東北大学多元物質科学研究所

Institute of Multidisciplinary Research for Advanced Materials, Tohoku University

第1部会
共同利用・共同研究拠点

研究所・センターの概要

所長
福山　博之
Fukuyama, Hiroyuki

キーワード: 多元物質科学、有機・無機ハイブリッド材料、プロセスシステム・デバイス工学、先端計測技術開発、ソフトマテリアル、ネットワーク型共同研究拠点
住所: 〒980-8577
宮城県仙台市青葉区片平2-1-1

多元物質科学研究所(略称：多元研)は、70年の歴史を持つ旧3研究所(選研・素材研、科研、非水研・反応研)を融合させ、多元物質科学に関する基礎と応用の先端的研究を推進し、本学4研究科(工学研究科、理学研究科、環境科学研究科、生命科学研究科)と協力し、次世代を担う若者の教育研究活動を行い、世界的視点から思考できる指導的人材を育成し、地域と世界に貢献することを使命としております。さらに、北海道大学電子科学研究所、東京工業大学科学技術創成研究院生命科学研究所、大阪大学産業科学研究所、九州大学先導物質化学研究所と共に、大学の枠を越えた日本を縦断するネットワ－ク「物質・デバイス領域共同研究拠点」を形成し、新しいタイプの共同利用研究所としての活動をしています。

令和5年度の研究活動内容及び成果

接着と剥離のメカニズムを計測と計算の融合で分子レベルから解明 – 複合材料軽量化や解体性向上で低炭素・循環型社会に貢献 –

異種材料間の接着強度や剥離性能を自在に制御するためには、有機材料（接着剤）と無機材料の間の接着・剥離現象を分子レベルから理解する必要があります。しかし、無機材料の“表面化学状態”が接着剤の分子構造や接着強度に与える影響については、今日まで十分に理解されていませんでした。
本研究所の陣内浩司教授とファインセラミックスセンターらのグループは、新規に開発した接着強度試験法に加え、最先端の電子顕微鏡計測と分子シミュレーションを融合的に用いることで、無機材料の表面化学状態が接着剤の化学組成や分子構造などに与える影響を分子レベルから解明することに初めて成功しました。本研究により接着界面近傍の分子構造と巨視的物性との相関が明らかになり、耐久性に優れた複合材料や環境負荷の小さい接着技術の開発、ひいては持続可能な社会の実現に貢献すると期待されます。
“Effect of Inorganic Material Surface Chemistry on Structures and Fracture Behaviours of Epoxy Resin”，Nature Communications
DOI：10.1038/s41467-024-46138-6

図. 本研究で対象とした接着界面の模式図

機械学習で迅速に有効な新規抗菌薬候補分子を見つける新技術を開発 ─これまで報告された膨大な候補分子情報を記述子に変換利用─

新しい抗菌薬の開発は、薬剤耐性菌（AMR）に対抗するため常に必要とされています。しかし開発コストの上昇などといった昨今の開発環境の悪化による開発ペースの低下が問題になっています。
本研究所の笠井均教授と中辻博貴助教（研究当時株式会社コンポン研究所）らによる共同研究グループは、分子の置換基情報のみを用いた記述子（Combined substitute number: CSN）による情報処理技術の利用を提案しました。過去の抗菌薬候補分子の情報を本記述子に変換して機械学習を行うことにより、情報収集コストと計算コストを大きく低減した上で有意な抗菌活性の予測モデルを構築することに成功しました。また本記述子を用いることで、可能性の高い約3200万個の候補分子も容易に提案することができました。実際に予測の傾向と実験結果はよく一致しており、本手法の有効性が明らかになっています。
“Combined Substituent Number Utilized Machine Learning for the Development of Antimicrobial Agent”，Scientific Reports
DOI：10.1038/s41598-024-53888-2

図. (a) 分子記述子（Combined substitute number: CSN）を用いた機械学習によるモデル構築 (b) 未知の抗菌薬候補分子の提案と抗菌活性予測

社会との連携

地域連携活動

地域社会との連携や交流の促進を目的として、宮城県・仙台市の主催事業を中心とした各種教育イベントに積極的に参画しております。

7月～8月にはみやぎ県民大学開放講座を開催し、延べ108名に受講いただきました。「ナノ材料の不思議と魅力」と題し、6名の教授により全6回の講義が行われました。講義を通じてナノ材料が私たちの生活のどこかで確実に役に立っていることを参加者に学んでいただきました。

8月には夏休み大学探検とせんだい職人塾「親子ふれあい探検隊」を開催しました。夏休み大学探検では、仙台市内の中学生27名へ「ナノってなんナノっ？」と題し、クイズを交えた分かりやすい講義と実験機器を用いて金ナノ粒子を合成する実験がありました。せんだい職人塾では本研究所のガラス工場に6組の親子を招き、技術職員のデモンストレーションを見学した後、ガラス細工でマドラー作りを体験していただきました。参加者からは盛んに質問がされたりと、反響をいただきました。

また、体験型・対話型の科学イベントである、学都「仙台・宮城」サイエンス・デイについても例年出展しております。

７月に開催された学都「仙台・宮城」サイエンス・デイには、国際放射光イノベーション・スマート研究センター（SRIS）と合同で「多元研・SRISサイエンスワールド」と題して5つの体験ブースや講座プログラムを出展しました。子どもから大人まで多くの方に来場いただき、五感を通して「ナノ」や「科学」の世界を感じていただきました。