NEDOら,液晶がナノ構造化する際の新現象を発見

新エネルギー・産業技術総合開発機構(NEDO)は「超先端材料超高速開発基盤技術プロジェクト」において,産業技術総合研究所,九州大学と人工知能(AI)と分子シミュレーションを組み合わせた世界初の解析技術を開発し,液晶がナノ構造化する際に起こる新しい現象を発見した(ニュースリリース)。

液晶や溶液,ポリマー,生体材料などは冷却プロセスの違いによる多彩な構造パターンを形成する。これらのパターンは機能の多様性をもたらすため,冷却プロセスの進行の解明と制御は重要な課題となっている。

多くの場合,冷却プロセスはナノ構造の生成から始まる。これを簡単に説明する理論として古典核生成理論があるが,それでもナノ構造が生成する速度など材料開発にとって重要な物理量を定量的に説明することはできず,正当性が長く疑問視されてきた。

この問題を解消する手段として,個々の分子の運動をミクロな視点から観察し,ナノ構造の個数や増え方を実際に数えることができる分子シミュレーション技術に期待が集まっている。

しかし分子シミュレーションだけでは観察が難しいナノ構造も数多く存在し,さまざまな先進技術との組み合わせが検討されている。例えば,冷却途中の液晶の中に特徴的なナノ構造が存在することは過去のX線照射実験などから予想されていたが,分子シミュレーションだけでは詳細まで分からなかった。

研究グループは,代表的な有機・ポリマー系機能材料の一つである液晶の冷却プロセスに注目し,ナノ構造化を起点とする材料構造制御技術の開発を進めている。この中で,人工知能(AI)と分子シミュレーションを組み合わせ,特徴的なナノ構造が生成されるプロセスを観察した結果,古典核生成理論では説明できない3段階のプロセスを発見し,そのメカニズムの解明に成功した。

この解析技術は物質を選ばず,またナノ構造の生成プロセスだけでなく成長や構造パターンの形成を経た固形化までを詳細に観察することができるため,液晶以外にも溶液やポリマー,生体材料などナノ構造の生成・成長が機能デザインの鍵となるさまざまな物質に対して応用ができるという。

例えば発光素子として使用されるナノ結晶などの精製プロセス,ポリマー材料の結晶化プロセスなどを観察することで,高機能材料創製のための材料性能向上や開発期間短縮につながるとしている。

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