ページの先頭です

技術動向レポート

材料科学とデータ科学の融合:Materials Informatics

材料開発の新潮流(1/2)

サイエンスソリューション部 チーフコンサルタント 加藤 幸一郎

近年、各所で“Materials Informatics(以下、MI)”が取り沙汰されている。MIは米国のMaterials Genome Initiativeを発端に世界中に広がった材料開発の新たな流れであり、材料科学とデータ科学の融合によって材料開発から実用化に要する時間・コストを大幅に削減しようという試みである。本稿では、MIに関する世界・日本の取組状況と適用事例、今後の課題について紹介する。

はじめに

材料開発は日本が得意としてきた分野であるが、近年、米国発の“Materials Informatics(以下、MI)”が大きな注目を集めており、日本の優位性が危ぶまれつつある。これまでの材料開発は、研究者個人(もしくは組織)の培ってきた経験と勘によって、新たな材料を合成し、その材料の特性を調べることよって進められてきた。また、革新的な材料については、“偶然”によって発見されたものも珍しくはなく、材料開発には属人的かつ偶発的な要素が多分に含まれている。さらに、本来必要なのは“機能・性能”であり、材料開発はその目的を達成するための手段である。したがって既存の材料開発の方向(材料を合成して機能・性能を調べる)とは逆方向(必要な機能・性能から合成すべき材料を決める)にシフトしていくことが、材料開発の高度化・高速化には不可欠である。この逆方向の材料開発を実現し、材料開発における属人性・偶発性を減少させる鍵と目されているのがMIである(図表1)。

MIは、データ科学の手法を材料開発に取り入れるものである。当然ながらデータ科学の手法を適用するためのデータが必要であるが、材料分野において一般的にビッグデータと呼ばれる規模のデータを入手することは難しく、世界中で材料分野のデータベース構築が進められている。一方、材料分野の強みとしてシミュレーションによる物性値の算出が可能である点が挙げられる。必要な機能・性能と相関のある物性値をシミュレーションで算出することができれば、データを作成することが可能である。近年のソフト・ハード両面の進展から、現実的な時間・コストでデータの作成を行える環境が整いつつあり、シミュレーションにより生成されたデータに対して各種の分析や機械学習手法を適用することがMIの1つの大きな流れとなりつつある。

MIは特に無機材料での進展が著しいが、これはまさに、ターゲットとなる材料の所望の特性・機能を特徴付ける物性値を、シミュレーションにより計算可能なレベルになってきたことが1つの大きな要因であると考えられる。原子・分子スケールの電子状態計算や分子動力学法といったシミュレーション手法によってデータを作成し、得られたデータに対してデータ科学の手法を適用する研究が盛んに行われている。一方、既存シミュレーション技術の高度化・高速化をデータ科学の手法を用いて実現しようという方向性の研究も盛り上がりを見せている。これら2つの方向性は密に関連しており後者が達成されることで大量な高精度データの蓄積が短期間で可能になることから、前者の加速に繋がると期待される。

図表1 従来手法とMI 手法の違い
図表1
(資料)各種資料に基づきみずほ情報総研作成

1. 各国での取り組み

MIに関する各国での取り組み状況を図表2に示す。米国で世界的なMIブームの先駆けとなるMaterials Genome Initiative(以下、MGI)(1)がオバマ大統領(当時)の主動で2011年からスタートした。その後、世界中でMIに関する研究開発プロジェクトが開始しており、欧州ではEuropean Center of Excellenceの一環としてNovel Materials Discovery( 以下、NOMAD)(2)が2015年から、スイス独自の取組としてMaterialsRevolution Computational Design and Discoveryof Novel Materials(以下、MARVEL)(3)が2014年から開始されている。アジア圏においても、中国及び韓国において2015年からMIに関する大型プロジェクトが開始されており、世界中でMIに関する研究開発が驚くべき早さで展開されている。

図表2 各国における主要なMI 関連プロジェクト
図表2
(資料)各種資料に基づきみずほ情報総研作成

2. 日本での取り組み

日本でも、2012年の文部科学省の新学術領域“ナノ構造情報のフロンティア開拓”を皮切りに、大型のプロジェクトが遂行されている(図表3)。科学技術振興機構(以下、JST)のイノベーションハブ構築支援事業として、物質・材料研究機構を中核とした情報統合型物質・材料開発イニシアティブ(以下、MI2I)(4)が2015年に発足し、蓄電池材料、磁性材料、伝熱制御・熱電材料という具体的なターゲット材料に対してデータ駆動型の研究手法の開発を進めると共に、産官学の研究者・技術者が研究開発の現場で活用できる情報統合型物質探索・材料開発システムの構築を進めている。

また、新エネルギー・産業技術総合開発機構(以下、NEDO)において超先端材料超高速開発基盤技術プロジェクト(以下、超超プロジェクト)(5)が2016年よりスタートしており、産業技術総合研究所に集中拠点が構築された。機能材料コンピュテーショナルデザイン研究センター(6)を中心に有機系機能性材料を対象とした材料の「構造」と「機能」を結びつけたデータ群を作り出すためのマルチスケールシミュレーション等の計算科学の技術開発が進められており、MIとの融合による革新的な機能性材料の創成・開発の加速化を目指している。超超プロジェクトにおいては、計算科学だけでなく、実際に材料を試作するプロセス技術、これまで観測出来なかった計測技術も並行して開発し、機能性材料の産業競争力の強化に貢献すべく研究開発が推進されている。

他にも、MIに関連したプロジェクトは数多く存在し、SIP 革新的構造材料(7)やJST-CRESTにおいて実験と理論・計算・データ科学を融合した材料開発の革新(8)、計測技術と高度情報処理の融合によるインテリジェント計測・解析手法の開発と応用(9)などが推進されている。

図表3 日本における主要なMI 関連プロジェクト
図表3
(資料)各種資料に基づきみずほ情報総研作成

  • 本レポートは当部の取引先配布資料として作成しております。本稿におけるありうる誤りはすべて筆者個人に属します。
  • レポートに掲載されているあらゆる内容の無断転載・複製を禁じます。全ての内容は日本の著作権法及び国際条約により保護されています。

関連情報

この執筆者はこちらも執筆しています

ページの先頭へ