実験家と連携しながら、DFT計算により耐熱材料特性の理論解析をおこなっている。原子が複数個集まったクラスターの電子状態を単位として捉える「スーパーイオンモルフォロジー」解析や、局所的な規則原子配列を明示的に導入した合金モデルを構築することで、様々な耐熱材料やハイエントロピー合金の熱安定性解析をおこない、高温で安定して存在する結晶相の新たな発見につなげる。さらに、チタン合金の表面酸化機構とその添加元素の効果解明を進めている。
材料の詳細な電子特性解析には、DFTは精度が足りない場合がある。例えばDFTは半導体のバンドギャップを過小評価することが広く知られている。これを解決するため、本研究では準粒子理論に基づいた全電子GW計算を導入している。その第一原理計算プログラムには全電子混合基底法に基づいたTOMBO (TOhoku Mixed Basis Orbitals ab initio program)を用いる。これによりバンドギャップ定量予測とそのメカニズム解明を進め、生体用構造材料開発などをおこなっている。さらに、本手法の時間発展への拡張を進めている。
第一原理計算の粗視化によるマルチスケールモデル実現のため、異なるスケール間の境界条件を適切に考慮し、第一原理計算をよりマクロなスケールの格子モデル(モンテカルロ法)やフェーズフィールド法と連結できる手法開発を進めている。ポイントは、格子定数より短い長さのスケールの自由度を消去することで、連続空間での相互作用を離散空間での相互作用に適切にマッピングすることである。一連の研究で第一原理フェーズフィールド法(First-principles phase-field method、FPPF)を提案し、Ni-Al耐熱超合金をはじめとする合金の微細組織を一切のパラメータを用いずに予測することに成功しており、多元系へ拡張を進めている。