率と品質を大きく左右します。本研究では、効率的なスクリーニング法と証拠理論に基づく機械学習を併用し、数多くの剥離溶媒や混合溶媒系を見出すことに成功しました。複数の有効官能基がグラフェン収率を相乗的に向上することも明らかにしました。JAISTダム研との共同研究の成果です。

2020.06.30 by 谷池 俊明 Toshiaki Taniike膨大な組み合わせの中から優れたものを見出すことは材料開発における重要な目標です。本研究では、22種類の安定化剤ライブラリの中から有効な10種の組み合わせを選び出すという配合探索において、一度に100検体の安定性を評価できるHTP-CLIと遺伝的アルゴリズムを駆使することで、ポリプロピレンの寿命を50日間(データ量は5.5年分に相当)で約3.5倍に延長しました。さらに、得られた配合と性能の関係を詳しく解析することで、特に優秀な、または相性の悪い安定化剤の組み合わせを見つけることにも成功しました。本手法は組み合わせ問題を短期間で解決可能であるだけでなく、知識抽出にも有用であることが示されました。

2020.06.25 by 和田 透 Toru Wada複数の構造的特徴(化学組成、粒径、細孔径など)が相互に影響し合い、複雑に性能に関与する固体触媒において、構造性能相関を議論することは困難を極めます。本研究では多様な分析法によって得られた構造パラメーターから複合的な特徴(compound feature)を何通りも作り出し、その中から最も良く触媒性能を説明し得る特徴を抽出するという方法を用いて、チーグラー・ナッタ触媒における構造性能相関の一端を明らかにしました。

2020.03.05 by 和田 透 Toru Wadaポリオレフィン生産に用いられるZiegler-Natta触媒では、触媒粒子はより小さなナノ粒子(一次粒子)の集合体であると考えられています。このような一次粒子の正確な構造決定は技術的に難しく、その正確な構造についても長い間紛糾してきました。我々は放射光によるX線全散乱測定とシミュレーションを組み合わせることで、触媒一次粒子の定量的な構造決定を達成しました。

2020.02.22 by Thuy Phuong Nhat Tran化学発光法は、化学反応に伴い放出される光子を通して反応を検出する方法です。我々は一酸化炭素やプロプレンの触媒酸化における化学発光を研究し、化学発光法が三元触媒のスクリーニング法として有用であることを実証しました。この研究成果は、化学発光イメージングを通したハイスループット触媒評価法の開発につながるものです。

2019.12.25 by Thanh Nhat Nguyenデータ科学的な方法論によって材料科学の研究開発を飛躍的に加速する試みをマテリアルズインフォマティクス(MI)と呼びます。我々は、日に4000点もの触媒データを自動取得可能なハイスループット触媒評価装置を設計し、過去30年分のデータ数を一桁上回る12000データをわずか3日で取得しました。また、この触媒ビッグデータの分析を通じてメタンの酸化的カップリングに関する反応収率を大きく改善することに成功しました。MIは概念的な意味では良く研究されてきましたが、これが真に材料科学に革新をもたらすか否かは、質・規模共に十分な材料データが用意できるかにかかっていました。我々はこの問題を突破し、30年の研究が実働1ヵ月に満たない短期間で実施できることを実証しました。

2019.02.18 by 高棹 玄徳 Gentoku Takasao全ての計算化学は入力として分子モデルを必要とし、その正確さも分子モデルに大きく依存します。特に固体触媒のような複雑な材料系において、分子モデルの構築は限られた実験的知見と物理化学的な推察に依存しており、そのため、非経験的な構造決定手法が求められています。本研究では、遺伝的アルゴリズムとDFT計算を併用した非経験的構造決定プログラムを開発し、Ziegler-Natta触媒の構成要素であるMgCl2/TiCl4ナノ粒子の非経験的構造決定を行いました。その結果、TiCl4がMgCl2骨格を再構成する事を実証し、TiCl4が熱力学的な本質として分布を持つ事を初めて明らかにしました。

