The Innovations accelerated by Computational Study コンピュータサイエンスにより加速する新しい産業創出
•
2 gefällt mir•2,678 views
Empfohlen
Weitere ähnliche Inhalte
Andere mochten auch
Andere mochten auch (20)
Ähnlich wie The Innovations accelerated by Computational Study コンピュータサイエンスにより加速する新しい産業創出
Ähnlich wie The Innovations accelerated by Computational Study コンピュータサイエンスにより加速する新しい産業創出 (20)
The Innovations accelerated by Computational Study コンピュータサイエンスにより加速する新しい産業創出
- 2. 資源のない国が研究開発の削減 全てがキャッシュの時代 でも諦めないで頑張ってみる それしか出来ないから
- 3. シミュレーションとは？
- 7. Tough international competition Predict Reproduce Produce Education Innovation Industry
- 8. Application Software CFX /Fluent VASP CASTEP WIEN2K 新技術 Gaussian 蓄電 環境 Molpro 発電 GAMESS AMBER GROMACS NAMD myPrsto 医療 食品 化粧品
- 9. 大規模計算が可能になった
- 10. Personal Data LC-MS/MS/MS DataBase NMR
- 11. Personal Data Simulation On-memory DB QM, MD, CG, ML including Statistics
- 12. FBDD by LC-MS/MS/MS SAR by NMR On-memory DB Exhaustive Simulation Improve Initial Conditions SBDD, Docking, ab initio, MD, 3D-RISM, Graph theory
- 14. 第一原理 （First principle, ab initio） IRC MO
- 15. 分子動力学計算とは？ • 前出の量子化学計算は理論的には最も正確。だが、電子数の4乗 に比例して計算コストが跳ね上がる。 • 真空状態での計算を実験と比較することは現実的ではない。 • リアルタイムでの分子構造とエネルギーを詳細に知りたい。 • シンプルな近似を導入することで、計算対象の系を実験と対応可 能なものとする。 • 具体的には、結合長、結合角、二面角、非共有結合原子間距離で の 和で表現したポテンシャル関数を、ニュートンの運動方程式 で解く。 • 理論、方法論は応用と同時並行でオンタイムで進化している。
- 16. Application Software CFX /Fluent VASP CASTEP WIEN2K 新技術 Gaussian 蓄電 環境 Molpro 発電 GAMESS AMBER GROMACS NAMD myPrsto 医療 食品 化粧品
- 17. 実際のシミュレーション
- 18. 記憶媒体
- 19. DVDの記録速度向上 (分子動力学法/逆モンテカルロシミュレーション) • アモルファスGe2Sb2Te5は極めて多く の結晶核が高速に生成し、アモルファ スから結晶へと高速に変化（消去）す ることができる。 • アモルファスGeTeの場合には、より多 くの結合の組みかえが必要になり、 Ge2Sb2Te5ほどの高速相変化ができな くなる。 • GeTeにSb2Te3（アンチモン・テルラ アモルファスGe2Sb2Te5、アモルファスGeTeの構造 および構造ユニット分布 イド）を添加することにより引き起こ される高速相変化の鍵となる。 DVD-記録／消去の原理 Ge2Sb2Te5およびGeTeの相変化モデル
- 20. 有機半導体
