image: The simplification of a carbon network. The carbon network can be replaced with balls and spring for simplification. view more
Credit: Kotani et al
3次元の立体的構造を持つカーボンネットワークは、平面構造を持つ2次元グラフェンシートを曲げることで形成され、シートをうまく曲げると2次元グラフェンとは異なる優れた特性を持つことが知られています。しかし、3次元のカーボンネットワークがなぜ優れた特性を示すのかは系統的に理解されておらず、局所構造と材料全体の特性を結び付けた網羅的な理解が必要とされています。
東北大学材料科学高等研究所の小谷元子教授らの研究グループは、カーボンネットワークをバネで連結された数理モデルとみなし、構造を単純化することで、従来法よりも10億倍速いシミュレーション計算時間で貴金属を使用しない優れた触媒の設計法を見出しました。数学によって提案されたカーボンネットワークを実験的に作製し、その触媒能力を検証することで、数学を用いた材料設計の有用性を実証しました。
本研究成果により、局所構造が持つ幾何学構造の歪みや不安定性などの、これまで難しかった数値化が可能となり、それらが全体の特性に与える影響の理解が可能となりました。この数学手法と従来手法を相補的に組み合わせた大規模シミュレーションと様々な用途への展開が可能な材料開発が進むことが期待されます。
本研究は国際科学雑誌「Carbon」に2021年6月4日（現地時間）付けでオンライン掲載されました。
Journal
Carbon