2019.01.08 by Xi Zhang電子デバイスの小型化に際して、低密度なポリマーを用いた放熱材料が求められています。その鍵の一つは、ポリマー材料内での熱伝導ネットワークの形成です。本研究では、独自のリアクターグラニュール技術と非相溶ポリマーブレンドを組み合わせた方法を提案しています。ポリプロピレン中にAl2O3ナノ粒子をその場合成することで、分散したナノ粒子がポリオレフィンエラストマーとの共連続相構造の界面に選択的に移動する現象を利用し、低Al2O3含量での熱伝導ネットワーク形成に成功しました。

2018.10.31 by 谷池 俊明 Toshiaki Taniikeナノ分散可能なMgO/MgCl2/TiCl4コア-シェル型触媒を開発し、1 μmの超高分子量ポリエチレン微粒子を直接合成することに成功しました。得られた超高分子量ポリエチレン微粒子は従来品と比較して格段に優れた融着特性を発揮します。

2018.03.30 by Nhan Ton Nu Thanhグラフェンとのナノ複合化は二酸化チタン(TiO2)の可視光光触媒活性を増強する有望な方法です。既往の研究の多くはグラフェンの出発物質として酸化グラフェン(GO)を用いてきましたが、均質な複合化や生成するグラフェンの質に問題がありました。本研究では、グラファイトをチタンアルコキシド中で剥離させることで得たグラフェン分散液を、TiO2/グラフェンナノコンポジットに直接変換する新規プロセスを提案しています。得られたナノコンポジットは、TiO2とグラフェンの均質な接合に起因する再結合抑制、可視光吸収の大幅な改善、質の高いグラフェンの生成などの優れた特徴を有し、メチレンブルーの可視光分解に極めて高い活性を示しました。

2017.10.31 by Ashutosh Thakur概念融合型触媒とは、「均一であるが単機能的な分子触媒」と「多機能的であるが不均一な固体触媒」のコンセプトを融合する試みです。本研究では、分子精度の設計に多機能性を組み込む新たな触媒設計指針を提案しています。ランダムコイル状態のポリノルボルネン鎖に、規定数のハーフメタロセン錯体を閉じ込めた高分子鎖担持型触媒を合成し、エチレン重合における活性点間の協奏的触媒作用を見出すことに成功しました。

2017.09.27 by Thuy Phuong Nhat Tran共有結合を通してグラフェンシートを規則的に積層させた酸化グラフェン構造体(GOF)は、ガス貯蔵や分離膜などの分野で注目を集める新規物質です。私達は、ジボロン酸型GOFの層間に合成されたパラジウムナノ粒子が、極めて均一なサイズ分布と分散を示すだけでなく、安定性に優れ、鈴木・宮浦カップリング反応において高い触媒活性とリサイクル性を有することを発見しました。触媒分野におけるグラフェンの有用性を示す一例です。

2017.09.04 by Qiagedeer Airong私達が開発したリアクターグラニュール技術は、ポリオレフィン粉末の細孔中での化学合成を通して分散剤等の添加剤を一切用いることなく、ナノ粒子が高度に分散したナノコンポジットを与えるユニークな方法です。これまでの研究は、ゾル-ゲル反応に基づく水酸化マグネシウム(難燃性)や酸化アルミニウム(熱伝導性)ナノ粒子等を対象としてきましたが、本研究では当該技術が銀や金といった貴金属ナノ粒子とのナノコンポジット調製にも極めて有効であることを実証しました。得られたナノコンポジット材料は、貴金属ナノ粒子に起因する魅力的な物性(色調、抗菌性、非線形光学応答)を示します。

2017.08.25 by 馬場 竜希 Ryuki Babaシリカにクロム種を担持したPhillips触媒は、単純な構成にも関わらず、分岐構造と分子量分布という点で他には無い特徴を持ったポリエチレンを産します。その主原因はシリカ表面上に特性の異なるクロム種が混在するマルチサイト性にあると考えられますが、マルチサイト性そのものが各々のクロム種の構造や役割を解明することを困難にしています。シリカと化学構造や性質が類似しているpolyhedral oligomeric silsesquioxane (POSS)は、有機溶媒との親和性が高く、様々な金属種と結合を形成するためシリカ担持触媒のモデル分子として扱うことができます。本研究では、このPOSS [e.g. R7Si7O9(OH)3]を用いて、クロム種の構造が均一なモデル触媒を合成し、クロム種近傍の化学環境と触媒機能の関係性を明らかにすることに成功しました。さらに、このような研究が実際のPhillips触媒の改良に有効であることを実証しました。

