マテリアル工学科 Department of Materials Engineering

日常・非日常な“モノ”に
新鮮な魂を吹き込む統合の工学

私たちは、金属、セラミックス、有機材料など目的に応じた特性の材料を使い分けています。
経験と理論に裏打ちされたレシピを基に、様々な物質を組み合わせて魂を吹き込むことで材料が誕生します。魂とはそれぞれの材料が使命を果たすための機能や特性のことで、その信頼性や革新が陰日向となって文明の発展をもたらしてきました。
つまり、現代の物質文明の基礎はマテリアルである、ともいえます。
マテリアル工学科では、あらゆる物質・材料を研究対象とし、あらゆる科学技術を下支えしながら進化する“統合の工学”として、研究を行っています。

“マテ工”ならではの最先端ネットワーク

コースの説明図

マサチューセッツ工科大学(MIT)との交換留学制度(学部生対象/半年)や学生ワークショップ(清華大−ソウル大−東大)をはじめ、学生・教員の派遣・受入や世界的な研究者を招いての講演・セミナー、共同ラボ(UTLAB)の設立など、海外とのネットワークを生かした学びができる。

修士課程修了後の進路

工学全般を支える領域ということもあり、民間企業からのニーズが高く、修士課程修了者の半数以上が製造業に就職する傾向にある。このほか、大学や研究機関などのアカデミズム領域にも多数就職する。

修理過程修了後の進路のグラフ

主な勤務先:新日鐡住金、JFEスチール、日立製作所、三菱重工業、トヨタ自動車、東レ、日産自動車、三菱商事、アステラス製薬ほか

3年生の時間割例「S1S2」
※破線の上がS1、下がS2

時間割の図

マテリアル工学科のカリキュラムの特色は、学生の志望分野とカリキュラムの関係を明確にし、将来を考えやすいようコース制となっている。3年生で基礎と応用を学び4年生で総括し、マテリアルを応用する上での俯瞰的な知識体系を完成させる。

世の中をマテリアルという視点で見わたす術が身につく

 マテリアル工学科では、志望分野とカリキュラムの関係を明確にしたコース制を導入しています。2年A1A2時期を基礎・導入期間と位置づけ、3年S1S2からは「バイオマテリアルコース」「環境・基盤マテリアルコース」「ナノ・機能マテリアルコース」の応用科目も始まり、研究対象となるマテリアルについて基礎と応用に関する講義を受けます。そして4年S1S2の講義で総括し、マテリアルを応用する上での俯瞰的な知識体系が完成するように設計されています。
 こうして個々のマテリアルの特色や用途を様々な切り口で学ぶとともに、未踏領域へ踏み出すために欠かせない基礎と根本的に考える能力を養うことが可能なカリキュラムとなっています。また、選択コースの科目を履修した上で、他のコース科目を自由に履修することも可能。
 自由度の高いカリキュラムになっている理由は、学生が自分の将来をイメージしやすいようにするためです。既に志望分野を持っている人には具体的に進むべき道を示し、決まっていない人には最適な選択の手助けになるはずです。
 本学科のもう一つの特徴は、マサチューセッツ工科大学(MIT)やケンブリッジ大学といった世界でも有数の大学との教育・研究ネットワークを生かして、3年生からでも海外遠征があること。将来の活躍の場をグローバルに考えている学生にも好評を得ています。

澁田靖准教授

マテリアル工学科のサーバールームで澁田靖准教授

スーパーコンピューターで
材料開発の効率化・最適化を実現

マテリアル工学は、すべての工学の基礎となる材料を研究対象とした分野だ。澁田研究室では、スーパーコンピューターを使ったコンピューター・シミュレーションにより、材料を構成しているすべての原子の運動について運動方程式を解くなどして、材料の生成プロセスを原子レベルで再現する研究に取り組んでいる。

