2025年 | プレスリリース?研究成果

【本学研究者情報】

〇材料科学高等研究所　所長（金属材料研究所　教授）　折茂慎一
研究室ウェブサイト

【発表のポイント】

• 機械学習が迫る反応の謎：機械学習を駆使したシミュレーションにより、加圧時に材料表面が一時的に液状化し、水素を効率的に取り込む全く新しい反応メカニズムを発見。
• 画期的成果：このシミュレーションにより、従来と比べ飛躍的に水素貯蔵能力を高めた「スーパーハイドライド」の合成過程を理論的に解明することに成功。
• 未来技術への扉：スーパーハイドライドは、水素社会実現の鍵となる高効率水素貯蔵材料や次世代超伝導材料開発に革命をもたらす可能性を秘めています。

【概要】

東京大学大学院工学系研究科の佐藤龍平助教と、東北大学材料科学高等研究所（WPI-AIMR）所長?折茂慎一教授（金属材料研究所 兼務）、李昊教授、ケンブリッジ大学クリス ピッカード教授らによる国際研究チームは、最先端の機械学習を駆使して「スーパーハイドライド」（注1）と呼ばれる超高密度水素化物の合成反応を再現することに成功しました。

研究チームは、未知の反応経路にも対応可能な高度な機械学習ポテンシャル（注2）を第一原理計算（注3）に基づいて構築し、カルシウム水素化物（CaH?）が高温?高圧環境下でカルシウムスーパーハイドライド（CaH?）へと劇的に変化する過程を分子動力学シミュレーション（注4）で可視化することに成功しました。これにより、材料表面が一時的に液状化して水素を効率的に取り込み、最終的に固体化する反応経路が明らかになりました。この液状化促進メカニズムは、圧力と水素化反応によって引き起こされる普遍的な反応機構であると示唆されています。

この成果により、従来の水素化物と比較して飛躍的に多くの水素を貯蔵できるスーパーハイドライドの精密制御を可能にし、次世代水素貯蔵材料（注5）への応用というブレイクスルーをもたらすことが期待されます。さらに、未知の化学反応経路を予測する機械学習の新しい応用事例としても、材料科学の未来を拓く先駆的意義を持ちます。

　本研究成果は、2025年5月29日（米国東部時間）に「Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS)」にて掲載されました。

【用語解説】

（注1）スーパーハイドライド
超化学量論組成水素化物。10 GPa～数100 GPaの圧力下で合成される水素含有量の非常に高い材料。材料内の水素の密度が高いため、水素が互いに相互作用し電子を共有するため超伝導性能を発現することが報告されている。

（注2）機械学習ポテンシャル
第一原理計算より得られる原子の配置に対するエネルギーや力のデータを基に作られる原子の配置からエネルギーや力を計算する第一原理計算を模倣する機械学習モデル。

（注3）第一原理計算
元素の種類と原子の配置を利用して、量子力学の支配方程式に基づいて電子状態を計算し、物質の電子状態に基づく性質を調べる方法。これにより経験的なパラメータの設定をせずに物質の安定性（エネルギー）や原子間に働く力を求めることができる。

（注4）分子動力学シミュレーション
材料を構成している原子の運動について、運動方程式を解くことによりその軌跡を追跡する計算手法。各原子に作用する力および初期位置?速度が分かれば、各時間のすべての原子の位置および速度が一意に決定される。

（注5）水素貯蔵材料
合金などの固体水素貯蔵材料は、自身の体積の約1000倍にも相当する水素を内部に取り込むことが可能であり、体積あたりの貯蔵密度が高いという点で有望な材料である。一方で、材料の質量あたりの貯蔵量をいかに高めるかが課題となっている。この材料系は2023年に改訂された「水素基本戦略」でも明記されているように、2050年のカーボンニュートラル実現に向けて、水素社会を支える重要な材料として注目されている。

【論文情報】

雑誌名：Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS)
題　名：Surface Melting-Driven Hydrogen Absorption for High-Pressure Polyhydride Synthesis
著者名：Ryuhei Sato*, Lewis J. Conway, Di Zhang, Chris J. Pickard, Kazuto Akagi, Kartik Sau, Hao Li, Shin-ichi Orimo*
DOI：10.1073/pnas.2413480122

詳細（プレスリリース本文）

問い合わせ先

（研究に関すること）
東北大学材料科学高等研究所
所長　折茂　慎一
TEL: 022-215-2093
E-mail: shin-ichi.orimo.a6*tohoku.ac.jp（*を@に置き換えてください）

（報道に関すること）
東北大学材料科学高等研究所
広報戦略室
TEL: 022-217-6146
E-mail: aimr-outreach*grp.tohoku.ac.jp（*を@に置き換えてください）