2023 年度
配属説明会
理論化学研究室にようこそ!
応用化学科では多くの学生実験や研究室で理論計算化学を用いた教育/研究活動が行われていますが、本研究室は「理論計算と機械学習を融合した最先端分子設計の研究室」です。ここでは、2023年度に卒業研究を履修する予定の方を対象に、本研究室の活動内容を「ごく簡単に」紹介します。本研究室のシステムをよく理解した上で、配属希望を出して下さい。ここでは画面の都合で詳細は書ききれないので、詳細に活動内容を知りたい方は、研究室訪問をして下さい。
年内の 2023 年度配属説明会 (要予約/進学予定者向け)
は終了しました。引き続き個別訪問を随時受け付けます。訪問希望の方は、まずはメールで連絡をください。
○ A 枠配属希望者(進学)向け情報
○ B 枠配属希望者(就職)向け情報
2023年度は、教授1名・助教1名・博士研究員 1名(2023年度に新採用)・博士課程学生 2名・修士課程学生 8名+皆さんの体制となります。2023 年度に本研究室では、下記に詳述する国家プロジェクトを含む複数のプロジェクトを推進します。配属された皆さんは、最新の研究設備を用いて円滑な研究推進により、確実に、昨今の化学系企業が求めている理論計算化学研究者としてのキャリアアップを行うことができます。2023年度 A 枠配属者は、M0 の時点からスパコン資源を用いた研究を支援可能です。研究に必要な最新の計算資源が揃っており、円滑な研究推進による皆さんの将来のキャリア形成を強力に支援します。
A 枠配属希望者向け情報
テーマは無数。未来に貢献する新機能性分子を設計しよう!
2019 年以降に採択された論文誌と著書のカバーの一部
理論化学を基軸に、国内外の共同研究者と未来材料創成のための基礎研究を実践
本研究室では、量子化学理論を基軸として、材料科学から創薬にまで亘る幅広いテーマを研究しています。本研究室が他研究室と大きく異なるのは、本研究室の専門分野である量子化学/分子動力学・AI 技術と関連し、スタッフ指導が可能な限り、自由に選ぶことが可能である点です。この幅広さゆえ、「森研は何をやっているんですか?」とよく聞かれますが、「量子化学と AI 技術を基盤に、工学材料系から医歯薬生命科学系まで関わる広範な化学をやっています」と回答します。事実スタッフは、日本化学会・アメリカ化学会はもちろんのこと、化学工学会・日本薬学会などにも所属しており(その他多数)、これまでに、本研究室は Springer Nature, American Chemical Society をはじめとした著名な論文誌に、燃料電池用触媒・太陽電池用色素・CO2 ガス吸収液や超臨界流体(環境・エネルギー関連科学に寄与する機能性溶液化学)・生命関連科学・抗がん剤設計の新戦略提案など、広い分野に亘る多数の研究発表と貢献をしてきました。これらに関連して、共同研究先も、私達の専門である量子化学はもちろん、有機化学・錯体化学・生体関連科学・化学工学の研究室であり、多岐に亘っています。
本研究室関連の News
電子状態インフォマティクスで「温室効果ガス」を効果的に吸収する
混合イオン液体の設計方法を発見 [Link] [ICT 教育ニュース]経済産業省/NEDO Greeen Innovation 基金事業
CO2 分離回収等技術開発プロジェクトに採択 [Link]効率的な太陽電池開発に必須な一重項分裂分子を
電子状態インフォマティクスにより迅速設計! [Link]⽔を嫌う CH3- 基が⽔をトラップ?
