未知なる材料を想像し、創造する
Q:現在の研究に至った経緯を教えてください。
私は現在リチウムイオン電池(Lithium Ion Battery, LIB) の材料研究をしていますが、 私の主たる動機はLIBにあるわけではなく、計算機を使って理屈の上から材料の性質を予測することにあります。
高校時代のある日、化学の授業で原子の単元を私は学んでいました。原子核のまわりの電子の入り方で原子の性質が決まる、という話でした。そこで、「物質の性質がなぜそうなるか、が分かっているのならば、 物質を実際に作らなくてもどのように原子を配置したらどのような性質になるのかが分かるはずだ」と私は思いました。「それならば、物質の性質は作る前から分かるはずで、人類に有用な全ての物質は既に見つかっているはず。しかし、新物質発見というようなニュースがしばしば出てきている。なぜだろう？」。授業中に浮かんだそのささやかな疑問は、そのまま日常生活に埋もれ、すぐに忘れてしまいました。
大学に進学した私の学科では3年生になる時にコース選択がありました。その時に私は、高校の時の「問い」を思い出しました。人類の叡智がそこまで至っていないことはこの時には分かっていましたが、「どこまでなら至っているのか」が私には分かっていない、と気づきました。そして私は、材料学への道を踏み出しました。
Q:高校生の頃の疑問が現在の研究につながっているんですね。
そうですね。修士課程が修了する頃に、またあの「問い」を思い出しました。理論と実験を橋渡しする計算の役割を知り、物質の性質を決める電子の挙動を計算機で理解することが、私の知るべきことだと思いました。そこで私は博士課程に進学し、計算材料学の分野の研究を始めたのです。
恩師から LIB の材料におけるテーマを与えられ、これが今現在の私の主たる研究領域となっています。 LIB は最も高性能な電池の一つです。 これは比較的高価で、スマートフォンやノートパソコンなどのように付加価値の高い製品に搭載して使うのに適しています。 しかし LIB は2つ、欠点があります。 1つは電解質が可燃性の液体であることです。これを固体の電解質に置き換えることで電池が燃えるという危険性を根本から解決し、 また電池のサイズをよりコンパクトにすることができます。 同じサイズにするとより大容量の電池ができることになり、スマートフォンの電池の保ちがもっと良くなるでしょう。 もう1つの欠点は、リチウムやコバルトといったレアメタルが使用されるため、高価であることです。 電池の役割は、スマホだけではありません。 持続可能な社会を実現するために自然エネルギーの利用が進められていますが、太陽光や風力などのエネルギー発電は天候に依存するため、発電した電力を蓄えておく電池が重要になってきます。電力システムを支えるような巨大な電池には、リチウムイオン電池のように高価な電池は不適です。このような用途にはもっと安い元素を使った安価で大量生産できる電池が求められています。 私はこのような次世代の電池の材料の設計を試みています。
Q:特に力を入れている分野についてご教示ください。
計算材料学は「計算によって材料を学ぶ」という学問です。計算機の性能は5年で10倍、10年で100倍向上してきました。計算機の性能向上によって、出力結果を人間が処理しきれなくなってきました。そこで登場したのが人工知能(AI)や 機械学習、ディープラーニングなどの技術です。既知の結果から、未知の条件での結果を推測することで全体の計算量を削減します。ただし機械学習は全ての問題を解決する魔法の弾丸ではありません。
機械学習とは反対に演繹的に問題を解決する手法も重要です。例えば電池の中で、イオンが正極から電解質を通って負極に移動する現象を解明したいとします。この全ての状態を調べるのは現実的に不可能ですし、ほとんどが移動に関係ない状態の無駄な計算です。このような問題には、グラフ理論という数学分野が大きな役割を果たします。グラフ理論は、オイラーによって解決された7つの橋の一筆書き問題から始まりました。
Q:今の研究を、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。
新しい材料を世に送り出すこと、そのためのステップのどこかで役立つことが、私が社会に貢献できることでしょう。まず、未知の材料の性質を予見すること、無数にある未知の物質の中からどのような物質を作るべきかを示唆すること。合成実験が私よりも上手な研究者は世界に沢山おられますので、そのような方々に作るべき材料を提示し、道標となれたらと思います。また、将来的には私自身も合成実験や分析実験を出来るようになり、新材料の直接の開発者となることも目指していきたいです。目に見えないところで起こっている現象を理解することが、新しい物質を作るための役に立ちます。
一つの新材料を作り出すことも大事ですが、新材料開発のための新しい手法を開発することで、計算材料学に携わる多くの研究者に役立てれば、 それはより大きな貢献となりうると考えています。これが、私が高校の頃からの「問い」を昇華させた目的となっています。
Q: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。
高校までは硬式野球をしていましたが、大学では漫画研究部で漫画を描いてました。漫画描きのスキルが今に活きているのはプレゼンテーションのスライド作りです。1ページのスライド中に絵や文字を入れてバランス良く配置する、重ねて影をつけて窮屈感を軽減する、色に統一感を持たせてワンポイントだけコントラストを入れる、など。
ゲーム好きの友人とたまり部屋で、ファイナルファンタジー、テトリス、タクティクスオウガ、風来のシレン、クレイジータクシー、ギャルゲーの類などをよくやりました。パソコンを手に入れたのは、最初はたぶんゲームを作りたかったんだと思いますが、ゲームを作ることはありませんでした。詳しい友人に恵まれ、パソコンを使う事に適性があったようで、PC-UNIX をそれなりに使えるようになりました。寮のLANを構築してサーバを立て、管理・運営していました。 この辺の技術が今の研究環境を運用するのに役立っています。
