素材の欠陥を知り、制御し、利用する
Q:先生は小さいころから理科が好きだったのですか。
そうですね。小学校、中学校から理科は好きなほうでした。高校生になると、特に物理に魅せられ、車好きも高じてよく機械をいじっていました。だから、理系の進路に進むのはごく当たり前のことでした。
大学に入ると、同級生たちは人気のロボット研究の分野を選んでいましたが、力学が好きだった私は物理の世界、「固体力学」の分野にのめり込んでいきました。私の恩師もウィットの利いた方で教室に入ってくるなり、難問を黒板に書き出して「大学生にわかる授業をしたら失礼だ」と言い放った先生で、難しい問題に挑戦できることに、私は魅力に感じ食指が動きました。
Q:「固体力学」とはどういう分野になりますか。
「固体力学」というのは、固体の変形を扱う分野になります。本学も含め機械がつく学科では大学２年生で材料力学という科目を習います。材料力学では棒状の部材の変形を扱うのが主ですが、固体力学は全ての固体の変形が対象になります。一方、「計算力学」という分野があり、コンピュータを使って力学現象を解く方法を開発したり、それを用いて実問題を解いたりする分野です。いわゆるコンピュータシミュレーションの世界になります。
私は、大学４年生の研究室配属時にコンピュータシミュレーションを使って様々な固体の変形を扱う「計算固体力学」の研究室を選んでから、ずっとこの分野の研究室を転々としてきました。
車の衝突シミュレーションを見たことがある人も多いと思います。私は特に原子スケールのミクロな視点で金属の変形を扱っています。研究室を選択する時に「計算固体力学」の研究室を訪問して、スーパーコンピュータを駆使して計算だけで未知の材料の挙動を予測する分野があると知り、面白いと思いました。当時も今も変わらず学生に人気の研究室はロボットとか情報分野で、計算固体力学の研究室を第一希望で志願したのは私一人だったのを覚えています。
Q:現在、先生が行っている研究について教えてください。
原子レベルのシミュレーションを主体とし、第一原理計算を用いたミクロな電子レベルの計算手法や、よりマクロなシミュレーション手法を使い分け、そして時には組み合わせて様々な固体力学の問題を解くというアプローチは学生の時から変わっていませんが、対象とする材料や現象は変遷してきました。現在は、主に「水素脆化に関する研究」と「マグネシム合金の変形挙動に関する研究」を行っています。この分野ではコンピュータの性能や、新しい計算理論の利用も大事です。一度は離れたものの最新のコンピュータや理論で再挑戦している問題もあります。
Q:「水素脆化」とは何でしょうか。
金属中に製造過程や使用環境で水素が侵入すると、強度が大きく低下することが古くから知られてきました。この問題を「水素脆化問題」といいます。水素脆化に関する研究に関しては、2006年に九州工業大学から京都大学に呼ばれた時に、当時の研究室の教授が参加したNEDO（新エネルギー・産業技術総合開発機構）プロジェクトがきっかけです。SDGsの目標達成に向け、世界中で燃料電池を使った車やデバイスの開発が進められています。そうなると水素脆化に起因する破壊事故の増加が懸念されるため、抜本的に原因を解明し、材料開発や設計に役立てるというのが大きな研究目的になってきました。
実際に取り組んでみると、この水素脆化という問題は非常に難しく、分かっていないことだらけであることを知りました。それ以降も、科研費や学協会の研究プロジェクト、共同研究を継続的に行っていますが、ミクロな視点から水素の作用を一つひとつ紐解くというのが私の役割だと思っています。
Q:もう一方のマグネシウム合金の変形挙動というのは、どういう研究になるのでしょうか。
マグネシウム合金の変形挙動に関する研究については、2011年度〜2015年度に科研費の大型プロジェクト（新学術領域研究）に参加したのがきっかけで、取り組み始めました。マグネシウムの研究は、これまで携わったことがなかったのですが、原子シミュレーションを用いた解析を行ってきた経験が認められ、私に白羽の矢が立ったのでしょう。輸送機械や携帯機器では軽さは極めて重要なファクターです。マグネシウムは、実用構造用金属で最も軽く資源も豊富ですが、強度や加工性、高温強度、耐食性に難がありました。しかし、2000年前後に日本でLPSO型マグネシウム合金が開発され、状況が一変しました。ここでも私の役割は、なぜLPSO型マグネシウム合金は優れた特性を持っているのか、そして、さらなる高性能化を図っていくためにはどのようなアプローチができるのか、明らかにしていくことです。
Q:先生が研究を行う上でモットーにされていることはなんでしょうか。
私の研究室では、「欠陥を知り、制御し、利用する」をテーマに掲げています。金属材料は通常、結晶構造を持っています。結晶と聞くと原子が全くの乱れなく整然と並んでいるのをイメージするかもしれません。実際の材料中には、「格子欠陥」と呼ばれる原子の配列が乱れた種々の構造が無数に含まれています。材料中の欠陥は必ずしもウィークポイントではなく、欠陥があるからこそ粘り強い特性を持ち、強化されます。私が取り組んでいる研究は全て、この格子欠陥の応答を調べることが基礎です。水素によって強度が落ちるのは、水素が金属の格子欠陥と結合することで、種々の「格子欠陥」の作用のバランスがゆがんでしまい、金属そのものの特性が変化してしまうのです。20年間画面の中で格子欠陥が動く様子を見ていると、格子欠陥の気持ちが分かるような気がしてきます。
マグネシウム合金の研究に関しては、令和２年度11月からJST(科学技術振興機構）のCREST(戦略的創造研究推進事業） プロジェクトに主たる分担者として参画しています。
Q:現在の研究内容を将来、どのような形で社会に還元していきたいとお考えでしょうか。
機械や構造物が想定外の破壊をし、人命に危険が及ぶことはあってはなりません。また、そこまでではなくても、機械構造物の損傷や破壊は、多かれ少なかれ経済的なダメージを与えます。部材に大きな力が加わると壊れることは誰もが知っていることですが、その過程で何が起こっているのか、壊れる条件がどのように決まっているのかに関してはわかっていないことだらけです。また、今までにない過酷な環境での利用やより高い機能性が望まれ、新材料も次々と開発されています。
あまり使用経験のない新材料の挙動や未知の使用環境における材料の挙動に仮説を立てて予測／検証すること、また、より優れた材料の開発には、材料の中で起こっていることを知ることがキーになります。計算科学、特に電子、原子レベルのシミュレーションにより、基礎的知見の蓄積に貢献し、耐水素環境に優れる鋼材の開発に寄与できたらと考えています。
Q:プライベートについてお聞かせください。先生の趣味や関心、大学生時代に夢中になった事についてご教示ください。
趣味は、釣りと自転車ですね。
釣りは、中学生の頃には一人で近くの海に行くようになりました。釣るのも食べるのも好きで、どんな時も釣りには行っていましたね。父が魚の競り師をしていたこともあり、「殺した魚を美味しくきれいに食べるのが魚を供養することだ」と教育されました。