浸透圧調整物質の溶液化学を、分⼦間相互作⽤の時空間精細解析で解明
[Link] [ChemStation スポットライトリサーチ] [日本経済新聞]
有機EL材料の探索研究例:
配位子置換による発光挙動最適化
理論創薬の研究例:
疾病タンパク阻害分子の動力学追跡
また本研究室は、Gaussian と双璧をなす「フリーの量子化学計算ソフト」GAMESS や、「生体巨大分子に特化したフラグメント分子軌道法を用いた量子化学計算ソフト」ABINIT MP Open 上で、高速な相対論的量子化学計算法を実装する貢献もなしており、世界で初めて、計算化学に熟知していないユーザーでも周期表上の全元素の性質を「ユーザーがクリックして元素を選択するだけで」手軽に高精度なシミュレーションできるように環境を整えました。関連して、一般の方にも元素(つまり化学)に興味を持ってもらえるように、執筆・各種アウトリーチ活動も実践しています。
本研究室は、「こんなことに興味あるんですけどできますか?」という、やってみたい夢(時に野望)に溢れたバイタリティーある学生さんに適したラボです。
2023 年度に推進することが決定している国家プロジェクト一覧
経済産業省・独立行政法人 新エネルギー/産業技術総合開発機構(NEDO)Green Innovation Project
(森 教授/名古屋大学・東邦瓦斯株式会社 他との共同研究; 2030 年まで)中央大学配分 9,100 万円
LNG 未利用冷熱を活用した CO2 分離回収技術開発・実証日本学術振興会 科学研究費補助金 基盤研究 B(2024 年まで)
(森 教授)中央大学配分 1,350 万円
弱い相互作用を考慮した第一原理統計熱力学と材料情報学:深共融溶媒のガス分離能探索科学技術振興機構 JST ACT-X AI 活用 Project(2024 年まで)
(黒木助教)中央大学配分 500 万円
時空精細化 AI で挑む化学反応場の量子化学
上に、本研究室で 2023 年度に走るプロジェクト一覧を示します。大規模プロジェクトは地球温暖化問題に関連したカーボンニュートラル実現を真面目に狙った AI 主導型未来開拓研究に関連するものですが、配属前の研究室見学時にどんなことをやってみたいか? みなさんの将来ビジョンを話してもらえると、スタッフと一丸となって、どんな方向性がありそうかを真面目に考え、頑張ってプロジェクト化を目指します。本研究室では、スタッフの研究テーマに沿う形で将来ビジョンを描くことも可能ですし、他ラボと異なり、配属予定の皆さんが、正に主体的に分野を開拓していくことも、みなさんの意思次第で可能です。
もちろん、いきなりやってみたいことと言われてもなぁ...ちょっとまだイメージ湧かないんだよなぁ... という方も大丈夫です。まずは、研究室訪問をしてみましょう! 先輩学生が、どうやって研究テーマを決めたのか? ホームページや噂だけでは入手困難な、研究室のリアルを伝えてくれます。研究室配属に当たり必須なのは、「新しい分子機能を設計して(間接的にでも)世界を動かしてみたい!」という情熱です! もちろん3年生までの成績も大事ではないわけではありませんが、いずれにせよ研究室での活動に必要な基礎知識は、研究室配属後、数ヶ月に亘り、みっちりとトレーニングします(後述)ので、研究室での活動に一生懸命取り組めば、化学のプロへの道が必ず拓かれます。時に困難もありますが諦めないことが大事です! 昨今の難しい社会情勢も相まって、今後、社会的に、益々「狙い撃ち型の」機能性物質の具現化が求められることは間違いありません。そういうことができる人材が、正に今、世界で求められています!
物質の階層構造を構成分子の電子状態から理解し設計する!