- 21. 世界初の芳香族有機超伝導体 (第一原理シミュレーション/Gaussian) • 2009年岡山大学の久保園芳博教 授により、芳香族炭化水素分子ピ センの結晶にアルカリ金属をドー プすることで、有機分子系として は高い約20Kという超伝導として は異例の高い転移温度をもつ超伝 導が発見された。機構は未解明。 ピセン分子。亀の甲（ベンゼン分子）が５つ連なっている。 • そこで、第一原理シミュレーショ ンを行い電子の状態を理論的に解 析し、結晶を組む前の単一分子の ピセンのどのような電子軌道が、 結晶を組んだ際に隣接する分子間 で飛び移るかを明らかにした。 • 導入されたカリウム原子が結晶中 のどこにいるかが未解明だったが、 シミュレーションすることで位置 の、及び、カリウムを入れる前と ピセン分子が結晶を組んだ様子。紫の玉はカリウム原子。 後で電子状態がどのように変化し 等高面は、本研究で得られた典型的な電子の波動関数（青 ていくかを予測した。 が正、黄が負）。
- 22. 次世代のDNA半導体実現 (第一原理シミュレーション/Gaussian) • 生体環境においては絶縁体であっ たDNAを、（1）特定の種類の金 属イオンと結合し、さらに（2） その金属イオンの周囲の水分子を 除去することにより半導体化する ことを見出した。 • DNAの乾燥の程度などにより電気 抵抗を制御することも可能に。 • DNAの半導体細線としての利用、 さらに自己組織化などのナノメー トル（nm）サイズの特性を生か 周りに水のないマグネシウム（Mg）や亜鉛（Zn） した、次世代の電子デバイスの開 から正孔がDNAの塩基に移り、その正孔がDNAに 発が実現可能となる。 電圧をかけるにより電気を運ぶ。金属イオンにあっ たときは自由に動けなかった正孔（白丸）がDNA の塩基中では自由に動くことができる正孔（青丸） になる。正孔が自由に動けるか動けないかは電子状 態を調べることにより判定できる。
- 23. 半導体中で発生した光を世界最高効率率で取り出す (FDTD Simulation) • 発光ダイオード（LED）は省エネル • 半導体の発光を従来の構造に比較して ギー光源で電気エネルギーの約10%が 1.5倍以上の効率で外部に取り出せる 削減 ことを発見した。この方法は、さまざ • 半導体内部で発生した光をできるだけ まな半導体光デバイス、特に21世紀の 高い効率で空気中に取り出さす必要性 省エネルギー照明・表示用光源として 期待されている発光ダイオードの高効 • 平たんな基板上に形成した半導体発光 率化技術として期待できる。 材料では、全発光量の数 %しか空気中 に取り出せない（ヒ化ガリウムで約 • 発光ダイオードなどさまざまな半導体 2 %、窒化ガリウムで約4 %） 光デバイスへの応用が期待される。 • これは、発光ダイオードなど各種の半 導体光デバイスの実質的な発光効率の 向上を妨げる大きな要因の1つである。 発光層で発生した光がリッジ構造の頂上平たん面から 効率良く取り出されている様子を示すシミュレーション結果
- 24. 電池
- 25. 大規模スケール燃料電池のシステム設計 (第一原理シミュレーション/Gaussian) • 独立分散電源用酸化物形燃料電池 （Solid Oxide Fuel Cell: SOFC） の長期安定性に甚大な影響を与え るクラスター構造を、透過電子顕 微鏡観察とその結果にもとづく計 算機シミュレーションにより初め て明らかにした。 • シミュレーションを行いことに よって、なぜ性能劣化とともに結 晶相転移が起こるのか、なぜ信頼 性は十分に確保されないのか、を 合理的に説明し、解決策を提案。 C型希土類結晶構造に見られるダンベル型酸素欠陥クラスター • 高性能・高信頼性・長寿命SOFC 材料の開発が可能になった。
- 26. 太陽電池用電極やタブレットPCなどのタッチパネルの透明電極 (Gaussian/AMBER) • グラフェンを応用した電子技術は太陽電池用電極やスマートフォンなどのタッチ パネルの透明電極として注目されている。 • 酸化グラフェンの還元に適したレーザー波形を第一原理シミュレーションで予測 • エポキシ構造酸素や水酸基の酸化グラフェンからの脱離を、第一原理シミュレー ションで確認の酸化グラフェンからの脱離の原子作用機構を解明 グラフェンに結合した酸素原子(エポキシ構造を構成)が 極短パルスレーザー照射後に脱離するシミュレーション レーザー照射により酸化グラフェンから 酸素が除かれるシミュレーション 酸化グラフェンからOH基がパルスレーザー照射後に脱離するシミュレーション