[澁田研究室] 澁田靖准教授

スーパーコンピューターを使ったシミュレーションにより、金属材料やカーボンナノチューブなどの生成プロセスを原子レベルで再現しています。材料開発の最適化や高効率化を実現するのが目標です。

http://www.mse.t.u-tokyo.ac.jp/

 これまで金属材料の開発といえば、技術者の勘と経験に頼ってきた部分が大きかった。
 例えば、アルミニウムに銅や亜鉛などを加えた合金は、高強度かつ軽量であることから、自動車や飛行機の燃費向上に貢献するとして需要が高まっている。合金は加える金属の種類や量や比率によって特性が違っていく。しかしその詳細なメカニズムは分かっておらず、新たなアルミニウム合金を開発するにしても、試行錯誤を繰り返すしかないのが現状だった。

コンピューターの性能向上で高まる実用性

 これに対し、スーパーコンピューターを使ったシミュレーションで、材料の生成プロセスを原子レベルで再現しようとするのが澁田靖准教授だ。
 「シミュレーションの利点は主に2点あります。1つは、実験では見ることができない生成プロセスを見ることができること。もう1つは、生成プロセスの最適条件を効率良く見つけ出すことができることです」
 澁田准教授が研究しているのが分子動力学と呼ばれるシミュレーションの計算手法だ。材料を構成しているすべての原子の運動について、運動方程式を解くことで、材料の生成プロセスを再現できる。
 例えば、初期条件として原子の位置や速度、原子間に働く力などを与える。すると時間の経過とともに、勝手に原子同士が作用し、結晶が生成され成長していく。生成プロセスを、原子レベルで1兆分の1秒単位で詳細に見ることができる。初期条件を変えていくことで、最適な生成方法を見つけ出すことができる上、生成メカニズムの解明にもつながる。
 澁田准教授にとって転機となったのが、2011年に東京工業大学と京都工芸繊維大学のチームが、東工大のスーパーコンピューター「TSUBAME」を使って世界で初めて、融けた合金が凝固して結晶化するプロセスをシミュレーションにより詳細に再現することに成功したことだ。
 「金属は融かして冷やし固めると、凝固プロセスでデンドライト(樹枝状結晶)を析出します。これを高精度に制御することが、金属材料分野の重要課題です。広範囲にわたるデンドライト競合成長プロセスが世界で初めて再現されたことで、高精度制御の方法を確立するきっかけが生まれたのです」と澁田准教授。

分子動力学シミュレーションで計算したA(r アルゴン)218の原子 挙動と1原子の軌跡

純金属が液体から固体に変わるプロセスを再現

 TSUBAMEはCPU(中央演算装置)に加えてGPU(画像処理演算装置)という画像処理に特化したプロセッサーを大量に搭載しているのが特徴だ。澁田准教授が想定していた分子動力学による材料の生成プロセスのシミュレーションでは、約10億個の原子を扱う必要があったが、既存のハイパフォーマンスコンピューターでは性能が足りないと感じていた。
 「しかし、TSUBAMEであれば実現できると希望を感じた」と澁田准教授は振り返る。そこで、京都工芸繊維大学との共同研究で取り組んだのが、過冷却状態の純金属の融液から結晶粒ができていくプロセスを原子レベルで再現することだった。
 「高校の化学では、金属は金属結合をしており、金属原子が規則正しく並んでいると習います。しかし実際は、金属原子が規則正しく無限に並んだ単結晶ではなく、結晶粒と呼ばれる金属の微細な粒が集まった微細組織構造をしているのです」と澁田准教授は説明する。

分子動力学シミュレーションで計算したグロータス機構によるH+輸送過程

金属が液体から固体になるプロセスを解明

 しかも、金属材料は結晶粒の大きさや結晶界面の状態によっても性能が異なってくる。また一般に、純金属よりも合金のほうが強度が高いのも結晶粒の構造や不純物が深く関わっていると考えられている。金属の融液から結晶粒が生成されるプロセスを再現することは、新たな金属材料を開発する上で大きな意義がある。
 「実際の生成プロセスでは、結晶粒は不純物や容器の壁が核となり、そこから成長していきます。それに対し、我々は、核がない理想的な融液からどのように結晶粒が生成されるかに注目しました」と澁田准教授。そして2016年、TSUBAMEを使って、超大規模シミュレーションを実行したところ、不純物のない融液から自発的に核が発現し、これらの先行核を起点に新たな結晶粒が成長していく様子が再現された。
 これにより金属が液体から固体になるプロセスの原子描像が解明されたのである。超大規模シミュレーションに基づく研究成果は、国際会議で驚きをもって受け止められた。/p>