2017.05.26 by Bulbul Mairaポリマーにナノ粒子を分散させたポリマーナノコンポジットは、ナノ粒子の添加による飛躍的な物性改質や機能性の付与の観点から注目を集めている材料です。高性能なナノコンポジットを開発するに当っての前提条件はナノ粒子の均一な分散ですが、元来凝集性の強いナノ粒子を疎水的なポリオレフィンに高い充填率で分散可能な技術は存在しませんでした。我々は、ポリオレフィンの重合粉末の細孔中に無機ナノ粒子前駆体を閉じ込め、これをナノ粒子にその場変換する技術を用いて、この問題を解決することに成功しました。得られたポリプロピレン/酸化物ナノコンポジットは、高充填率での均一分散によって、従来材料と比較して極めて優れた機械的特性、誘電特性、熱伝導率を示します。

2017.04.13 by 谷池 俊明 Toshiaki Taniikeハイスループット実験は、新しい材料の探索から複雑な材料の構造性能相関を研究するためのデータベース取得において極めて強力な手段です。本研究では、開発した並列合成装置を用いてZiegler-Natta触媒担体のハイスループット合成を世界で初めて実現しました。従来のガラス器具を用いた逐次実験と遜色ない合成精度と形態制御を兼ね備えたまま、24連の並列合成が可能です。種々の構造制御剤の探索を通して、多様な構造を有する重合触媒担体のライブラリ構築に成功しました。これは、今後の触媒ライブラリの構築や構造性能相関研究につながる重要な進展です。

2017.01.10 by Anh T.N. Dao規格外の靭性を有するクモ糸は、昨今、産業用構造材料として大きな注目を集めていますが、タンパク質の高温・高湿度環境への脆弱性が産業応用に向けた最大の障壁となっています。我々は、人工クモ糸の高温での劣化挙動を系統的に検討し、多面的な分析と相関係数に基づく解析によって、酸化を主体とする劣化機構を初めて明らかにしました。人工クモ糸の材料寿命の確保に当たって極めて有用な知見です。

2016.12.26 by 谷池 俊明 Toshiaki Taniike近年、酸化グラフェンシートを積層したラミネート膜が水のみを選択的に透過させるという報告がされました。私たちは、グラフェンラミネート膜の透過性における化学選択性が、マロン酸エステルなどによる少量の化学変性によって劇的に変化するという事実を初めて見出しました。グラフェンの修飾は化学選択性の自在設計に有効な手段です。

2015.12.08 by 谷池 俊明 Toshiaki Taniike独自に改良した多目的並列反応装置を用いて、オレフィン重合触媒の担体を24並列合成することに成功しました。良好な形態制御と高い再現性を具備したスクリーニング研究が可能です。

2014.10.11 by 谷池 俊明 Toshiaki Taniike研究室で開発したハイスループット化学発光イメージング装置がJAISTのホームページに載りました(http://www.jaist.ac.jp/news/update/2014/post-424.html)。

2014.07.29 by 相原 亮一 Ryoichi Aiharaコンピュータのみで金属ナノ粒子の構造を決定するプログラム(遺伝的アルゴリズムと密度汎関数計算の併用)を開発しました。図は異なるサイズの金クラスターの構造決定の様子です。

2014.06.04 by 浜本 拓哉 Takuya Hamamotoチタンアルコキシドとシランカップリング剤から調製した重縮合用固体触媒です。表面設計によって親媒性を制御でき、従来の触媒よりも優れた性能を示します。

2014.03.31 by 荒谷 尚樹 Naoki Arataniハイスループットケミルミネッセンスイメージング装置で観察したポリプロピレンの劣化の様子です。100検体の寿命評価を1回の測定で行えます。