自転車は、結婚後に激太りし始めたのを機に、妻に連れ出されて一緒に週末サイクリングを始めたのがきっかけです。毎週末だけのつもりが、ほぼ毎日乗るようになり、すぐに実業団チームに誘われてレースで走るようになりました。2014年には夫婦そろって全日本選手権にも出場したことがあります。ダイエットに始まり、自転車を通じて、さまざまな方と知り合うことができました。また、折を見て走ることができればと思っています。
Q:最後に学生へのメッセージをお願いします。
まずは自分がやりたいことを明確に持ってもらいたいですね。まだはっきりしていないなら、いろんなことにチャレンジすればいい。そして考えて悩んだ末に自分でやりたいと思ったことを突き詰めてやってもらいたいと思っています。よく親に言われてとか、親戚の叔父さんに勧められて、とか伝え聞きますが、それがきっかけになることはあっても、強い興味や動機なしに本気で取り組むことは難しいでしょう。だからこそ、大学で何を学び、何をするのかは、できるだけ自分の意思で選んでほしいと思いますね。
Associate Professor Ryosuke Matsumoto
In this edition of “Tell Us Teacher,” we spoke with Ryosuke Matsumoto, Associate Professor of the Department of Mechanical and Electrical Systems Engineering at the Faculty of Engineering, who specializes in “computational solid mechanics,” a field that uses calculations to derive the strength of materials such as iron and magnesium.
Know, control, and use material defects.
Q:Did you like science from a young age?
That’s right. I liked science from the time I was in elementary school. In high school, I was particularly fascinated by physics, and my love of cars led me to often tinker with machines. So, it was quite natural for me to pursue a career in science.
When I entered university, many of my classmates chose to study robotic, which was popular at the time, but my love of mechanics led me into the world of physics and the field of “solid mechanics”. My teacher was a witty man who, upon entering the classroom, would write out a difficult problem on the blackboard and say something like, “It would be rude of me to only teach you things that a university student could understand.”
Q:What is “solid mechanics”?
Solid mechanics” is a field that deals with the deformation of solids. In the second year of college, students in departments that concern machinery, including our university, are required to take a course called Mechanics of Materials. While mechanics of materials mainly deals with the deformation of rod-like components, solid mechanics covers the deformation of all solids. On the other hand, there is a field called “computational mechanics,” which involves developing methods to solve mechanical phenomena using computers and using those methods to solve real problems. All of that is done using computer simulations. In my case, when I was assigned to a laboratory in my fourth year of university, I chose to work in the “Computational Solid Mechanics” laboratory, which deals with the deformation of various solids using computer simulations, and I have been moving from one laboratory to another in this field ever since.
I think that many people have probably seen a car crash simulation. In my research, I deal with the deformation of metals, especially on a very small scale, such as on the atomic level. When choosing a laboratory, I visited the “Computational Solid Mechanics” laboratory and found it interesting to learn that there was a field where supercomputers could be used to predict the behavior of unknown materials using only calculations. I remember I was the only one who applied to the Computational Solid Mechanics lab as my first choice, as the most popular labs among students then and now were in the fields of robotics and information.
