北海道大学ら、大規模計算とその場測定を用いて多元セシウム塩化物を効率的に探索：注目ニュース✨
発表日：2024年10月21日
北海道大学を中心とする研究グループが、大規模計算とその場測定を組み合わせた新しい材料探索手法を開発し、新規セシウム塩化物の合成に成功しました。この画期的な成果は、2024年10月16日に学術誌Journal of the American Chemical Societyに掲載されました。
研究の背景：機能性材料探索の課題
近年、超伝導体や次世代二次電池などの革新的技術を支える機能性材料の発見が、科学技術の発展において極めて重要になっています。
しかし、複雑な組成を持つ新規物質の探索は、以下の理由から困難を極めていました：
組成の自由度が高い
網羅的な探索が時間と労力を要する
従来の試行錯誤的な手法では効率が悪い
そこで研究グループは、人工知能(AI)を用いた大規模な密度汎関数理論(DFT)計算による予測と、その場測定を組み合わせることで、新材料探索を加速できると考えました。
革新的な研究手法：AIと放射光の融合
研究グループが開発した新しい材料探索手法は、以下の3つのステップから構成されています：
大規模第一原理計算による安定性評価と未知化合物のリスト作成
AIを活用した量子力学的計算により、数千の安定な化合物を予測
既知の化合物と比較し、未報告または十分に調査されていない化合物をリストアップ
放射光X線回折による高速スクリーニング
大型放射光施設SPring-8を使用
高温での固相反応過程をリアルタイムで観察
X線回折、中性子回折、電子回折を用いた詳細な構造解析
複数の分析手法を組み合わせて、新規化合物の結晶構造を精密に決定
（引用元：https://www.hiroshima-u.ac.jp/system/files/244436/Press%20Release%2020241021.pdf）
研究成果：新規セシウム塩化物の発見
この革新的な探索手法により、研究グループは以下の成果を上げました：
Cs2LiCrCl6とCs2LiRuCl6の新規多形の発見
既知の化合物でありながら、新しい結晶構造を持つ多形を発見
Cs2LiIrCl6の新規化合物の発見
これまで報告されていなかった全く新しいセシウム塩化物を合成
これらの新規セシウム塩化物は、半導体や蛍光材料としての応用が期待されています。特に、セシウムを含む化合物は、高効率な光電変換材料や放射線検出器などの分野で注目を集めています。
Cs-Cl14 面体の空隙を Li（緑）と Cr（青）が占有している。
（引用元：https://www.hiroshima-u.ac.jp/system/files/244436/Press%20Release%2020241021.pdf）
研究の意義と今後の展望
本研究の意義は、以下の点にあります：
計算科学と実験の融合
最先端の計算科学と大規模施設での合成・解析を組み合わせた新しい材料探索のフレームワークを提案
効率的な新材料探索
従来の試行錯誤的な手法と比べ、大幅に効率化された探索方法を実現
幅広い応用可能性
セシウム塩化物以外の材料系にも応用可能な汎用性の高い手法
今後の展望として、以下のような発展が期待されています：
温度、圧力、合成反応、材料特性といった多様な知見の統合
機械学習やデータ科学との更なる融合
産業界との連携による実用化の加速
まとめ
大規模計算とその場測定を組み合わせた新しい材料探索手法を開発
新規セシウム塩化物（Cs2LiCrCl6、Cs2LiRuCl6の新規多形、Cs2LiIrCl6）の合成に成功
半導体や蛍光材料としての応用が期待される
他の材料系への応用や新材料探索の加速が期待される
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専門用語解説
密度汎関数理論(DFT): 第一原理計算手法の一つで、固体や分子のエネルギーや物性を電子密度から計算する理論的手法
絶対零度: -273.15°Cのこと。理論上、物質中の分子運動が完全に停止する温度
大型放射光施設SPring-8: 兵庫県にある世界最高性能の放射光を生み出す大型施設。放射光を用いた様々な先端研究に利用されている
多形: 同じ化学組成を持ちながら異なる結晶構造を示す物質。物性や機能が異なることがある
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参考文献
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