マルチスケール計算科学・マルチフィジックス計算科学シミュレーション

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、航空・宇宙機器、電気自動車、トライボロジー、構造材料、マイクロマシン、太陽電池、エレクトロニクス、リチウムイオン電池、レーザー発光素子、金属加工・機械加工、磁性体、半導体プロセス、クリーンエネルギー、発電プラント、水素ステーションなどの多様な研究分野において、先進的な超精密・超小型化システムの開発、さらには革新的な高機能・高性能材料の開発が強く求められています。

ここで、世界に先んじた次世代システム技術・材料技術を創造するためには、【個別のスケールの理解】だけでは不十分であり、【ナノスケールの化学反応や元素の機能】、【メゾスケールの組織構造や材料の複合化】、【マクロスケールの熱や流体】など、多様なスケールがお互いに助けあいながら、協奏的に機能することで、全体として卓越した機能・性能を創出するためのシステム設計・材料設計が必須であり、それを可能とするマルチスケール計算科学技術の確立が重要です。特に久保研究室では、多様なスケールが協奏しながら、お互いに助けあうことで、全体として卓越した機能・性能を創出することを「マルチスケール協奏現象」と名付けており、「マルチスケール協奏現象」の理論的設計技術の推進が、計算科学シミュレーション技術の発展にとって最重要課題であると提案しています。

さらに、高度化・超精密化が急速に進む近年のシステム技術・材料技術は、「化学反応、摩擦、衝撃、応力、流体、光、電子、熱、電場」などが複雑に絡み合ったマルチフィジックス現象であるため、【個別の現象の理解】だけでは不十分であり、「化学反応、摩擦、衝撃、応力、流体、光、電子、熱、電場」など、多様な現象がお互いに助け合いながら、協奏的に機能することで、全体として卓越した機能・性能を創出するためのシステム設計・材料設計が必須であり、それを可能とするマルチフィジックス計算科学技術の確立が重要です。特に久保研究室では、「化学反応、摩擦、衝撃、応力、流体、光、電子、熱、電場」などの多様な現象が協奏しながら、お互いに助けあうことで、全体として卓越した機能・性能を創出することを「マルチフィジックス協奏現象」と名付けており、「マルチフィジックス協奏現象」の理論的設計技術の推進が、計算科学シミュレーション技術の発展にとって最重要課題であると提案しています。

具体的に久保研究室では、世界に先駆けてマルチスケール計算科学シミュレーション技術、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することで、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に貢献する新たなシステム設計・材料設計技術のイノベーションの実現を目標としています。特に久保研究室では、東北大学金属材料研究所のスーパーコンピュータ「MASAMUNE-IMR」と日本のフラッグシップスーパーコンピュータ「富岳」を活用することで、従来は有限要素法・流体力学・フェーズフィールド法などのマクロスケールシミュレーション手法の研究対象と考えられてきたμメートルスケール規模の構造モデルに対して、全原子シミュレーションによる100億原子を越える超大規模計算を可能としてきました。これにより、【ナノスケール、メゾスケール、マクロスケール】が、お互いに助け合いながら協奏的に相互作用することで、どのようにシステム全体として卓越した機能・性能を創出しているのかを解明可能とする「ゲームチェンジ」を実現する超大規模スーパーコンピューティング計算科学技術の開発を推進しています。

具体的には、下記に示す多様な研究課題を推進することにより、理論に基づく高度システム設計・材料設計の実現を目標としています。

• 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
• 大規模発電用・家庭用燃料電池シミュレーション
• 金属材料の亀裂生成・亀裂進展・応力腐食割れシミュレーション
• 自動車用燃料電池シミュレーション
• 金属加工・機械加工シミュレーション
• 電気自動車用リチウムイオン電池シミュレーション
• 化学機械研磨シミュレーション
• 航空機用高分子複合材料シミュレーション
• 半導体・MEMSプロセスシミュレーション
• 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
• 太陽電池シミュレーション
• 環境触媒・光触媒シミュレーション