計画研究概要

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A01

高密度水素による超機能材料の合成

水素の高密度凝集機能の高度化と他の水素機能との融合により、従来の水素密度の限界を突破した新たな水素クラスター等を合成する。これにより高次水素機能を誘起して、価電子帯の低エネルギー領域に埋もれている水素の電子軌道をフェルミ面付近まで上昇させること、および水素クラスターの高速移動・高速回転等を誘起することにより、領域全体で連携して水素化物超伝導・超イオン伝導材料等の超機能材料を合成する。

高圧合成・高圧水素化装置(固体圧力系)
高配位水素クラスターを含む高密度水素化物

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A02

局在水素によるヘテロ界面機能の強化

水素の局在界面機能の高度化と他の水素機能との融合により、局所応力・バンドベンディング等を制御して水素を高精度に配置したヘテロ界面を創製する。これにより高次水素機能を誘起して、特異な界面電子状態を発現させることにより、領域全体で連携して水素化物エレクトロニクスデバイスの原理実証や太陽電池・高強度鋼の特性強化を図る。

金属・無機系薄膜作製装置の概念図
水素化物エピタキシャル薄膜作製条件の最適化

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A03

1:高速移動水素による次世代創蓄電デバイスの設計

水素の高速移動機能の高度化と他の水素機能との融合により、高分子・金属材料等での水素の移動現象を格段に促進する。これにより高次水素機能を誘起して、材料内部および界面におけるプロトン伝導や多電子移動過程を自在に制御することにより、領域全体で連携して次世代創蓄電デバイスを設計する。

高密度凝集したプロトンの高速移動
水素貯蔵性高分子材料

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2:高速・局所移動水素と電子とのカップリングによる新発想デバイスの設計

水素の高速移動機能の高度化と他の水素機能との融合により、高速かつ局所移動する多様な水素種と電子とのカップリングやヒドリド超イオン伝導性を格段に強化する。これにより高次水素機能を誘起して、低分子有機系・無機系・生体系材料での材料内部およびヘテロ界面における機能を制御することにより、領域全体で連携して新発想デバイスを設計する。

水素ー電子カップリングによる電気伝導性スイッチングユニット
ヒドリド超イオン伝導材料を利用した新発想デバイス

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A04

高活性水素の精密制御による新規反応プロセスの創出

水素の反応プロセス促進機能の高度化と他の水素機能との融合により、多様な水素種を効果的に高活性化・精密制御できる反応場を構築する。これにより高次水素機能を誘起して、温和な条件における活性水素種の発生と変換を実現する新しい触媒系反応場を階層的に構築し、領域全体で連携して活性水素種に応じた有用物質への新規物質変換プロセスを創出する。

構造制御された合金系ナノ粒子触媒
階層的な触媒系反応場での新規物質変換反応プロセス

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A05

1:水素の先端計測による水素機能の高精度解析

多様な水素種の多様な状態に対する最先端オペランド計測技術を確立、それを駆使して材料中では検出困難な水素の絶対濃度分布や原子配列構造、各種ダイナミクスを系統的に解析する。更に、A01~A04およびA05-2の計算情報等とも融合して水素データ同化技術を確立することで、領域全体で連携して革新的材料・デバイス・反応プロセスの創成について格段の効率化を図る。

各種先端ビームを用いた水素化物の解析
核反応(上)および中性子散乱(下)プロファイル

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2:水素の先端計算による水素機能の高精度予測

多様な水素種の多様な状態に対する第一原理電子状態計算技術を開発、A01~A04およびA05-1の計測情報等とも融合して統計数理科学の手法のひとつとしての水素データ同化技術を確立する。これにより材料中での水素の絶対濃度分布や原子配列構造、各種ダイナミクス等を高精度に決定、水素機能の発現機構の解明や予測技術の高精度化を実現することで、領域全体で連携して革新的材料・デバイス・反応プロセスの創成について格段の効率化を図る。

データ同化の概念図
ペロブスカイト型誘電体中の水素の電子状態

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マネージメントサポート担当
佐藤(東北大学・折茂研究室)

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