Q:Please tell us about the research you are currently doing.
My approach has not changed since I was a student: mainly atomic-level simulations, microscopic electron-level calculations using first-principles calculations, and more macroscopic simulation methods, sometimes in combination, to solve various solid mechanics problems. However, the target materials and phenomena have changed. Currently, I am mainly working on “Hydrogen embrittlement” and “Deformation behavior of magnesium alloys”. In this field, computer performance and the use of new computational theories are also important. There are some problems that I once walked away from but am now trying again with the latest computers and theories.
Q:What is “hydrogen embrittlement”?
It has been known for a long time that the strength of metals is greatly degraded when hydrogen enters them during the manufacturing process or in their operating environment. This problem is called the “hydrogen embrittlement problem”. The research on hydrogen embrittlement started with a New Energy and Industrial Technology Development Organization (NEDO) project in which a professor from my laboratory participated when I was invited to Kyoto University from the Kyushu Institute of Technology in 2006. To achieve sustainable development goals, fuel cell vehicles and devices are being developed around the world. As a result, there are concerns about the increase in the number of fracture accidents caused by hydrogen embrittlement, and a major research objective has been to thoroughly elucidate the causes of hydrogen embrittlement so that it can be used for material development and design.
When I started my research, I realized that the problem of hydrogen embrittlement is very difficult and that there are many unknowns. Since then, I have continued to work on research projects funded by Grants-in-Aid for Scientific Research from the Japanese government, and I believe that my role is to unravel the effects of hydrogen one by one from a microscopic perspective.
Q:What kind of research will be done on the other side, the deformation behavior of magnesium alloys?
I started working on research on the deformation behavior of magnesium alloys when I participated in a large project (New Science Field Research) funded by a Grant-in-Aid for Scientific Research from 2011 to 2015. I had never been involved in magnesium research before, but my experience in conducting analyses using atomic simulations was recognized, and I guess I got the nod. Lightness is an extremely important factor in transportation machinery and portable devices. Magnesium is the lightest practical structural metal and is abundant as a natural resource, but it experiences difficulties in terms of strength, workability, high-temperature strength, and corrosion resistance. However, the development of LPSO-type magnesium alloys in Japan around the year 2000 changed the situation completely. Again, my role is to clarify why LPSO-type magnesium alloys have excellent properties and what approaches can be taken to further improve their performance.
Q:What is your motto in research?
The theme of my laboratory is “Knowing, Controlling, and Using Defects”. Metals usually have a crystalline structure. When you hear the word “crystal,” you may imagine that the atoms are lined up in an orderly fashion without any disorder at all. In reality, materials contain countless structures with disordered atomic arrangements, which are called “lattice defects”. Defects in a material are not necessarily weak points, but rather defects that give the material its tenacious properties and strengthen it. All of my research is based on investigating the response of these lattice defects. After 20 years of watching lattice defects move on a screen, I feel as if I understand how they work.
As for my research on magnesium alloys, I have been participating in the CREST (Core Research for Evolutional Science and Technology) project at JST (Japan Science and Technology Agency) as a main researcher since November 2020.
Q:In the future, how do you hope to contribute to society through your research?
There should be no risk to human life due to unexpected damage to machinery or structures. Even in cases where structural failures do not result in the loss of life, such failures always have some degree of economic consequence. Everyone knows that when a large force is applied to a part, it will break, but there are many unknowns about what happens in that process and how the conditions for breaking are determined. In addition, new materials with higher performance are being developed one after another to meet the demand for use in unprecedentedly harsh environments.
The key to developing better materials is to know what is going on inside of them, and to predict and verify hypotheses about the behavior of new materials that have not been used much, or how they will behave in an uncharted operating environment. I would like to contribute to the accumulation of this basic knowledge through computational science, especially electronic and atomic-level simulations, and to contribute to the development of steel materials that are superior in resistance to hydrogen.
Q:Please tell us about your personal life. What are your hobbies and interests, and what were you into during college?
My hobbies are fishing and bicycling. When I was in junior high school, I started going to the nearby ocean by myself to fish. I like both catching and eating fish, so I would go all the time. My father was a fish auctioneer, and I was taught that properly cleaning and eating the fish you have killed is a form of Buddhist “devotion” that honors the life of those fish.
As for bicycling, my wife started to take me out for weekend cycling together when I started gaining a lot of weight after we got married. In 2014, we participated in the All Japan Championships as a couple. Even though dieting was my motivation, I have been able to get to know many people through cycling. I hope to continue to ride from time to time when the opportunity arises.
Q:Before we say goodbye, do you have a message for your students?
First of all, I want you to have a clear idea of what you want to do. If you don’t have a clear idea yet, try all sorts of things. Then, after thinking and struggling, I would like them to focus on and pursue what they think they want to do. I often hear people say, “My parents told me to do it,” or “My uncle recommended it,” but it is difficult to be passionate about something if that is your reason for choosing it. That’s why I would like my students to choose their own path in life, and what they will study at university, according to their own will.