森研究室のコンセプト
本研究室では、「材料や薬は、その構成要素の分子そのものの性質と分子間相互作用の掛け合わせでその機能を発揮する」という考えに基づき、量子化学計算から得られる分子の波動関数情報を AI 解析することで、新たな物質創成を爆速で具現化することを狙っています。
みなさんもよくご存知のように、V 字構造を持つ「水」は水素結合結合するため、常圧条件下で、100℃ という、分子量の割には異様に高い沸点を持ち、それゆえ生命を育むことができます。これは、一般に、分子集合体=材料や薬の性質を知るには、分子の構造(電子状態)と分子間相互作用を制御することが、狙った機能性物質の創成にとても重要であることを意味する好適な例です。つまり原理的には、「あらゆる物質(材料・薬)の性質は、その構成要素である「分子の波動関数」を記述子とすることで、 AI を援用して予測することができるはずです。
本研究室では、物質を構成する「分子」の電子状態データを量子化学計算を用いて日々収集し、AI 解析を実施することで(電子状態インフォマティクス)、未来社会に役立つ新物質の理論設計と、最小実験によるその具現化に挑戦しています! まだ具体化しているわけではないですが、AI を活用したロボット実験とかも真面目に挑戦してみたいと考えており、そういう新しいことをやってみたい学生さんを募集しています!
さぁ、皆さんも中大 理論化学研究室 で未来社会に貢献する新物質創成に挑戦してみませんか? 皆さんの訪問をお待ちしています!
テーマ選定と研究の推進の仕方(配属希望者に望むこと)
上述のコンセプト図の通り、本研究室の学生は、「量子化学」や「関連するプログラミング技術・AI 技術」を共通の背景として共有することで、緩く連携しつつも独立して、各自のテーマに責任を持った活動を進めています。学生 A は 有機レーザー材料 の研究を、学生 B は CO2 吸収液を、学生 C は 抗がん剤 を、、、のようなイメージです。どんな物質をテーマとするかには、かなり高い自由度があり、自分の将来ビジョンが配属段階で明確な場合には、各学生の興味に関連したテーマ設定をすることができます。(具体的な例については、現在在籍中の学生さんが大切にしている論文テーマですので、ここには記載できませんが、直接、ラボを訪問してもらえれば、開示できます。)もちろん、スタッフ側から「こんなテーマでどうかな?」とテーマを与えることはデフォルトで行いますので、配属前に将来ビジョンが必ずしも明確でなくとも大丈夫です。その場合でも、テーマはスタッフが一方的に与えるもののではなく、各学生さんが、未来ビジョンを思い描けるように、ミーティングを繰り返し丁寧に実施することで決めて行くことになります。(これは他研究室との大きな違いであり、そのシステムが実際のところどんな感じなの?ということは、是非、研究室を訪問され、研究室学生に個別に聞いてみると良いでしょう。もちろんスタッフに質問してもらうのも Welcome です!)
初めて研究活動に取り組む M0 前期は、研究のペースを掴むためにスタッフがシステマティックにスケジュールを決めてミーティングをみっちり行います。一人当たり、講義一コマ(100分)のイメージです。本研究室のミーティングは、そもそも理論計算をメインにしているので、PC 画面を共有しながら進めた方が効果的であるため、コロナ対策とは無関係に Zoom/Webex を活用した手法を採用しています。テーマによっては、学外の共同研究者の先生/学生さんとの情報交換も必要になる場面がありますが、これによりスムーズな連携を実現しています。初めは 100 分の設定は長いと感じるかもしれませんが、直ぐに、それでもむしろ足らなくて、「もっと先生みて下さい」と感じるようになります。正直に書くとスタッフ側は大変ですが、頑張ります!