- 27. 有機太陽電池材料における光励起と電荷分離 (Gaussian/AMBER) • 電子親和力の異なる分子から構 成される太陽電池材料が光に よって励起され、さらに電子と 正孔が分離するまでの一貫した 過程を第一原理計算に基づいて シミュレーションした。 電子を受けやすいTCNQ分子と電子を与えやすい • 太陽電池の有機電荷移動錯体の TTF分子による分子会合体 分子設計に活用することで、効 率が向上する。 分子の中で電子と正孔の分離が光の照射時間とともに 大きくなる概念図とその数値計算結果によるグラフ。 光を浴びた分子の内部で電子(e-)と正孔(h+)がそれぞれ図 赤橙色の方が分離が大きいので発電効率が高いと期待 の上と下の逆方向に移動する様子 される。
- 28. 有機薄膜太陽電池で世界最高レベルのエネルギー変換効率 (オリジナルコードによるシミュレーション) • 有機半導体を用いる有機薄膜太陽電池 • 軽量フレキシブルなプラスチックフィ は、シリコン太陽電池と同様の原理で ルム太陽電池の実現を加速 動作する固体太陽電池であるが、これ まではエネルギー変換効率が低かった。 • 有機p - n接合界面にナノ構造層（i 層）を導入し、ｐ-ｉ-ｎ接合型有機薄 膜太陽電池を作製、ナノp - n接合を多 数形成させることで光の利用効率を改 善し、有機薄膜太陽電池において世界 最高レベルのエネルギー変換効率4％ を達成 p - n接合へのナノ構造層（ｉ層）の導入による 主流のシリコン太陽電池（左）とプラスチックフィルム太陽電池（右） 分子p - n接合界面の増大
- 29. 機能性分子
- 31. ダイヤモンド電子デバイス製造の実現 (プラズマシミュレーション) • ダイヤモンドは、高硬度、高熱伝導率、 • ダイヤモンドのデバイス応用に欠かせ 光透過波長帯の広さ、ワイドバンド ないウエハー作製技術である結合型 ギャップ、化学的安定性などの優れた （モザイク状）ウエハーを作製 特性を示す。 • ダイヤモンドの電子デバイス応用への • シリコン（Si）系や炭化ケイ素（SiC） 起爆剤となる可能性が高く、１年以内 を凌駕できるパワーデバイスの実現が の実用化を検討 期待されており、電気自動車や産業機 • 半導体デバイス、電子放出デバイス、 器などの制御モジュールに搭載するこ バイオセンサーなどさまざまな応用が とで、大幅な省エネルギーが達成でき 期待されている。 る可能性がある。 大型単結晶ダイヤモンドウエハー 機能性ダイヤモンドライクカーボン（DLC） 膜厚膜のコーティング
- 32. 分子選別フィルター/ガスセンサー (分子動力学シミュレーション) • 単層カーボンナノチューブ • 交換転移に伴ってSWCNTフィルムの （SWCNT）内への水分子の吸着現象 電気抵抗が急激に変化するため、特別 を明らかにし、雰囲気ガスと水分子と な化学修飾やコーティング等無しにガ の「交換転移」を発見した。 ス選別を可能とする • 水を吸着したSWCNTは分子選択的な ナノバルブとして利用できる。 • また、この交換転移に伴ってSWCNT フィルムの電気抵抗が急激に変化する ため、特別な化学修飾やコーティング 等無しにガス選別を可能とする、新た なガスセンサーを作製できる。 交換転移の計算機シミュレーション。メタンガス(a)お よびネオンガス(b)中に置かれたSWCNTの安定性を 分子動力学計算によって調べた。メタンでは時間の経過 (300ピコ秒)によって水とメタンが入れ替わった。一方、 WCNTとアイスナノチューブの構造模式図。左：直径1.35nmの指 ネオンでは水は安定にSWCNT内部に留まった。(a)と 数(10, 10)のSWCNT。右)：７員環アイスナノチューブ（ice-NT） (b)で分子数、温度、圧力は同じである。図中、橙は炭 を形成している(10, 10)SWCNT。 素、青は酸素、紫はネオン、白は水素原子を表す。
- 33. 希少元素ジスプロシウム(Dy)に頼らない耐熱温度の向上 (第一原理シミュレーション) 独立行政法人・物質材料研究機構 宝野和博先生の資料より引用
