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機械学習により世界最高クラスの熱放射多層膜を設計し、その実証に成功

~約80億の候補から最適構造を探索 省エネルギー社会への貢献に期待~

国立研究開発法人 物質・材料研究機構 (NIMS)
国立大学法人 東京大学
国立大学法人 新潟大学
国立研究開発法人 理化学研究所
国立研究開発法人 科学技術振興機構 (JST)

NIMSは、東京大学、新潟大学、理化学研究所と共同で、機械学習と熱放射物性計算を組み合わせて、世界最高クラスの狭帯域熱放射を実現する多層膜を最適設計し、実験にて実証することに成功しました。これによって高効率な省エネルギーデバイスの実現が期待されます。

概要

  1.  NIMSは、東京大学、新潟大学、理化学研究所と共同で、機械学習 (ベイズ最適化) と熱放射物性計算 (電磁波計算) を組み合わせて、世界最高クラスの狭帯域熱放射を実現する多層膜 (メタマテリアル) を最適設計し、実験にて実証することに成功しました。これによって高効率な省エネルギーデバイスの実現が期待されます。
  2. 物体が熱を電磁波として放出する熱放射現象は、波長制御ヒーターや赤外線センサー、熱光起電力発電などの様々なエネルギーデバイスへの応用が期待されています。熱放射エネルギーを無駄なく利用するためには、有用かつ狭い波長帯での熱放射スペクトルを持つ材料が必要となります。電磁波を自在に操ることができるメタマテリアルによって、これらの要求の実現を目指した研究が盛んに行われていますが、これまでは経験的に構造を選択して、その性能を評価するアプローチが多くとられており、膨大な候補物質の中から最適な構造を得ることが困難でした。
  3. 本研究グループは、機械学習と熱放射物性計算を組み合わせることによって、熱放射性能を最適にするメタマテリアル構造の設計手法を確立しました。今回は作製が比較的容易なメタマテリアルである多層膜構造を対象とし、3種類の物質を18層重ねて配置する組み合わせの中から最適なものを探索しました。膜厚を変化させたことで、約80億通りにも上る候補構造の中から、熱放射性能を大幅に向上できる最適構造を探索したところ、半導体材料と誘電体が非周期的に並ぶような非直感的なナノ構造が得られました。さらに、この最適メタマテリアル構造を実際に作製してその熱放射スペクトルを計測し、極めて狭帯域な熱放射が実現できていることを実証しました。従来の材料では、熱放射スペクトルの狭帯域化を示すパラメータであるQ値が100を超えることは難しいとされてきましたが、今回、見いだされたナノ構造はQ値200に迫るものであり、大幅な狭帯域化に成功しています。
  4. 今回の成果は、新しい熱放射メタマテリアルの開発において、機械学習が有用であることを示しています。無駄な熱エネルギーロスをなくし、所望の熱放射スペクトルを持つメタマテリアルが実現できることによって、高効率なエネルギー利用が可能となり、省エネルギー社会の実現へ貢献することが期待されます。さらにこの手法は対象を選ばず、様々なナノ構造設計に適用できるため、今後の材料開発における新たな手法として、その性能向上に貢献することが期待されます。
  5. 本研究は、東京大学大学院工学系研究科の塩見 淳一郎教授、新潟大学工学部の櫻井 篤准教授、東京大学新領域創成科学研究科の津田 宏治教授らの研究グループによって、物質・材料研究機構情報統合型物質・材料研究拠点における科学技術振興機構 (JST) 事業「情報統合型物質・材料開発イニシアティブ (MI2I : “Materials research by Information Integration” Initiative)」ならびに理化学研究所革新知能統合研究 (AIP) センターにおける文部科学省AIPプロジェクトによる研究課題のもとで行われました。
  6. 本研究成果は、2019年1月22日 (米国東部時間) に米国科学誌「ACS Central Science」のオンライン速報版で公開されます。

「プレスリリース中の図 : 機械学習と熱放射物性計算を組み合わせたマテリアルズ・インフォマティクス手法と実証実験の概要」の画像

プレスリリース中の図 :
機械学習と熱放射物性計算を組み合わせたマテリアルズ・インフォマティクス手法と実証実験の概要



掲載論文

題目 : Ultranarrow-band wavelength-selective thermal emission with aperiodic multilayered metamaterials designed by Bayesian optimization
著者 : Atsushi Sakurai, Kyohei Yada, Tetsushi Simomura, Shenghong Ju, Makoto Kashiwagi, Hideyuki Okada, Tadaaki Nagao, Koji Tsuda, Junichiro Shiomi
雑誌 : ACS Central Science
掲載日時 : 米国東部時間2019年1月22日14時 (日本時間23日4時)
DOI : 10.1021/acscentsci.8b00802


本件に関するお問合せ先

(研究内容に関すること)
東京大学 大学院工学系研究科
機械工学専攻 教授
(兼) 物質・材料研究機構 情報統合型物質・材料研究拠点 NIMS特別研究員
(兼) 理化学研究所 革新知能統合研究センター 客員研究員
塩見 淳一郎 (しおみ じゅんいちろう)
〒113-8656 東京都文京区本郷7-3-1
Tel : 03-5841-6283
Fax : 03-5841-0440
E-Mail: shiomi=photon.t.u-tokyo.ac.jp
([ = ] を [ @ ] にしてください)
新潟大学 工学部工学科 機械システムプログラム 准教授
(兼) 物質・材料研究機構 情報統合型物質・材料研究拠点 NIMS特別研究員
櫻井 篤 (さくらい あつし)
〒950-2181 新潟県新潟市西区五十嵐2の町8050
Tel : 025-262-7004
Fax : 025-262-7004
E-Mail: sakurai=eng.niigata-u.ac.jp
([ = ] を [ @ ] にしてください)
(JST事業に関すること)
科学技術振興機構
イノベーション拠点推進部 COIグループ
〒102-8666 東京都千代田区五番町7 K’s五番町
Tel : 03-6267-4752
Fax : 03-5214-8496
E-Mail: ihub=jst.go.jp
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(報道・広報に関すること)
国立研究開発法人 物質・材料研究機構
経営企画部門 広報室
〒305-0047 茨城県つくば市千現1-2-1
TEL: 029-859-2026
FAX: 029-859-2017
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東京大学 大学院工学系研究科 広報室
〒113-8656 東京都文京区本郷7-3-1
Tel : 03-5841-1790
Fax : 03-5841-0529
E-Mail: kouhou=pr.t.u-tokyo.ac.jp
([ = ] を [ @ ] にしてください)
東京大学 大学院新領域創成科学研究科 広報室
Tel : 04-7136-5450
E-Mail: taguchi.yumie=edu.k.u-tokyo.ac.jp
([ = ] を [ @ ] にしてください)
新潟大学 広報室
〒950-2181 新潟県新潟市西区五十嵐2の町8050
Tel : 025-262-7000
Fax : 025-262-6539
E-Mail: pr-office=adm.niigata-u.ac.jp
([ = ] を [ @ ] にしてください)
理化学研究所 広報室 報道担当
Tel : 048-467-9272
Fax : 048-462-4715
E-Mail: ex-press=riken.jp
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科学技術振興機構 広報課
〒102-8666 東京都千代田区四番町5番地3
Tel : 03-5214-8404
Fax : 03-5214-8432
E-Mail: jstkoho=jst.go.jp
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