研究方針

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材料機能の力学創発とデザイン
―物質に潜む無限の可能性に挑む―

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人類の文明は、常に新しい材料機能の発見とともに発展してきました。今や、高強度・高じん性の金属や高硬度のセラミックス、モーターのような電気機械的な仕事ができる圧電体から磁石に至るまで、驚くほど多種多様な機能を有する材料で溢れており、我々の生活を支える機械構造物や工業製品はいずれも性質の大きく異なる材料同士を組み合わせて用いることでその機能を引き出しています。ところが、我々がこれまでに発見し利用しているものは、物質が持ち得る機能のほんのわずか一部に過ぎません。物質には、人類がいまだ知らない無限の可能性が秘められています。

当研究室では、材料の「力学的な強さ」の根源とその法則性をミクロな観点から解明するとともに、原子や電子といった究極的ミクロ構造を意図的に制御・設計することで、これまでの常識を覆すような革新的な強度特性を材料に付与する研究を行っています。例えば、これまでに、理想強度(=材料が持ち得る理論的な最高強度)を超える強度特性を発現させることや、材料ごとに決まった「定数」であるはずの弾性定数を連続的に制御し所望の値に設計できる技術などを開発しています。また、複合物理的観点(マルチフィジックス)から、電気的・磁気的性質などの電子物性が機械的変形とリンクすることを見出し、物質に隠された未知の潜在的機能を力学的創発によって意図的に引き出すことで、次世代技術を支える革新的構造・機能材料を創出・設計する研究を行っています。
さらに、材料力学・物質科学に関する先端理論と数値解析方法の開発・高度化により、我が国の「ものづくり」を支える技術開発も行っています。

材料力学・材料強度

量子強化機構

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「理論上最強」よりもさらに強い!
―夢の「壊れない材料」を創る科学と技術開発―

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もしも壊れないくらいとても強い材料が実現できたら、どんな世界になるでしょうか?
いまの機械や構造物などの設計は全て「現在の人類が扱い得る材料の強さ」に基づいて行われています。壊れないくらい強い材料が実現できれば、全ての「ものづくり」にイノベーションが起こります。

私たちは、物質の構造的・力学的な強さを根源から解明するとともに、原子や電子といった物質の究極的構成要素を制御・設計することで、強度限界と思われた理想強度をさらに超えた革新的高強度機能を自在に付与する研究を行っています。

破壊力学

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小さな世界の破壊のルール
―究極の破壊の法則をめざして―

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マクロな材料では、材料内部に無数に存在するき裂などの微視的欠陥部に応力が集中し、不安定的に伝ぱすることで巨視的な破壊が生じます。こうしたマクロな材料に対しては、連続体近似下で導かれる「破壊力学」の考え方で破壊を予測することができます。一方で、ミクロな材料の場合にはどうでしょうか?

私たちは、電子デバイス等に利用されるナノメートル寸法の微小な材料ではこうした従来の破壊力学に基づく考え方が破綻し得ることを示しました。さらに、微小な世界でも成立する新しい破壊基準を提案し、破壊の一般的な法則を解き明かす研究を行っています。

- T. Shimada, K. Ouchi, Y. Chihara, T. Kitamura, “Breakdown of continuum fracture mechanics at the nanoscale”, Scientific Reports, Vol. 5, Article number 8596 (6 pp) (2015)
- T. Sumigawa, T. Shimada, S. Tanaka, H. Unno, N. Ozaki, S. Ashida, T. Kitamura, “Griffith criterion for nanoscale stress singularity in brittle silicon”, ACS Nano, Vol. 11, Issue 6, pp. 6271-6276 (2017)
- T. Shimada, K. Huang, L. V. Lich, N. Ozaki, B. Jang, T. Kitamura, “Beyond conventional nonlinear fracture mechanics in graphene nanoribbons”, Nanoscale, Vol. 12, Issue 35, pp. 18363-18370 (2020)

不安定性

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物質世界の「崩壊」を記述する固有値
―安定と不安定のはざま―

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物体に外力を負荷していくと変形し、やがて構造を維持することができず、破壊に至ります。また、外部電場または外部磁場を印加していくと、物質内部の電気分極あるいは磁気秩序が乱れ、元来持っていた電気的・磁気的機能を失います。これらは、物質の構造あるいは機能が外場に対して非可逆的な挙動を示す「不安定現象」です。機械構造物や電子機器を設計し安全に運用するためには、こうした構造的・機能的不安定現象が、「いつ」、「どのように」生じるかを予め知っておかないといけません。

