マルチスケール計算科学
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、第一原理計算による化学反応や元素の機能の理解、流体力学による熱や流体の理解など、これまでの計算科学技術の応用の主流であった【個別のスケールにおける個別の現象の理解】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課題であると、久保研究室では提案をしています。
ここで、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重要テーマであると提唱しています。
例えば、次世代エネルギーシステムとして期待されている固体高分子形燃料電池では、ナノスケールでは触媒を構成する元素や炭素担体の表面終端、メゾスケールでは炭素担体の細孔構造やアイオノマーの被覆構造、マクロスケールでは炭素担体粒子の凝集構造や酸素・水素の流動など、多様なスケールがお互いに助け合いながら、協奏的に機能することで最大性能を創出することが期待されます。
一方、摩擦・摩耗・潤滑に関するトライボロジー分野に関しては、ナノスケールでは摩擦材料の元素や摩擦化学反応により生成する潤滑膜、メゾスケールでは表面に作製するテクスチャや複合構造、マクロスケールでは流動制御や荷重制御など、多様なスケールがお互いに助け合いながら、協奏的に機能することで、 最大性能の潤滑性・低摩擦・低摩耗などを創出することが期待されます。
これに対して計算科学分野では、従来は第一原理計算でナノスケールを計算し、この情報を基に分子動力学法でメゾスケールを計算し、さらにその情報を基に有限要素法でマクロスケールを計算するといった積み上げ方式のマルチスケール計算科学技術が活用されてきました。しかしこの方法論では、マクロスケールの現象によってメゾ構造が変化したり、メゾスケールの現象によってナノ構造が変化する現象を解明できない不完全性が大きな問題点として指摘されてきました。さらに久保研究室では、上記の積み上げ方式のマルチスケール手法では、ナノ・メゾ・マクロの異なるスケールがお互いに助け合いながら協奏的に最大性能を創出する【マルチスケール協奏現象】を解明できない問題があり、それを解決することが重要課題であると提案してきました。
そこで久保研究室では、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」を活用し、世界に先駆けて第一原理分子動力学法、密度汎関数Tight-Binding分子動力学法、反応分子動力学法、粗視化分子動力学法などの多様な計算科学シミュレーション手法に基づく超大規模シミュレーションの実現により、超大規模モデルの中にナノ・メゾ・マクロをすべて混在させることで、【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】が協奏的に機能することで最大性能を創出する方法論を提案可能なマルチスケール計算科学手法の確立と、それに基づくマルチスケール計算科学技術の新たなパラダイムシフトの創出を目標としています。
マルチフィジックス計算科学
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、安全・安心社会の実現のためには、航空・宇宙機器、電気自動車、燃料電池、太陽電池、トライボロジー、エレクトロニクス、マイクロマシン、半導体、磁性体、リチウムイオン二次電池、精密加工、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、革新的な高機能・高性能材料、先進的な超精密・超小型化システムの開発が強く求められています。これに対し久保研究室では、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、第一原理計算による化学反応や元素の機能の理解、流体力学による熱や流体の理解など、これまでの計算科学技術の応用の主流であった【個別の現象の理解】だけでは不十分であることを提案してきました。さらに、「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フィジックス計算科学技術の確立が重要課題であると、久保研究室では提案をしています。
ここで、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重要テーマであると提唱しています。
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、密度汎関数Tight-Binding分子動力学法、反応分子動力学法、粗視化分子動力学法などの多様な計算科学シミュレーション技術を発展させ、「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を解明可能なシミュレータを独自に開発することで、理論に基づく次世代のシステム設計・材料設計を推進しています。
具体的に久保研究室ではこれまでに、従来の計算科学シミュレーション技術では明らかにすることができなかった
- 「流体と電位と化学反応」が複雑に絡み合ったマルチフィジックス現象の解明による、燃料電池・リチウムイオン二次電池分野におけるパラダイムシフト
- 「摩擦と流体と化学反応」が複雑に絡み合ったマルチフィジックス現象の解明による、摩擦・摩耗・潤滑に関するトライボロジー分野におけるパラダイムシフト
- 「衝撃と拡散と化学反応」が複雑に絡み合ったマルチフィジックス現象の解明による、材料合成・材料加工分野におけるパラダイムシフト
- 「応力と流体と化学反応」が複雑に絡み合ったマルチフィジックス現象の解明による、応力腐食割れ・水素脆化割れなどに関する構造材料分野におけるパラダイムシフト
などを実現してきました。
久保研究室では、特に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」を活用し、複雑なマルチフィジックス現象を解明可能なシミュレータを独自に開発することで、「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的に機能することによって最大性能を創出する方法論を提案可能なマルチフィジックス計算科学手法の確立と、それに基づくマルチフィジックス計算科学技術の新たなパラダイムシフトの創出を目標としています。
超大規模スーパーコンピューティング計算科学
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、第一原理分子動力学法、密度汎関数Tight-Binding分子動力学法、反応分子動力学法、粗視化分子動力学法などの多様な計算科学シミュレーション手法に基づく超大規模スーパーコンピューティング計算科学技術の実現を可能としてきました。
例えば、独自に開発した化学反応を考慮可能な全原子分子動力学シミュレータによって、最大で100億原子を超える超大規模系の化学反応ダイナミクスシミュレーションを可能としてきています。久保研究室では、このような超大規模分子動力学計算を実現することで、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μｍスケール規模の構造モデルに対して、化学反応をも考慮可能な全原子シミュレーションの応用を可能としてきました。これにより、μｍスケール規模の超大規模構造モデルの中で、【ナノスケールで起こる化学反応や各元素の機能】に加えて、【メゾスケールの組織構造や材料の複合化】、さらには【マクロスケールの熱や流体】などが、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」を実現してきました。
具体的な成功例としては、久保研究室ではこれまでにスーパーコンピュータを活用した超大規模計算の実現により、
- 固体高分子形燃料電池分野において、「元素の設計」から「元素に頼らない触媒層構造の設計」へのゲームチェンジ
- トライボロジー分野において、「摩擦シミュレーション」から「化学摩耗・機械摩耗シミュレーション」へのゲームチェンジ
- 金属材料分野において、「亀裂進展シミュレーション」から「応力腐食割れシミュレーション」へのゲームチェンジ
- 高分子材料分野において、「一次構造シミュレーション」から「ラメラ構造シミュレーション」へのゲームチェンジ
- 固体酸化物形燃料電池分野において、「触媒反応シミュレーション」から「触媒層構造の破壊シミュレーション」へのゲームチェンジ
- トライボロジー分野において、「摩擦界面シミュレーション」から「軸受シミュレーション」へのゲームチェンジ
などを具体化してきました。
久保研究室では、常に「超大規模計算が可能になると何が新たな研究対象になるのか」を研究戦略として、計算科学シミュレーションの「ゲームチェンジ」を目標に研究を推進しています。
