久保研究室

ポスト「京」萌芽的課題「基礎科学の挑戦」

東北大学久保研究室(マルチフィジックス・マルチスケールシミュレーション)では研究室見学、相談を随時受け付けています。

研究概要

マルチフィジックス計算科学シミュレーション技術の開拓

   世界的に早急な対策が求められているエネルギー・環境問題の解決、さらには安全・安心社会の実現のためには、燃料電池、太陽電池、クリーンエネルギー、マイクロマシン、トライボロジー、電気自動車、航空・宇宙機器、発電プラント、水素ステーション、エレクトロニクスなどの多様な研究分野において、先進的な超精密・超小型化システム、革新的な高機能・高性能材料の開発が強く求められています。
   特に、超精密化、超小型化が急速に進む近年のシステム技術・材料技術は、「摩擦、衝撃、応力、流体、光、電子、熱、電場、磁場、化学反応」などが複雑に絡みあったマルチフィジックス現象であるため、従来の機械工学分野で活用されてきた連続体力学シミュレーションでは全く対応できていません。そこで久保研究室では、次世代の革新的なシステム技術・材料技術を創造するために、世界に先駆けて第一原理分子動力学法に基づくマルチフィジックス計算科学シミュレーション技術の開発を推進しています。さらに、開発した新規シミュレーション技術の活用により、燃料電池、太陽電池、クリーンエネルギー、マイクロマシン、トライボロジー、電気自動車、航空・宇宙機器、発電プラント、水素ステーション、エレクトロニクスなどエネルギー・環境に係わる様々な研究分野において、理論に基づく高精度かつ高速なシステム設計・材料設計の実現を目指しています。

マルチスケール計算科学シミュレーション技術の開拓

   例えば、次世代エネルギーシステムとして期待される燃料電池は、機械工学、連続体力学、電気化学、表面科学、触媒工学、化学工学などの総合技術であり、ナノ材料の機能・性質がマクロスケールでの電池性能、寿命特性に影響を及ぼす顕著な例です。そのため燃料電池においては、電子・原子レベルからマクロスケールまでのマルチフィジックス現象の理解が不可欠の課題となっています。また、省エネルギー・環境問題への貢献が急務の課題であるトライボロジーシステムでは、電子・原子レベルの化学反応がメートルスケールの摩擦機能・潤滑特性に大きな影響を及ぼします。さらに、超精密化・超小型化の促進が要求されるマイクロマシン・MEMSでは、プラズマエッチングなどの超精密ナノ加工から機械特性までの広範なマルチフィジックス現象の理解が必須課題となっています。
   そこで久保研究室では、電子・原子レベルの第一原理分子動力学シミュレーション、SCF-Tight-Binding分子動力学シミュレーションから、マクロスケールの連続体力学シミュレーションまでの幅広いシミュレーション技術を融合したマルチスケール計算科学シミュレーション技術の開発を推進しています。これにより、従来は不可能であった電子・原子レベルからμメートル・メートルレベルまでの幅広いスケールでの統合的なシステム設計・材料設計の実現を目指しています。さらに、これら研究成果をエネルギー問題・環境問題の解決、安全・安心社会の実現、さらには日本発の産業創出のために広く展開しています。

新規シミュレーション技術の応用課題

   久保研究室では、具体的な研究課題として、下記の多様なシステム・材料へのマルチフィジックス計算科学シミュレーション・マルチスケール計算科学シミュレーション技術の応用を推進しており、その研究成果を活用して、理論に基づく高度システム開発・材料開発の実現に取り組んでいます。

  • 航空・宇宙機器・自動車用トライボロジーシミュレーション
  • 燃料電池シミュレーション、水素製造・貯蔵シミュレーション
  • マイクロマシン・MEMSシミュレーション
  • 太陽電池、自動車用二次電池シミュレーション
  • シリコン・ダイヤモンド半導体デバイスシミュレーション
  • プラズマディスプレイ・フレキシブルディスプレイシミュレーション
  • 酸化物エレクトロニクス、発光・レーザー素子シミュレーション
  • 超精密ナノ加工・機械加工・材料合成プロセスシミュレーション
  • 発電プラントにおける応力腐食割れ・水素脆化割れシミュレーション
  • 光触媒・環境触媒シミュレーション

久保研究室の目標

   久保研究室では、マルチフィジックス計算科学シミュレーション・マルチスケール計算科学シミュレーション技術の開拓と発展を通して、エネルギー、環境、社会、産業への貢献を目標としています。特に、国内外の大学の研究者との共同研究・連携に加えて、自動車、電力、重工業、機械、プラント、エレクトロニクス、家電、ガス、材料、金属、化学などの多様な国内企業、海外企業との共同研究・連携を活発化することで、理論に基づく高精度かつ高速なシステム開発・材料開発を現実のものとし、エネルギー問題・環境問題の解決、安全・安心社会の実現、日本発の新規産業の創生などに貢献できるシミュレーション技術の確立を目指しています。