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【本学研究者情报】

〇材料科学高等研究所　特任講師　Kartik Sau

【発表のポイント】

• 渋滞学や流体力学の流れ场の解析を応用し、电池材料内部で起こる「协奏的なイオン输送」という集団运动を、世界で初めて可视化?解析することに成功。
• 可视化された集団运动とイオン伝导度を1対1で结びつける新しい理论式を発见し、"何个のイオンがどのように连动して动くと伝导度が上がるのか"という电池性能の根本原理を解明。
• 电池材料の基盘となる新しい物理化学を确立し、イオンの集団输送を制御する次世代固体电解质の设计指针として期待される成果。

【概要】

東京大学大学院工学系研究科の佐藤 龍平 助教、澁田 靖 教授、東京科学大学総合研究院化学生命科学研究所の安藤 康伸 准教授、東北大学材料科学高等研究所（WPI-AIMR）のサウ カーティック 特任講師らの研究グループは、流体力学の流れ場の考え方を応用し、電池材料におけるイオンの集団輸送を可視化する新しい解析手法を開発しました。

研究グループは固体电解质（注1）の分子动力学シミュレーション（注2）を実施し、シミュレーション中で実际に起こるイオンの协奏的な输送（注3）を、イオンの変位ベクトル同士をつないで构筑する「有向グラフ解析（注4）」により可视化することに成功しました。さらに、このグラフからイオン伝导度を计算したところ、厳密な统计力学に基づくイオン伝导度の计算式の结果と一致することを确认しました。これにより、固体电解质中で「いくつのイオンが连动して动いているか」という描像を直接得るとともに、集団运动とイオン伝导度を1対1で结びつける新しい理论式を确立しました。本成果は、协奏的な运动を制御して电池性能を高めるための物理化学的基盘を提供するものであり、次世代の固体电解质设计に役立つことが期待されます。

本研究成果は、2025年12月12日（米国東部時間）に「Chemistry of Materials」に掲載されました。

二次元超イオン伝导体狈补2狈颈2罢别翱6中の协奏的な输送が有向グラフ解析により可视化される様子および计算されるイオン伝导度

【用语解説】

（注1）电解质
电池が充放电する际には、负极と正极の间をリチウムイオン（尝颈?）などの荷电粒子が移动する必要がある。电解质（＝イオン伝导体）は、両极を隔てつつイオンの通り道を提供する材料であり、そのイオンの通しやすさ（输送特性）が电池の性能や充放电速度に大きく影响する。

（注2）分子动力学シミュレーション
材料を构成している原子の运动について、运动方程式を解くことによりその轨跡を追跡する计算手法。各原子に作用する力および初期位置?速度が分かれば、各时间のすべての原子の位置および速度が一意に决定される。

（注3）协奏的な输送
多数のイオンが、互いの动きに连动して効率的に移动する现象。1つのイオンが动くと、その动きに押されるように次のイオンが动き、さらにその次へ...と「玉突き」のように连锁的な运动が続く。この集団运动が起きると、多数のイオンが一度に输送へ贡献するうえ、移动に必要なエネルギーが低くなることも知られている。こうした协奏的输送の仕组みを理解することは、高性能な电解质材料の设计において重要な键となる。

（注4）有向グラフ解析
ノード（点）とノード同士を結ぶエッジ（辺）からなるネットワーク構造を扱う解析手法を「グラフ解析」と呼ぶ。有向グラフ解析では、エッジに向きが与えられ、ノードをつなぐ順序が一方向に決まっているネットワーク構造を扱う。本研究では、イオンの移動を表す変位ベクトルをノードとして扱い、ある変位ベクトルの「終点」が、別の変位ベクトルの「始点」に一定距離以内で近づいた場合にのみ、後者へ向かうエッジを結ぶ。このとき、逆方向（始点 → 他の変位の終点）にはエッジを結ばないため、ネットワークは一方向のみにつながる"有向"グラフとなる。これにより、イオンのホッピングがどのように連鎖して起こるかという因果関係を表現?解析することができる。

【论文情报】

雑誌名：Chemistry of Materials
題　名：Visualizing Concerted Ion Migration of Superionic Conductors via Directed Graphs
著者名：Ryuhei Sato*, Yasunobu Ando, Kartik Sau, Yasushi Shibuta
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问い合わせ先

東北大学 材料科学高等研究所 広報戦略室
罢别濒：022-217-6146
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