長時間かけて実験せずに、物質の性質を原子・電子レベルから理解するには?!

惑星軌道や原子の動きなど目には見えないものを理解したいとき、あなたならどうしますか?

シミュレーション工学研究室では・・・科学的な「物質・材料」の開発技術を確立する。「見えないものを視る」をテーマに、第一原理計算による省エネ材料の開発、数式処理ソフトによる数学の簡単な習得、視覚化ソフトによる物理現象の視覚化などに取り組む研究室。いずれも分かりやすさに主眼を置いており、電子レベルの複雑な動きをコンピュータでシミュレーションできるようにする手法を開発している。(担当教員:西谷滋人教授)

■例えば、こんな研究も行います・・・。

数式処理ソフトや視覚化ソフトにより、研究の美味しいとこどりができる

従来、金属や半導体などの材料を開発するには、物理や化学を学び、基礎実験から複雑なプロセスまで、長い修行課程が必要でした。しかし、それでは成功体験を味わう前に嫌になってしまいます。当研究室では、数式処理ソフトや視覚化ソフトを活用し、美味しいところを早い時期に摘み食いできるような研究に取り組んでいます。

計算やシミュレーションを使うと、実験では見えない微視的な機構やエネルギー変化を視覚化できるので、新しい研究の方向や製品開発、原理解明につながることがあります。また、実験には時間がかかりますが、計算なら1週間程度で結果を出せるのです。

物理を学んでいない小学生にもケプラーの法則が分かるようになる。

見えないものを視覚化することは、教育現場でも役立ちます。例えば、ケプラーの法則を小学生に教えるとき、「惑星は太陽を一つの焦点とする楕円軌道上を動きます。これが第一法則です。第二法則は・・・」といった言葉で説明しても、イメージがわかず、次の日には忘れてしまうでしょう。しかし、右のように視覚化した動画を使って説明すれば、簡単に理解できるのです。

教え合い、学び合うことが大切だから、グループで学習・研究に取り組む。

小学生に物理の法則を教えるのも、実験で見えない機構をシミュレーションするのも、共通しているのは視覚化によって分かりやすくなるということ。また、1人で進めるのではなく、グループ学習・研究によって知識が定着し、新たな発想が生まれるという点も共通しています。

大学で学ぶ複雑な計算を高校生の皆さんが分かるように視覚化。

計算機材料学における、物質の硬さや比熱などを算出する計算は、高校数学を基準としていますが、いきなりその計算を見せても難しいと身構えてしまうでしょう。そこで、それらの物理現象を高校生にも分かるように順を追って視覚化しようとしています。複雑な計算式によって表現される物理現象は、直感的に理解しがたい場合があります。しかし、数値計算ソフトを使えば簡単に計算結果を得られ、視覚化することができるのです。

研究のkeywords

視覚化

人が直接「見る」ことのできない現象や事象、あるいは関係性を「見る」ことのできる画像、映像、グラフ、図、表などにすること。

SiCの結晶成長

西谷研では、物理学科の金子研との共同研究に取り組み、次世代パワー半導体として注目されているSiC(炭化ケイ素)が、人工ダイヤとおなじ原理で成長していることを解明した。

数式処理ソフト

式の変形を記号のまま扱い、最後に数値として求めない限り、記号のままで結果が表示される。

もっと詳しく知りたい方は、各研究室のページへ……