私たちは、系の安定・不安定を示す指標を開発し、任意の物質系が任意の外場に対して「いつ」「どのように」不安定となり得るかを表す基準(不安定性クライテリオン)を提案しています。

- T. Shimada, S. Okawa, S. Minami, T. Kitamura, “Simplified evaluation of mechanical instability in large-scale atomic structures”, Materials Science & Engineering A, Vols. 513-514, pp. 166-171 (2009)
- Y. Umeno, T. Shimada, T. Kitamura, “Dislocation nucleation in a thin Cu film from molecular dynamics simulations: Instability activation by thermal fluctuations”, Physical Review B, Vol. 82, Issue 10, Article number 104108 (11 pp) (2010)
- T. Shimada, K. Ouchi, I. Ikeda, Y. Ishii, T. Kitamura, “Magnetic instability criterion for spin-lattice systems”, Computational Materials Science, Vol. 97, pp. 216-221 (2015)
- L. V. Lich, T. Shimada, J. Wang, T. Kitamura, “Instability criterion for ferroelectrics under mechanical/electric multi-fields: Ginzburg-Landau theory based modeling”, Acta Materialia, Vol. 112, pp. 1-10 (2016)


電子応力

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電子の世界の「応力」概念
―力学と物理・化学をつなぐ架け橋―

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準備中

分野融合・機能創発

マルチフィジックス

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力で「創る・描く」最先端物性
―力 と かたち が創り出す物理学最前線の材料機能―

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物質には無限の機能の可能性が秘められています。ところが、現在私たちが手にしている材料機能はそのうちのほんの僅か一部に過ぎません。どうしたら物質の可能性を引き出すことができるのでしょうか?

私たちは、材料に適切な「力」を負荷し、意図した「変形」をさせることで、物質が潜在的に持つ隠された高度な機能を引き出せることを発見しました。例えば、薄膜の局所に押し込み負荷を与えると、とても小さな磁場や電流で作用するスキルミオンと呼ばれる「特殊な情報磁石」を力学的に創り出すことができ、ビッグデータセンターの大容量化・省電力化への応用が期待されています。また、半導体にひずみを加えることで電気的性能を飛躍的に向上する技術「ひずみシリコン(Strained Silicon)」は、既に皆さんがお持ちのパソコンやスマートフォンなどの多くの半導体デイバスの設計で利用されています。同様の技術は、Playstationなどにも利用される強誘電体メモリにも利用されています。このように、「力」と「かたち」によって新しい物性を創出・設計する科学と技術を開発しています。

- T. Shimada, L. V. Lich, K. Nagano, J.-S. Wang, J. Wang, T. Kitamura, “Polar superhelices in ferroelectric chiral nanosprings”, Scientific Reports, Vol. 6, Article number 35199 (9 pp) (2016)
- K. Masuda, L. V. Lich, T. Shimada, T. Kitamura, “Topological ferroelectric nanostructures induced by mechanical strain in strontium titanate”, Physical Chemistry Chemical Physics, Vol. 21, pp. 22420-22428 (2019)
- T. Shimada, Y. Ichiki, G. Fujimoto, T. Xu, J. Wang, H. Hirakata, “Ferrotoroidic polarons in antiferrodistortive SrTiO3”, Physical Review B, Vol. 101, Issue 21, Article number 214101 (9 pp) (2020)
- Y. Wang, J. Sun, T. Shimada, H. Hirakata, T. Kitamura, J. Wang, “Ferroelectric control of magnetic skyrmions in multiferroic heterostructures”, Physical Review B, Vol. 102, Issue 1, Article number 014440 (7 pp) (2020)

ナノ構造とナノ物性

低次元ナノ構造の物性

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小さな世界の大きな物性
"There is plenty of room at the bottom" - Prof. Richard P. Feynman

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多くの材料物性は、物質の組成や組織によって一意に決まる「材料定数」と考えられてきました。ところが、ナノメートル(十億分の1メートル)スケールの物質では、たとえ同一の組成であっても、マクロな世界で我々がよく知る物性とは全く異なるものとなります。例えば、カーボンナノチューブに代表されるようならせん状(Chiral)ナノチューブ構造では、同じくらせん状の特徴を持った磁気的・電気的物性が現れることを発見しています。私たちは、こうした小さな世界の「構造と機能の相関性」法則を解き明かすことで、微細な材料物性を構造設計し、電子デバイスやマイクロ・ナノ機械の機能向上に貢献をしています。