- 34. 地球の起源 (第一原理シミュレーション/Gaussian) • 木星や土星には地球の1000～ 4000倍の磁気があるが、これは 惑星深部の数百万気圧という高圧 力によって内部の水素が金属化し たためである。 • 炭素は高温高圧でダイヤモンドに なるが、ほかの原子が高温高圧下 の環境で、どのような変化が起こ るかもシミュレーションを使うこ とで、実験よりも簡単に確認でき る。 • シミュレーションのメリットとし ては、実験では実現不可能な環境 を設定できるということ以外に、 実験では得られない詳細なデータ を数多く入手できることがあげら 酸化シリコン（SiO2）を含む鉱石の れる。 結晶構造が圧力によって変化する様子
- 35. Patent
- 36. 独立行政法人 産業技術総合研究所 • 色素増感太陽電池、増感色素の選定 方法 および半導体界面での光励起電子移 動速度の推定方法に基く電池設計シ ステム • 吸収スペクトルをGaussianのTD- DFT法とCPCM法により求めた。 • Density Functional Theory (DFT)/B3LYP/DGDZVP with Conductor-like Polarizable Continuum Model (CPCM)で 行い、その構造で励起状態の計算 を、Time-Dependent DFT （TD-DFT）/B3LYP/DGDZVP with CPCMで行った。 GAUSSIAN
- 37. 国立大学法人 東京大学 • 化合物又はその塩、それらの製造方法、芳香族ア ゾ化合物及び蛍光材料 • 一連の芳香族アゾ化合物（アゾアレーン誘導 体）が高い蛍光量子収率を示すことを見出し た。特に、アゾベンゼン誘導体である［２- （４-メトキシフェニルアゾ）フェニル］ビス （ペンタフルオロフェニル）ボランは、室温 溶液中での蛍光量子収率は史上最高の0.99で あった。 • 無置換アゾベンゼンの電子状態と励起エネル ギーを、Gaussian 03を用いてDFT計算およ びTD-DFT計算によりB3PW91/6-31G(d)レ ベルで求めた。 • 全てについてGaussian 03 (Revision B.01)プログラムを使用し、B3PW91交換-相 関汎関数を用いてDFTレベルで実行した。ま た、全ての計算で基底系として6-31G(d)を用 いた。遷移エネルギーは時間依存DFT (TD- DFT)法によって得られた。全ての計算におい てゼロ点エネルギーは補正していない。 GAUSSIAN
- 38. トヨタ自動車株式会社 • 材料の化学構造を同定する。 • ＮＭＲ、ＩＲ、ＭＳによる 構造解析を実施し、これに より推定された構造の中か ら、量子力学的手法を用い て構造特定した。 • Ｂ３ＬＹＰ／６－３１１＋ Ｇ（２ｄ，ｐ）モデル化学 で、ＧＩＡＯ法を計算した。 GAUSSIAN
- 39. 東レ株式会社 • 燃料電池の新技術 • 高分子電解質膜の製造方法 • クラウンエーテルを添加した電解 質高分子の微細構造を分子動力学 シミュレーションを行ない機能を 明らかにした。 • 携帯電話、パソコン、テレビ、ラ ジオ、ミュージックプレーヤー、 ゲーム機、ヘッドセット、ＤＶＤ プレーヤーなどの携帯機器、産業 用などの人型、動物型の各種ロ ボット、コードレス掃除機等の家 電、玩具類、電動自転車、自動二 輪、自動車、バス、トラックなど の車両や船舶、鉄道などの移動体 の電力供給源、据え置き型の発電 機など従来の一次電池、二次電池 の代替、もしくはこれらとのハイ ブリット電源として用いられる。 AMBER
- 40. アンスティテュ フランセ デュ ペトロール • アルカリ金属およびケイ素 の合金を気体状の水素と接 触させて、対応する水素化 物（単数種または複数種） を形成させる工程を包含す る可逆的水素貯蔵方法 • 新しいエネルギーシステム • VASP, CASTEP, GAUSSIAN による密度汎関数理論 (DFT)からエネルギーを求 めた。 VASP/CASTEP/GAUSSIAN
- 41. キヤノン株式会社 • 高効率、低電圧駆動及び高耐久 性を兼備する有機電界発光素子 • 有機電界発光素子は、透明基板 上に、上下２層の電極と、これ らの電極の間に発光層を含む一 層又は複数層の有機化合物層か らなる積層体が挟持されている。 • 有機電界発光素子は、高速応答 性、高効率、フレキシブル性を 有する次世代のフルカラーディ スプレイ技術の一つとして注目 されており、材料技術開発及び 素子技術開発が精力的に行われ ている。 • GAUSSIANの6-31Gを用いてエ ネルギーギャップとHOMO順位、 LUMO順位の計算を行い設計に 役立てた。 GAUSSIAN
