東京大学

　産業技術総合研究所（産総研）と東京大学はこのほど、量子物理学の密度汎関数理論（分子や結晶などの物性は電子密度のみで計算可能）に基づく深層学習技術を開発したと発表した。化合物の原子配置を電子の確率分布を表す波動関数に変換し、深層学習により電子密度やエネルギーなどの物性値を高速・高精度に外挿予測する。

　材料開発や創薬の分野では化合物のエネルギー、触媒の反応収率、発電材料の効率、薬剤の活性など様々な物性値の計算・予測が必要だが、理論計算・シミュレーションの計算コストは膨大である。深層学習技術により計算量は減るが、ブラックボックス性の計算であり解釈性・信頼性が低い上、学習データ範囲外のデータを推測する外挿予測は精度が低い。

　今回、産総研の最先端の機械学習技術の理論・アルゴリズムの開発と実データへの応用技術と、東京大学の機械学習技術を材料開発に利用するマテリアルズ・インフォマティクスに関する研究を統合。化合物の原子配置をまず原子の波動関数、そして分子の波動関数に変換。これに分子波動関数から得られる電子密度と原子配置から計算できるポテンシャルが一対一対応するような物理制約を課した上で、原子配置と物性値の大規模データベースを学習し、物性値を予測する。量子物理の基本情報を深層学習モデルの内部で表現・経由した上で化合物の物性値を予測するため、深層学習モデルのブラックボックス性がなく、予測結果の解釈性・信頼性が得られ、学習データから外れた未知の化合物の物性も外挿予測できる。

　理論計算予測値と実験値の誤差が1~2kcal/molであるのに対し、誤差2~5kcal/molと実用に耐える精度で外挿予測が可能。また20原子以上の複雑な構造でも、外挿予測誤差は小さいことを確認した。さらに理論計算では1分子に数十分から数時間かかるところを、数分で1万種類の分子予測が可能。これにより、実用に耐える外挿精度と10万倍以上の高速化を実現した。

　今後は材料開発や創薬の実応用に適用し、有用な触媒や薬剤の大規模な探索を行う。また物理学者・化学者と協力して物理学・化学関係の知識をより多く取り入れ、より高精度の予測ができる深層学習技術の開発を目指す。

　東北大学と北海道大学、産業技術総合研究所（産総研）、東京大学はこのほど、高圧下で水が凍ってできる氷の表面に、通常の水とは混ざらない異構造・高密度の「新しい水」を発見したと発表した。水の異常物性を説明する「2種類の水」仮説の検証に新たな道を示した。

　水はありふれた存在だが、特異な物性をもつ奇妙な液体であり、多くの自然現象を支配している。たとえば雪だるまが作れるのは、0℃以下でも存在する氷表面の液体層のおかげだ。

　マイナス20℃、248M㎩の低温高圧条件で生成する氷Ⅲの、加減圧時の成長・融解過程を光学顕微鏡で観察。加圧成長時には界面に流動性の均質な液体膜が形成し、加圧を止めると不均質化して迷路のような模様になった。これは通常の水と新しい水が混ざり合わない異なる構造をもつことを示している。

　減圧融解時には活発に動く微小液滴が形成。この水は液滴の濡れ角から高密度であり、分子動力学シミュレーションからは氷Ⅲに近い構造であると考えられる。以上から、水/氷界面にはナノメートルオーダーの氷から水へ連続的に変化する液膜があるという通説に反し、マイクロメートルスケールの高密度水の液膜が存在することが明らかとなった。

　また25℃、954M㎩の常温高圧条件で結晶化する氷Ⅵ/水界面にも高密度の新しい水の生成がレーザー干渉顕微鏡で確認され、水/高圧氷界面の高密度水形成の普遍性が示された。なお、通常の氷は氷Ⅰhで六角柱状の格子構造、今回の低温高圧環境下の氷Ⅲは立方体構造、常温高圧環境下の氷Ⅵは底面が正方形の直方体構造である。

　今回の融液/結晶成長挙動の解明は、融液から機能性材料が生成する過程の解明に、さらには太陽系天体内部の高圧状態の氷から天体の形成過程の解明にも役立つと期待される。

　東京大学と産業技術総合研究所（産総研）の共同研究グループはこのほど、「無電解めっき」による高精細パターニング金電極を有機半導体に貼り付けた高性能有機トランジスタの製造に成功した。

　有機半導体は印刷で作れるため、RFID（近接無線通信）タグや種々のセンサーなど膨大な数のデバイスを使うIoT時代に有望な基盤材料。移動度（動作速度）も実用レベルに達している。

　有機半導体の電極には、キャリア効率が高く酸化されにくい金や銀の貴金属薄膜が使われる。製造には高真空・高温/プラズマプロセスを要し、高真空チャンバーとポンプ、電極の微細パターニング用のリソグラフィーなどが必要で、高額設備投資、コスト、環境負荷が量産化の課題だった。

　今回、材質表面を金属被覆できる「めっき」のうち、薬品を用いる「無電解めっき」により真空プロセスなしで金電極を作製した。まずフッ素系高分子薄膜に真空紫外光LEDを照射し、銀微粒子インクが濡れる領域をパターニング（親液・撥液パターニング）。そこに銀微粒子インクを塗布して銀微粒子層のパターンを形成する。それを金めっき液に浸すと、銀の触媒作用で銀微粒子層表面に金の薄膜が被膜される。これでリソグラフィープロセスなしで10㎛程度の高精細パターニングが可能となった。

　この金電極を、同グループが開発した電極転写法により有機半導体上に取り付けて有機トランジスタを試作。ゲート電圧・ドレイン電流から求めた移動度は10㎠/Vs程度と実用レベルで、金属-有機半導体界面の接触抵抗も120Ωcm程度と十分に小さく、単分子層有機半導体（厚さ4㎚）の本来の性能を引き出せることを実証した。

　「無電解めっき」で、積層デバイスの大面積化が可能となり、半導体側の制約も減る。また、めっき液は基本的に有機溶媒を含まない水溶液で再利用が可能なため、環境負荷も小さい。低コスト・低環境負荷、フレキシブルエレクトロニクス用のプロセスとしての利用が見込まれる。

　今後、有機半導体を用いたソフトエレクトロニクスの社会実装やバイオエレクトロニクス分野への貢献が期待される。