超大規模分子動力学法シミュレーションによる純鉄過冷却融液 からの核生成・凝固過程

シミュレーションによる材料開発の普及

 「一方で、研究中はシミュレーション結果のデータが大きな課題となりました。シミュレーション結果のデータ量は20テラバイト(テラは1兆)にも及びました。そのデータを京都工芸繊維大学との間でやりとりするのに苦労したのです」と澁田准教授。インターネット経由だと1日に1~2テラバイトしか送れなかったため、ハードディスクに保存して新幹線で運んだ。新幹線ならば20テラバイトでも3時間で送れる。「スーパーコンピューターを使った最先端の研究というとイメージはよいですが、実際の現場では泥臭いことをやっているというのが実態です」と澁田准教授は笑う。
 さらにこう加える。「これまで実験によるセレンディピティー(予想外の発見)は数多くありましたが、シミュレーションによるセレンディピティーはないだろうと思われてきました。しかし、シミュレーションが実験と同等かそれ以上のことができるようになった今、シミュレーションによるセレンディピティーも起こりうると感じています」
 今後の澁田准教授の目標はシミュレーションによる材料開発の普及だ。「それにより、あらゆる材料開発の効率性を高め、革新的な材料の開発につなげていきたいですね」。澁田准教授はこう意気込む。

福原 智さん

高校で知った宇宙エレベーターの話をきっかけに
材料研究の道に進みました

大学院工学系研究科 マテリアル工学専攻 修士課程2年
澁田靖研究室 福原 智さん

マテリアル工学科を選んだ理由を聞かせてください。

高校生時代に本で読んだ宇宙エレベーターの話に心が躍ったのがきっかけです。宇宙エレベーターとは、地上と宇宙をつなぐ輸送機です。これを実現するには、地上から約10万キロメートル上空までを結ぶ軽量で高強度なロープが不可欠で、SFの世界の話だと思われていました。ところが、1990年代の初めにカーボンナノチューブと呼ばれる炭素素材が発見されて、にわかに現実味を帯びてきたのです。そこで、大学ではカーボンナノチューブなどの材料の研究をしようと決意しました。大学に入るまでマテリアル工学科の存在は知りませんでしたが、材料研究がしたいと思っていた私にとって、ここは自分にピッタリだと思い迷わず選びました。

現在の研究内容を教えてください。

学部4年生の時に、澁田靖研究室を選びました。材料の生成プロセスに興味があったからです。澁田研究室では、分子動力学と呼ばれる計算手法を使って、材料の生成プロセスを原子レベルで再現しているというお話でしたので、私もぜひやってみたいと思いました。
現在は、分子動力学を使ってカーボンナノチューブを効率良く合成するためのプロセスを研究しています。原料のエタノールを金属触媒で分解して合成する方法について、どの種類の金属触媒を使えば効率良くエタノールを分解できるのかをシミュレーションによって探っています。

研究の面白みと今後の目標を聞かせてください

カーボンナノチューブが合成されていくプロセスをシミュレーションによって原子レベルで見ることができるのが非常に面白いですね。実験を行わずシミュレーションを中心としているのは、理由があります。材料の合成実験を体験した時に、圧力や温度を少し変えるだけで実験結果が異なることを知りました。その理由を探るにはシミュレーションが有用だということを教えられ、スキルを習得することが材料開発には不可欠だと考えたのです。

今後の進路について教えてください。

来年は博士課程に進み、最適な合成方法の確立を目指すとともに、実際の合成実験を行っている研究者とも協力したいと考えています。将来は、私が確立した合成方法が実用化され、社会に貢献できることを目指しています。

分子動力学を使って、カーボンナノチューブを合成するプロセスを研究している
2016年8月にウィーン大学で開催されたカーボンナノチューブの国際会議NT16で
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