名古屋工業大学
先進セラミックス研究センター
井田 隆
名古屋工業大学 環境材料工学科 3 年次授業「マテリアルデザイン」の講義ノートです。
第１部 コンピュータの基礎
第２部 構造のシミュレーション
第３部 最適化計算とモンテカルロ法
第４部 分子動力学シミュレーション
材料設計 materials design の本来の意味は，どのような材料を組み合わせるか，どのようなプロセス（温度や時間，混合のしかた，撹拌のしかた）で目的の材料を作製するか，材料をつくるための原料をどのように配合するか計画することです。目的の性能，あるいは目的の品質の材料を作るために，なるべく安い原料，設備，エネルギーで短期間に大量の製品を生産することが目標になります。
材料設計は，経済合理性とも省エネルギー，環境負荷の軽減とも直結しています。最近では，材料設計の段階で，既に将来製品を廃棄するためのコストが意識されるようになっています。しかし，材料設計の具体的な方法は，対象となる製品，社会状況や経済状況によっても変わるでしょうから，大学での授業としてふさわしい内容にすることは困難です。
この講義ではコンピュータを使った材料設計，いわゆるコンピュータシミュレーション（模擬実験）に内容を限定します。本当の実験の一部でもシミュレーションで代用することができれば，コストが安くついて，エネルギーの節約になり，安全性を確保あるいは危険性を回避する事ができて，廃棄物の心配もしなくて済みます。
この授業では材料設計のためにコンピュータ computer を利用する技術を学びます。はじめの４回の授業ではコンピュータの基礎（論理演算，記憶，算術演算，数値計算）について勉強します（理系の大学生なら最低限知っておいてほしいレベルのことです）。それ以降はコンピュータを利用した材料（物質）シミュレーションを利用するために必要になる基礎的なことがらを勉強します。市販の分子動力学計算ソフトウェアを使うことができるような知識（何が計算できるのか，どう解釈したら良いか），あるいは（自分が直接使わないとしても）使うことに価値があるかを判断できるような知識，結果の妥当性を判断できる知識を身につけることを目標とします。現時点では分子動力学シミュレーションのソフトウェアは高価なものですが，無料で公開されているソフトウェアもあり，これからは市販のソフトウェアがさらに普及し，無料ソフトウェアもより使いやすいものになることが予想されます。
この授業は環境材料工学科の学生を主な対象としています。コンピュータや情報，通信，電気，電子回路技術などが苦手な人も少なくないかもしれませんが，「無理をしてでも」コンピュータの勉強をしておくことをおすすめします。コンピュータや情報通信技術，計算技術は急速に発展していますし，将来さらに重要になることが予測されます。どうせいつか勉強しなければいけないのですから，若いうちから勉強を始めた方が有利です。大学の学部３年は，そのような勉強をはじめるのに適した学年です。
2011年4月17日公開
2013年4月4日更新