実験家と連携しながら、第一原理計算を基にしたマルチスケールシミュレーションにより、構造・機能材料設計を進めている。

状態図は全ての合金開発プロセスにとって必要不可欠なツールである。通常、状態図は計算熱力学(CALPHAD)法に基づき熱力学データベースを参照して計算されるため、熱力学データベースの構築には膨大な時間とコストがかかり、結果はデータベースに含まれる限定的な実験データの精度に依存する。本研究では、このような現状を打破するため、第一原理計算のみで合金状態図を決定できることを示した。本計算で得られた状態図には、実験的に観測された状態図に存在する全ての特徴が含まれている。さらに機械学習ポテンシャルにより高速化した。

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。

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。