Q:学生へのメッセージ
学生には、授業や暮らしの中で、いろんなことを考えて欲しいと思っています。ちょっとした気付きでいいので、「なぜだろう」と疑問に思うことから自分なりの答えを出しておくのです。自分なりの答えすべてを覚えておく必要はありません。きっと必要な時になると、自然と思い出すものでしょう。そのように、常に考えていたりすると、日常生活も結構楽しいものになります。それは、アカデミックな問いだけではなく、「なぜ、この人はこういうこと言うのだろう」でもいい。ある数学者が「良い問いは、答えよりも重要である」と言ったそうです。あなたたちも，自分が気づいた「なぜ」という問いをすくい上げ，たくさん持ってください。
Associate Professor KISHIDA Ippei
In this edition of “Tell Us Teacher,” we spoke with Kishida Ippei, an Associate Professor in the Department of Mechanical and Electrical Systems Engineering of the KUAS Faculty of Engineering. Dr. Kishida specializes in inorganic material properties and computational materials.
Imagining and creating unknown materials
Q: How did you come up with your current research topic?
I am currently working on materials research for lithium-ion batteries (LIBs), but my main motivation is not to work on LIBs, but to use computers to predict the properties of materials from a theoretical point of view.
One day, in a class in high school, we were studying a unit on atoms in my chemistry class. The teacher told us that the properties of atoms are determined by the way that electrons are arranged around their nucleus. I thought to myself, “If we know why the properties of matter are the way they are, then we should be able to figure out how to arrange atoms to get the properties we want without actually creating matter. If that’s the case, then we should know the nature of a material before we create it, and we should have already found all the materials that are useful to mankind. But the news often reports the discovery of new substances. Why?” That little question that came to my mind during class was buried in my daily life and soon forgotten.
When I was a student at university, my department had a course selection at the beginning of my third year. That’s when I remembered the question I asked myself in high school. At that time, I knew that human wisdom had not yet reached that level, but I realized that I did not know how far it had reached. So I set out on the path of materials science.
Q: The questions you had when you were a high school student led to your current research?
That’s right. When I was finishing my master’s program, I remembered that “question” again. I knew the role of computation in bridging theory and experiment, and I knew that what I needed to know was a computational understanding of the behavior of electrons that determine the properties of materials. So I entered the doctoral program and began research in the field of computational materials science.
