研究会の活動目的
第５期（2020-2021年度）では、（旧）不規則系物質先端科学研究会は、（旧）機能性材料ナノスケール原子相関研究会と統合して、研究会活動を行っていきます。
今後ともよろしくお願いします。
代表、副代表
代表：正井博和（産総研）
副代表：梶原行夫（広島大）、小野寺陽平（京大）、尾原幸治（JASRI）
研究分野
物質基礎、物質応用
関連するビームライン
BL04B2, 08W, 15XU, 13XU, 01B1, 37XU, 12XU, 35XU, 43LXU
研究会の概要、活動目標・目的
日本語：
本研究会は、不規則系機能性材料を研究対象とするグループである。ガラスや液体、あるいは局所的に原子配列に乱れを含んだ結晶や構造に不均質性がある材料など、Braggピークの有無に依らない不規則な構造を持った物質全体が研究対象である。これら不規則系物質に対しては、従来の結晶構造解析とは異なる概念あるいは具体的な実験手法が必要であり、専門の研究グループを形成することが重要となってくる。本研究会の目的は、SPring-8/SACLAにおける不規則系物質研究のプラットフォームとして、基礎から応用までの幅広い研究の活性化・支援を産業界とも連携をとりつつ活動を行っていくことである。
本研究会のカバーする研究手法の柱としては、原子スケールからナノスケールでの静的構造決定を行うことができる二体分布関数(PDF)解析が挙げられる。SPring-8の特徴を生かした高エネルギーを用いたX線回折をはじめ、X線異常散乱、X線小角散乱、XAFS、あるいは中性子、電子回折などの量子ビーム実験データを元に、逆モンテカルロ(RMC)法や分子動力学(MD)、第一原理などのシミュレーション手法を組み合わせることで、不規則系物質の精細な構造決定を原子・電子レベルで行い、材料の機能や物性との相関を解明していく。また、回折パターンの系統的な理解やそのピークが象徴するハローパターンに潜んだ不規則系機能性材料固有の構造、あるいは、二体相関では捕らえられないトポロジーに注目した解析を機械学習や人工知能といったデータ科学や先端数学を活用しつつ展開していく。また一方で、不規則系物質のダイナミクスの研究も本研究会の重要な柱である。非弾性X線散乱法やガンマ線準弾性散乱法により、サブピコ秒から数百ナノ秒程度の原子の運動を調査することで、静的構造＝スナップショットだけでは分からない情報を抽出し、物性の理解に役立てていく。また得られた基礎的知見を系統的に理解することにより、実際の機能性材料開発へと生かしていくことを最終目的とする。
具体的な活動内容としては、年1回以上の研究会合を主催し、新規研究内容や手法に関する情報共有を行う。また、ユーザーの意見や要望などを聴取する。さらに、来るSPｒing-8のアップグレードにおいて、不規則系材料に限らず、結晶、高分子といったソフトマターもカバーできるような上記複数の静的構造解析手法の高度化およおびそのための装置設計を提案することも重要な活動であり、仕様設定や具体的な実験技術の開発を支援していく。さらに、BL04B2/08W/13XUを利用した実験・解析技術に関する情報提供、データベースの構築、講習会を開催し、企業関係者を含む新規利用者の開拓を行う。ダイナミクス測定については、新たなサイエンスの方向性を策定し、新規ユーザー層の開拓、コミュニティの形成を目指す。こういった活動は日本国内のみに留まらず、海外の量子ビーム施設あるいはユーザーグループとの交流を図り、不規則系材料の研究基盤がないアジア諸国における材料研究者と連携をとることにより、本研究会の国際的な位置づけを明確にしつつ、世界をリードしていく。
なお本研究会は、「不規則系物質先端科学研究会」と「機能性材料ナノスケール原子相関研究会」が第5期（2020-2022）年に統合してできたグループである。
English:
The main activity of this research group is basic and applied studies on functional “disordered” systems, including glassy, liquid, and amorphous substances, and crystalline materials which exhibit local disorder. In order to reveal the atomic structure of these materials, pairwise correlations have been widely used as basic descriptors: this is because disoreded materials do not possess translational symmetry that can easily be understood by crystallographic methods. Diffraction is a very powerful tool for probing atomic correlation in disordered materials; however, they need dedicated instruments and data analysis procedures. The mission of our user group is to provide a platform for studying disordered materials and support a wide range of research, from basic to applied sciences, for all kinds of uses of SPring-8/SACLA.
As mentioned above, pair distribution function (PDF) analysis is our typical technique for understanding the static structure, from the atomic to nanometer scale. To understand the relationship between physicochemical properties and functions of disordered functional materials at the atomic and electronic levels, the aid from computer modelling techniques like reverse Monte Carlo (RMC), molecular dynamics (MD) simulation, and density functional (DFT) theory, is indispensable. These computational methods are to be combined with a range of quantum beam techniques such as x-ray diffraction, anomalous x-ray scattering, small-angle x-ray scattering, and XAFS, together with neutron and electron diffraction. Moreover, the origin of diffraction peaks and atomic correlations beyond the first correlation distance are crucial. To this end, we employ analyses of topology supported by data science, like machine learning and artificial intelligence, and advanced mathematics. These pieces of information can provide us with essential information for designing novel functional disordered materials. Further, experimental methods that can provide information on the dynamics of atoms are also important to understand physicochemical properties of disordered materials. By investigating the motion of atoms at the time range from sub-picoseconds to several hundred nanoseconds, using inelastic x-ray scattering and γ-ray quasi-elastic scattering, we can extract important information that cannot be understood only by the static (i.e., ‘snapshot’-like) structure.
We will hold a research meeting at least once a year to share information on brand new achievements, and also to gather the user’s opinions. In addition, we will hold hands-on tutorials to provide information on experimental and data analysis techniques for the use of BL04B2/08W/13XU beamlines for new users, including those involved in industrial companies. Another important mission of our user group is to propose a versatile instrrument for a new beamline in the next upgrading plan of SPring-8, which can cover not only disordered materials, crystalline materials, and soft matter. Indeed, we do need a beamline that may enable us to switch among the above-mentioned multiple experimental methods for the measurement of static structures on the same beamline. We will propose specifications and develop novel experimental techniques, and build a database of disordered materials. By a combination of static and dynamic measurements at SPring-8/SACLA, we will strongly conduct a new science direction concerning disordered materials, and form stronger community of this research field.
This research group is formed in the 5th term (2020-2022) by consolidation of two research groups in the 4th term: "Advanced Sciences for Disordered Materials Research Group2 and "Nano-scale Atomic-correlation in Functional Materials Research Group".