なお、本研究室では、かなり頻繁に計算データやプログラム技術をやりとりするため、ビジネス SNS Slack を用いて常時、スタッフ・学生は繋がっています(流石に講義中は除きますが、海外出張中でも繋がっています)。課金版の Slack を導入しているため、データのやりとりに基本的に不便を感じることはありません。但し、基本的に Quality of Life (QOL) は大事にしたいと考えており、そのリテラシーに則った活用をしています。
コアタイム
1-5限(9:30-)。学生は、各自の将来の夢に向けて、例外なくコアタイム外活動を自主的にしています。
ゼミ(前期の期間は基本毎日;コアタイム内に設定)
前期の期間は、理論化学研究を推進するために必要な基礎知識を確立する勉強会を基本的に「毎日」開催します。扱う内容は量子化学です。量子化学計算を材料設計・創薬応用するには、量子化学理論の深い理解が必要です。演習問題を含む良テキストを用いて進めます。全ての演習問題を解いてもらうことはもちろん、関連するプログラミングのスキルや、関連重要文献などを紹介していきます。一人で「なんだこれ?難しいなー」と抱え込むのではなく、積極的に疑問点を公開・共有することで切磋琢磨していく場となっています。
研究資源について
研究室で保有する並列計算機(約 2000 Core, 20GPU)と、世界最高速を誇る富岳や、森教授が客員教授を務める分子科学研究所計算科学研究センターなどの外部スーパーコンピューター資源をインターネットを経由して遠隔利用し、我々の世界をより豊にするために必要な、リアル化学系の量子化学計算・分子シミュレーションを日々実施しています。
また、これらの大規模シミュレーションと、共同研究者から提供頂く実験データからなる「化学的ビッグデータ」を、人工知能を用いて解析することで、従来の計算化学研究では到底なし得なかった、高精度かつ超効率的な分子材料設計法の開発も行っています。研究開発に必要な、プログラム開発環境やデータサーバーが完備されています。
上述しましたが、Slack などのビジネス SNS や、自宅と大学研究室で自動的にデータ同期されるシステムを活用することで、スタッフ陣とアイデア・問題点をタイムリーに共有することで、限りある活動時間を最大限有効活用できる環境を作っています。
外部組織のスパコンを活用し、先端計算化学で未来社会を拓く新分子・新物質を日々設計します。
進学者は最新ノート PC を使い研究することができます。自宅 wifi を活用したテレワークも可能です。
年間詳細スケジュール
繰り返しになりますが、本研究室では、各学生が一人一人「完全に異なる」研究テーマを割り当てられます。従って、主体性が重要視されます。スタッフに対する忖度は研究の大敵。学生のみに可能な、若さ溢れる面白いアイデアを沢山出して欲しいと考えています。従って、本研究室では、各自に研究計画書を作成してもらうスタイルを採用しています。M0生、大学院生の一年間のスケジュールを下記に掲載します。
3月 大学院入試準備期間
物理化学分野の復習をします。これは入試対策というよりも、その後の研究活動の基礎作りです。
4-5月 大学院入試 → 研究活動に必須となる、基礎知識の獲得
文献調査・基礎理論として電子構造論などの専門的勉強を行います。テキスト(新しい量子化学(上):研究室で準備するので購入不要)を読み、全ての演習問題を担当を決めて解いていきます。午前:スタッフとのテキスト読み合わせ、午後:次の日のための予習、のスタイル。
これを1,2ヶ月続けると、量子化学理論の基礎が十分に身に着きます。(これが卒論の理論パートとなるため極めて重要。)
未修得単位があると、卒業研究に関わる活動上どうしても不利になります。単位未修得の講義があることは基本的に想定していません。
6-7月 研究計画書の策定
各自に与えられた研究テーマに沿って、スタッフの強力な支援の下、研究計画書を書きます。
大学院卒での就職を見据え、①相手を納得させるのに必要な確かな化学およびその周辺の専門知識、② 論理的な文章の構成スキルを磨きます。
また、そのために必要な、予備・準備的な計算の方法やプログラム開発スキルを学びます。
8月 夏季大進捗報告会(研究計画をブラッシュアップ!)
作成した研究計画書をさらに第三者の目を入れてブラッシュするため、夏季大進捗報告会を実施します。
自らの作成した基礎データに基づき、論理的に研究計画が立てられているか?を互いにチェックします。
外部ゲストとの交流会を実施し、他を知り自らを高める機会とします。
研究グループの一員としての自覚を促し、研究ディスカッションを通じて、互いに高め合う環境の基礎をがっちりと固めます。(基本的に本研究室の院生は、各自の研究テーマが大好きです。この段階で違うな、、、と感じる方は別な道を探ることを推奨します。)
9月 M0 生研究本格始動!+学会シーズン
8月までにがっちりと固めた研究計画書に沿って、いよいよ本格的に研究を始動します。
研究進捗報告が一週間に一回当たります。(10-20分プレゼン+質疑 60分程度。かなりガッツリと議論します)
各種学会に参加し、国内外の研究に触れます。先輩学生は、自らの研究成果を報告し、研究者の卵として、業績を積みます。
参加学会の例:分子科学討論会・化学工学会秋季年会・アメリカ化学会
10-12月 各自の研究テーマを鋭意推進!+冬季大進捗報告会(研究成果をブラッシュアップ!)