My mentor gave me a topic in LIB materials, which is now my main research area. The LIB is one of the most powerful batteries. It is relatively expensive and suitable for use in high value-added products such as smartphones and laptops. However, the LIB has two drawbacks. The first is that the electrolyte is a flammable liquid. By replacing this with a solid electrolyte, the danger of the battery burning can be radically eliminated, and the size of the battery can be made more compact. The same size would result in a higher capacity battery, which would make the battery life of smartphones much better. Another drawback is that they are expensive because of the rare metals used, such as lithium and cobalt. The role of batteries is not limited to smartphones. The use of renewable energy is being promoted to create a sustainable society, and since energy generation from solar, wind and other sources is dependent on the weather, batteries that store the generated power become important. Expensive batteries such as lithium-ion batteries are not suitable for huge batteries that support power systems. For such applications, batteries that can be mass-produced at low cost using cheaper elements are required. I am trying to design materials for such next-generation batteries.
Q:What are your areas of focus?
Computational materials science is the study of materials through calculations. The performance of computers has improved 10 times in 5 years and 100 times in 10 years. As the performance of computers has improved, it has become impossible for humans to fully process the output results. This is where technologies such as artificial intelligence (AI), machine learning, and deep learning come into play. It reduces the overall computational complexity by inferring results under unknown conditions from known results. However, machine learning is not a magic bullet that solves all problems.
In contrast to machine learning, it is also important to use deductive methods to solve problems. For example, let’s say we want to understand how ions move from the cathode through the electrolyte to the anode in a battery. It is practically impossible to investigate all of these states, and most of the calculations are useless for states not related to migration. For such problems, a mathematical field called graph theory plays a major role. Graph theory began with the seven bridge stroke problem, solved by Leonhard Euler.
Q: How would you like to contribute to society through your research?
By bringing new materials into the world, and being useful somewhere along the path to doing so, would be what I could contribute to society. First of all, to foresee the properties of unknown materials, and to suggest what kind of materials should be made from among the countless unknown materials, is something I can help with. There are many researchers in the world who are better at synthetic experiments than I am, so I would like to be a guidepost for such people by suggesting materials that they should make. Also, in the future, I would like to be able to perform synthesis and analysis experiments myself, so that I can become a direct developer of new materials. Understanding the phenomena occurring in invisible places is useful for creating new materials.
It is important to create a new material, but I believe that developing a new method for developing new materials can be an even greater contribution if it is useful to many researchers involved in computational materials science. This is the purpose of my sublimation of the “question” I have been asking since high school.
Q:Tell us about your hobbies, interests, and things that fascinated you in your undergraduate student days.
I played baseball in high school and drew manga in a manga club in university. Where my cartooning skills come in handy now is in making presentation slides: balancing pictures and text in a single page slide, layering and shadowing to make things feel less cramped, and adding contrast to one point while keeping the colors consistent.
In school, often played Final Fantasy, Tetris, Tactics Ogre, Shiren the Wind Waker, Crazy Taxi, and a bunch of “gal games” in a hangout room with my friends who loved games. I got a computer, and at first I probably wanted to make games, but I never made any games. I was blessed with a friend who knew a lot about it and seemed to have an aptitude for using computers, so I was able to use PC-UNIX to a reasonable degree. I built a LAN for the dormitory, set up a server, and managed and operated it. These skills have been useful in operating my current research environment.
Q: What message would you like to share with your students?
I want my students to think about many things in their classes and their daily lives. Just a little bit of awareness is all that is needed, and they should be able to come up with their own answers to the questions that pop into their minds. You don’t have to memorize all of the answers to these questions; they will naturally come to you when you need them. If you always have a bit of curiosity, your daily life will become quite enjoyable. This pertains not only to academic questions. One mathematician once said, “A good question is more important than the answer.” Whenever a question pops into your mind, hold onto it and make a collection!