- 42. キヤノン株式会社 • 有機ＥＬ素子の分子設計 • 吸収スペクトルをGAUSSIANによ る密度汎関数シミュレーション (B3LYP/６－３１＋Ｇ *)で計算し た結果、各化合物のＬＵＭＯはア セチルアセトネート配位子側に局 在し、最低３重項励起準位はＩｒ からアセチルアセトネート配位子 への遷移に帰属されることが分 かった。 • 同様の方法で相対計算値を求めた。 その結果、相対計算値（Ｉｒ（ｐ ｐｙ）3に対する相対発光強度）は ０．００５であった。 GAUSSIAN
- 43. キヤノン株式会社 • 縮合環芳香族化合物及びこれを用いた有機発光素子 • 有機発光素子は、陽極と陰極間に蛍光性有機化合物を 含む薄膜を挟持する素子である。 • 各電極から電子及びホール（正孔）を注入することに より、蛍光性化合物の励起子を生成させることにより、 この励起子が基底状態に戻る際に、有機発光素子は光 を放射する。 • 発光効率が高く、かつ耐久性がよい有機発光素子を実 現するための材料が求められている。 DFTで比較 • 有機発光素子について、その特性を測定し評価した。 素子の電流電圧特性をヒューレッドパッカード社製・ 微小電流計４１４０Ｂで測定し、素子の発光輝度は、 トプコン社製ＢＭ７で測定した。その結果、４．０Ｖ の印加電圧で、発光輝度３００ｃｄ／ｍ 2 、青色発光 が観測された。さらに、窒素雰囲気下で電流密度を３ ０ｍＡ／ｃｍ 2 に保ち１００時間電圧を印加し駆動し たところ良好な耐久性を確認した。 GAUSSIAN
- 44. merck patent gesellschaft mit beschraenkter haftung • 有機材料および電子写真装置 • 密度関数理論による占有分子 軌道をすることにより、ＨＯ ＭＯ準位推定した。 • Ｂ３ＰＷ９１/６－３１Ｇ （ｄ）を用いて、有機材料お よび共役ポリマーにおける異 シミュレーション なる単位のＨＯＭＯ／ＬＵＭ から設計された Ｏ、エネルギーギャップ、バ ンドギャップ、正孔トラップ 単位を求めた。 GAUSSIAN
- 45. 富士ゼロックス株式会社 • 粒子挙動解析方法お よび粒子挙動解析装 置並びにプログラム NAMD
- 46. パナソニック株式会社 • 高分子電解質膜の製造方法 • 活性炭のスリット細孔内のイオン伝導度 解析を第一原理分子軌道計算GAUSSIAN でＨＦ／６－３１Ｇ（ｄ）を計算するに よって静電ポテンシャルを計算し、 AMBERによる分子動力学シミュレー ションにより、活性炭のスリット細孔内 のイオン伝導度解析を行なった。 • この電気化学素子は、各種電子機器、電 気・ハイブリッド・燃料電池自動車など の自動車、その他産業機器などの電源デ バイスとして利用できる。これにより、 機器の安定動作、省エネルギーなどに多 大に寄与することができる。 AMBER/GAUSSIAN
- 47. 株式会社理論創薬研究所 • カスパーゼ−３活性阻害剤 AMBER
- 48. 住友化学株式会社 • 二次電池の正極活物質としてナトリウム複合 遷移金属酸化物が研究されている。その研究 において、二次電池の正極活物質として、よ り高い容量のナトリウム二次電池を与えるナ トリウム複合遷移金属酸化物の候補を判別す るために、ナトリウム複合遷移金属酸化物を 正極活物質として用いた二次電池を製造して 放電容量を実験で求めることが行われている。 • 高い容量のナトリウム二次電池を与える正極 活物質となるアルカリ金属複合遷移金属酸化 物の判別方法が求められていた。 • ナトリウム二次電池用正極活物質となるアル カリ金属複合遷移金属酸化物の判別方法 • 結晶構造中の原子の位置を定め、Ｇ（ｘ，ｙ， ｚ）を算出し、 • Ｇ（ｘ，ｙ，ｚ）等値面で囲まれた領域のア ルカリ金属原子を含む側にアルカリ金属原子 が３個以上含まれる最小のＧ（ｘ，ｙ，ｚ） であるＧCRITが小さい物質を選ぶ。 AMBER, CHARMM, GROMACS, NAMD, PEACH, Gaussian, GAMESS, ADF, MOPAC, SIESTA, VASP, DMol3, GULP, PHASE, ABINIT