研究推進+進捗報告でのフィードバックを繰り返し、どんどん研究を進めます。この段階で、前期に策定した研究計画書から、想定外の方向に進むこともありますが、研究計画をきっちり練っているため、どんどん良い意味で計画を改変し、自ら研究を深化させていきます。
冬季大進捗報告会を実施し、卒論執筆に先立ち、研究計画に対してどのように研究が実際に推進できたか?を互いに議論します。必要に応じてデータの取り直し、追加を実施します。
早い方は、この時期に学会発表することもあります。
例:CBI学会・ケモインフォマティクス討論会・分離技術会など
1月 卒論等執筆開始
新年を迎え気持ちを新たに、卒論の執筆を開始します。
単に卒論執筆をこなすのではなく、この段階で、内容的に国際誌に発表できるクオリティーのものを目指して執筆します。
春先の各種学会発表のための準備も行います。
2-3月 卒論等発表/審査会+学会シーズン
一年間の皆さんの成果を遺憾なく発揮して、発表してもらいます!
学会発表も行います。参加学会の例:日本化学会・化学工学会・アメリカ化学会
院生の進路は?
現在、多くの化学系企業ではものづくりの基盤技術としてマテリアルズ・インフォマティクス技術を世界と競いながら開発しています。この流れを受け、本研究室の卒業生(大学院生)の殆どは化学系企業へと就職しています。研究活動に情報科学を用いることもあり、近年は情報系の大手企業に就職する方も出てきました。
[活躍する卒業生の一例]
本研究室を巣立った卒業生(大学院生)の進路例
修士修了者 コニカミノルタ・高校教員・凸版印刷・ブリヂストン・日産化学工業・ユニチカ・富士通・特許庁・東大大学院・阪大大学院・横市大大学院・兵庫県立大大学院 など
博士修了者 北里大学(専任講師)・埼玉医科大学(専任講師)・みずほ情報総研・中央大学(助教)
コロナ対応は?
本研究室は応用化学科の中で、唯一「分子が見える」理論物理化学の研究を行う研究室です。研究室には、十分に間隔をとったデスクと最新のネットワーク環境、各自に割り当てられた最新の高速 PC(遠隔操作も可能)が配備されています。研究室内には、特大サイズのホワイトボードが設置され、実地・オンラインミーティングに活用しています。
研究室ゼミでは、意見を存分に出し合います。
夏季研究室大進捗報告会@Zoom。毎年三日間に亘り開催します。ここ数年はオンライン大会になっていますが、2023年度は是非、研究室旅行と併せて実施できるといいなと考えています。
オンラインでもリアルな研究指導が実施可能。
コロナウイルス感染者数など、日々の社会状況も鑑み、臨機応変に実地登校頻度を変えることが可能です。
B 枠配属希望者向け情報
理論化学を主体とした化学シミュレーションおよび AI 技術に関連する文献調査型研究を実施し、その実装を行います。調査内容は、2週間毎に10分プレゼン+質疑を行う形で発表してもらいます。与えられたタスクは確実にこなす必要があり、プレゼンは厳密に成績評価されます。森は、中学校・高校の教員免許を持っています。教員志望の方には、先端的な量子化学研究に関連した物理化学教材作成のテーマを与えることも可能です。
連絡先
理論化学研究室(森 寛敏 教授)
中央大学後楽園キャンパス 5号館 5132 室
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