リン酸塩ガラスに発現する特異構造の解明と生体医療用材料への展開

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本課題で実施する「リン酸塩ガラスに発現する特異構造である6配位Siの生成の解明と生体医療用材料への展開」のために，本年度は，以下の3項目を遂行した．(1) 6配位Siの実空間観察: STEM-EELSの空間分解能は既に原子オーダーに達しており，近年では元素の局所濃度分布が分析できるようになっている．本課題では，配位数(隣接酸素数)やQn(架橋酸素数)などの同一元素の異なる原子環境の分布の実空間図示法の確立を目指す．今年度はまず，第一原理EELS計算から得られる大量のスペクトルデータを機械学習することで，ガウス過程回帰のもとで，単純な平均スペクトルではなく分散(揺らぎ)も考慮した参照スペクトルを作成する手法を確立した．Siの価数分布が不明と仮定したモデルの平均スペクトルについてもよい価数分布予測が実現できた．これにより，任意の元素の原子環境分離フィルターを作成することが可能となった．(2) 6配位Si形成の反応を決定する構造記述子の構築: 4配位Siから6配位Siが形成される反応過程そのものが明らかになっていなかったので，今年度はまず，DFTに基づく分子動力学シミュレーションから6配位Si形成の反応パスを解明した．6配位Siが形成される際には，4配位SiとQ2-Pから6配位SiとQ3-Pが形成され，その際にはネットワーク修飾元素であるNaの動きが重要であることが明らかになった．(3) カチオン種依存性の解明と機能強化: 現在NaOを含むガラスの計算と実験を進めているが，将来的には骨形成に有効な様々なカチオン種を多く含むガラスを作成したい．今年度は，抗菌作用を有するGaのガラスについての検討を開始した．