- T. Shimada, X. Wang, Y. Kondo, T. Kitamura, “Absence of ferroelectric critical size in ultrathin PbTiO3 nanotubes: A density-functional theory study”, Physical Review Letters, Vol. 108, Issue 6, Article number 067601 (5 pp) (2012)
- T. Shimada, J. Okuno, T. Kitamura, “Chiral selectivity of unusual helimagnetic transition in iron nanotubes: Chirality makes quantum helimagnets”, Nano Letters, Vol. 13, Issue 6, pp. 2792-2797 (2013)
- T. Shimada, T. Xu, Y. Uratani, J. Wang, T. Kitamura, “Unusual multiferroic phase transitions in PbTiO3 nanowires”, Nano Letters, Vol. 16, Issue 11, pp. 6774-6779 (2016)
- T. Xu, T. Shimada, Y. Uratani, X. Wang, J. Wang, T. Kitamura, “Multiferroic phases and transitions in ferroelectric lead titanate nanodots”, Scientific Reports, Vol. 7, Article number 45373 (8 pp) (2017)

格子欠陥機能

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格子欠陥で創る「一億分の1」の世界の機械
―極小の機能材料を目指して―

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巨大な機械構造物とは対照的に、小さな機械であるナノマシン(例えば、患部に薬を届けるドラッグデリバリーや機器内部の破損箇所を修復するナノマシン)も夢の機械の一つでしょう。ナノマシンを作るには、究極的に小さく、かつ、物質内を自在に動き回って所望の仕事ができるような機構が不可欠です。

私たちは、き裂やボイド、原子空孔や転位など材料機能を劣化させたりする「悪役」として永く忌避されてきた欠陥にスポットライトをあて、これまでの常識にとらわれない新しい視点から欠陥を研究することで、欠陥が従来材料にない機能を持ち、物質中を自在に動き回って様々な有益な仕事をする「究極のナノマシン」へと創り変わることを発見しました。例えば、原子空孔が外部電場や磁場によって機械駆動する「原子スケールのナノマシン」として働くことや、転位の集合組織がANDやNORといった「原子サイズの論理演算回路」として機能すること、結晶粒界が原子厚さの磁性薄膜として記憶素子などに利用できることなど、いずれも常識からは不可能と思われてきたことを覆す発見をしています。

- T. Shimada, J. Wang, T. Ueda, Y. Uratani, K. Arisue, M. Mrovec, C. Elsässer, T. Kitamura, “Multiferroic grain boundaries in oxygen-deficient ferroelectric lead titanate”, Nano Letters, Vol. 15, Issue 1, pp. 27-33 (2015)
- T. Shimada, J. Wang, Y. Araki, M. Mrovec, C. Elsässer, T. Kitamura, “Multiferroic vacancies at ferroelectric PbTiO3 surfaces”, Physical Review Letters, Vol. 115, Issue 10, Article number 107202 (5 pp) (2015)
- T. Xu, T. Shimada, Y. Araki, J. Wang, T. Kitamura, “Multiferroic domain walls in ferroelectric PbTiO3 with oxygen deficiency”, Nano Letters, Vol. 16, Issue 1, pp. 454-458 (2016)
- T. Shimada, T. Xu, Y. Araki, J. Wang, T. Kitamura, “Multiferroic dislocations in ferroelectric PbTiO3”, Nano Letters, Vol. 17, Issue 4, pp. 2674-2680 (2017)

技術開発

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支配方程式で旅する広大な物質空間
―物質世界を記述する力学理論と解析技術開発―

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世界最初の電子計算機ENIACが開発されて以降、コンピューターの演算能力は飛躍的発展を遂げました。今や数値シミュレーションによって現実世界の様々な現象を再現できるまでに至り、世界的に競争が加速する研究開発・製品設計に不可欠な科学・工学ツールとなっています。今後、AIや機械学習・深層学習などの情報科学技術と結びつくことで数値シミュレーション技術はあらゆる産業分野でますますその重要性を高めていくことでしょう。

私たちは、物質を構成する原子の配列や電子の結合状態を解析する分子動力学や第一原理量子力学解析、材料組織や欠陥構造を解析するフェーズフィールド法などのメゾスケール手法、応力場・ひずみ場からマクロ形状を設計する有限要素法などの先端理論解析技術を併用・統合することで、ナノ~マクロの視点から強度と機能の支配法則を解明するとともに、全スケールから物質機能を統合的に創出・設計する技術を開発しています。