- 49. 半導体分野 (東芝) • 高感度電子線レジストの開発（東芝） – 予測した材料が優れた特性を示し、 実際にその材料が市販された。 – 豊田中央研究所R&D レビュー Vol. 29 No. 1 ( 1994. 3 ) p.14,16
- 50. 太陽電池分野(岐阜大学） • 太陽電池開発 Global Institute of Technology ▫ CuGaSe2 とCuInSe2を用いた太陽発電材料の設計。 ▫ Journal of ELECTRONIC MATERIALS, Vol. 40, No. 11, 2011, pp2197-2208 • 設置場所ごとの太陽電池発電量予測 岐阜大学 未来型太陽光発電システム研究センター ▫ 数値気象モデルWRFのハインドキャストに基づく日 射量予測=発電量予測を行い、太陽電池パネル導入 コストと実効発電量のバランスを事前に評価出来る。 ▫ http://www1.gifu-u.ac.jp/~solar/kenkyushoukaihatsudenryou.html
- 51. 半導体分野(トヨタ自動車) • 家庭用燃料電池エネファームの開発 （固体高分子形燃料電池実用化戦略的技術開発） ▫ 物質拡散数値シミュレーション。 ▫ N.Oshima,固体高分子形燃料電池実用化戦略的技術開発 次世代技術開発 研究計画発表会／中間報告会 要旨集（平成19年度） • 水素貯蔵素材の開発（トヨタ自動車） ▫ 次世代の燃料電池自動車開発に向けて、 水素を安定的に貯蔵・取り出し容易な 新素材を予測し、開発。 ▫ Y.Kawamura, T.Matsunaga, Y.Takeda ISTCP-VII WASEDA,2011 4PP- 30
- 52. 印刷分野 (富士フイルム) • 画像保存安定性に優れる インクジェットインクの発明 – オゾンによる褪色メカニズムを解明し、 Gaussianで計算した巧みな分子設計により、 耐オゾン性、耐光性に優れるインクジェット インクを開発。 – 市販のインクジェットプリンターで広く使用 されている。 – Patent number: US7108743 – http://www.fujifilm.co.jp/corporate/news/articleffnr_0522.h tml
- 53. 建材・新素材（豊田中央研究所） • 熱電材料（豊田中央研究所） – VASPで新しい熱電材料の構造欠陥の安定 性並びに合成のしやすさを評価し、希少 元素を含まない熱電材料を開発した。 – Patent number: US2010/0147351A1
- 54. ノバルティス アーゲー • タンパク質中の高分子結合領域および凝集 しやすい領域を同定するための方法および その使用 ABINIT, AMBER, CASTEP, CPMD, CHARMM, DL_POLY, GROMACS, LAMMPS, NAMD, SIESTA, VASP, TINKER
- 55. 製品
- 78. New CPUs Released! (×４ speed up) 1. 新拡張命令セット インテル®AVX (Advanced Vector Extensions) が実現 する驚異的な計算速度 2. ８コア使用時には最大3.30GHz、１コア 使用時には最大3.80GHzにまで動作周波 数が上昇。 3. 各CPU間通信を担うインテル®Quick Pathインターコネクト (QPI) が2.5倍に、 CPUメモリ間通信のチャンネルが1.6倍に 加速 4. I/Oレイテンシーを最大30%削減
- 79. AMBER12 released！ 1. Defaultで高並列とGP/GPUを サポートし、大幅に高速化 2. 化学ポテンシャルと自由エネルギー の計算方法の精密化と高速化 3. 今まで使えなかったForce Field が使用可能に 4. 今まで扱えなかった糖鎖、脂質 （膜タンパク質）の計算可能に 5. 対応フォーマット増大と 計算準備の簡易化
- 80. 高並列高速量子化学計算
- 81. 量子多体系の非摂動論的経路積分法 (Quantum Monte Carlo, QMC)
- 82. Hamiltonian Replica Exchange Monte Carlo Simulation
- 83. ご静聴ありがとうございました。