일본산업뉴스요약

융합연구, 새로운 연구영역 개척
물질의 수수께끼, 수학으로 해명-- AI∙슈퍼컴퓨터 사용 성능 예측

「수리와 화학」이나「수리와 물질과학」과 같은 융합연구가 새로운 연구 영역을 개척하고 있다. 유기분자가 자연스럽게 모여 만드는 거대한 초분자에 의해 새로운 다면체를 발견하거나, Amorphous(비정질)의 무질서한 구조 속에서 질서를 찾아내는 등 수학이 물질의 수수께끼를 해명하는 유력한 수단으로서 주목을 받고 있다. 물질을 수식으로 기술할 수 있다면 계산기로 시뮬레이션이 가능하고, 인공지능(AI)기술과의 융합연구 발전이 기대된다.

-- 32면체 제작 --
도쿄대학의 후지타(藤田) 교수 등 선구자적 연구자들은 유기분자로「골드버그 다면체」를 제작하였다. 골드버그 다면체는 축구공과 같은 다면체를 기하학으로 설명한 것이다. 후지타 교수 연구팀은 60개의 유기분자와 30개의 팔라듐이온으로 착체(錯體)를 만들어, 골드버그 32면체를 제작하였다.

후지타 교수는「아르키메데스조차 찾아내지 못했던 새로운 다면체를 화학자가 발견, 합성하여 실증하였다」라고 자랑스럽게 생각한다.

후지타 교수팀은 유기화학의 연구자지만, 다면체 제작 과정에서 골드버그 다면체의 이론을 확장하고 있다. 기존의 이론에서는 하나의 정점에 3개의 면이 접촉한다. 후지타 교수가 4개의 면이 접하는 다면체로 이론을 확장하여 정확한 구조나 어그러짐을 계산하였다. 후지타 교수는「설계이론만 할 수 있으면, 나머지는 재료를 섞기만 하면 간단하게 만들 수 있다」고 한다.

골드버그 다면체는 8면체나 26면체 등 많이 존재한다. 어떤 다면체가 형성되는가는 재료의 조합으로 결정된다.

단백질의 초분자 구조나 바이러스 골격 구조 등, 거대 분자 구조의 설계 지침으로서 도움이 될 가능성이 있다.

-- Topology 응용 --
산업기술총합연구소의 니시오(西尾) 주임 연구원 등은, 유리 등의 Amorphous 구조를 수열로 기술하는 방법을 개발하였다. 예전의 Amorphous는 구조가 무질서했기 때문에 기술하는 것이 어려웠다. 짧은 수열로 표현할 수 있다면 시뮬레이션이 간단해진다.

니시오 연구원은 Amorphous 속의 원자 배열을 다면체의 일종인「보로노이 다면체」의 집합체로서 표현하였다. 다면체 하나 하나는 복잡하고 다양한 형태지만, 삼각뿔이나 삼각주로 분할 가능하다. 이 조립도를 수열로 구현시켰다. Amorphous재료 설계의 고도화 등에 공헌할 수 있다.

이에 대해, 도호쿠대학의 히라오카(平岡) 교수와 나카무라(中村)교수 등은 Amorphous 구조 특징에 대해, Topology(위상기하학)를 응용한 해석 방법인「Persistent Homology」를 이용하여 신출하였다. 원자 사이의 거리나 연결 방법에 따른 변수를 작성하였다. 각 원자를 중심으로 공을 부풀리면, 3개 이상의 공끼리 접촉하여 중심에 구멍이 생긴다. 구멍이 생기고 나서 채워지기까지의 팽창거리를 2차원 좌표로 표시하였다.

-- 가능성은 무한 --
큰 다원환(多員環)이나 작은 소원환(少員環) 등 원자의 공간 배치에 따라 변수가 변하여, 액체나 Amorphous 등 상태 별로 특징적인 값이 된다는 사실을 확인할 수 있었다. 히라오카 교수는「특징을 계산기로 다룰 수 있게 되었다. AI기술을 사용하여, 물질의 성능예측에 전개하고 싶다」고 기대한다.

무질서한 구조같이 보여도 그 조립도나 특징을 기술할 수 있게 되면, 그 다음 단계는 AI의 등장이다. 슈퍼컴퓨터로 계산하여 성능을 예측할 수 있다면 새로운 재료 설계 지침을 얻을 수 있다. 수리가 연결한 물질과 AI의 융합연구. 그 가능성은 헤아리기 어렵다.

  -- 끝 --