電力不足回避のカギ握る｢最強の磁石｣。中国が猛追する開発競争、日本は世界のリード保てるか

いくら少量とはいえ、資源が不足している日本にとっては大きな課題です。高温環境にも強く、さらに資源としても安定供給が可能な材料を探すべく、研究者たちはさまざまな方法で探求を続けています。

大久保博士は、現NIMS理事長の宝野和博博士らとともに、2012年度〜2021年度までの間、元素戦略磁性材料研究拠点（ESICMM）という文部科学省の拠点型プロジェクトにおいて、ネオジム磁石の性能を高める研究を進めてきました。

とはいえ、｢ネオジム磁石｣をベースに改良を加える以上、その基本的な性質はもとのネオジム磁石から大きく変わるものではありません。

｢ただ、磁石の微細構造（粒子の大きさ）によって磁力を保つ力が変わってきます。研究の中で、その微細構造の性質が分かってきました｣（大久保博士）

大久保博士は、その性質を踏まえて、磁力を保つ力がより強くなる微細構造ができる磁石の製造プロセスを開発し、ある程度成果が上がってきたと話します。

｢今作っているのは、『熱間加工磁石』というタイプです。粒子が小さい磁石に、後処理として低温で溶ける合金をまぶして熱処理をして、中に染み込ませるんです。こうすると、粒と粒の間にうまい具合に染み込んで、保磁力が上がるんです｣（大久保博士）

ただ、大久保博士は、まだ改良の余地はあると指摘しています。そこで重要になってくるのが、これまでの｢データ｣をもとにAIを活用して材料を探求する手法です。

データを使って｢欲しい性質を持つ磁石｣を見つけ出す

材料研究の分野では、既存の材料をベースに、理論や研究者の経験から新しい有力な材料を予測し、その性質を確かめる、というサイクルによって新しい物質の探求が進められてきました。

ただ、元素の組み合わせは膨大です。いくら理論や経験をもとにしても、必ず｢当たり｣を引けるわけではありません。

そこで最近注目されているのが、これまで蓄積された材料科学における素材のデータをもとに、新しい物質の性質を予測する手法です。

例えば、磁石であれば、磁力や磁力を保つ力（保磁力）がまず重要なデータとなります。

ほかにも、製造プロセスでの温度や、高温で保つ時間といったパラメータや、加工するときの圧力や押し出す速度などのデータもあります。当然、製造プロセスに応じて、完成した磁石の粒子の大きさも違います。組成によって元素の配置のされ方も異なるはずです。

このように、材料研究ではさまざまな｢データ｣が蓄積されています。

｢こういったデータを収集し、それを機械学習に放り込むことで、それぞれの値に影響の大きなパラメータが何なのか、要因解析をやっています。組成と作り方などのデータから、その磁石の性質をある程度高い精度で予測できるようになるわけです｣（大久保博士）

こういった予測を元に材料の探索を進めていけば、研究の速度が大幅に上がるのではないかと期待されているのです。

ただ、この方法では、あくまでも学習したデータをもとにした予測しかできません。材料の性質がパラメータを変えても一定（連続的）であることが前提です。これでは途中で材料の性質が大きく変わり、特定のパラメータから受ける影響の大きさが不連続的に変化してしまうような材料の性質を予測することはできません。

｢だから私たちは、原子を見る手法やシミュレーションなど、いろいろな解析手法を使って、そういった『材料の変化』を理解しながら、機械学習を進めていこうとしています。そして最終的には、組成やパラメータから特性を予測するのではなく、『こういう特性を持った磁石や磁性材料が欲しい』と思ったときに、どんな材料やプロセスが必要なのかを提案してくれるようなAIを作ることが目標です｣（大久保博士）

最近では、ネオジム磁石のように非常に強い磁石の需要と共に、さまざまなバリエーションの｢磁性材料｣の需要が高まっているといいます。｢強ければ強いほどよい｣のではなく、用途に応じて必要なスペックが違うわけです。

小さくて磁力が強く、さらに高温にも強い磁石が欲しいというのはその一つに過ぎません。

｢磁石だけではなく、磁性材料全体でもっと幅広くデータを集めて、その中で要求される素材を作っていきたいと思っています｣（大久保博士）

現代の材料科学は、データを用いて｢材料をデザインする時代｣になりつつあるとも言えるのです。

迫る中国。日本は材料科学研究のトップを維持できるのか？

2022年5月には、データを用いた磁石・磁性材料に関する基礎的な研究を加速させることを目的に、NIMSはTDKや日立金属などの磁石メーカー4社とマテリアルズオープンプラットフォーム（MOP）を設立しました。

競合同士が手を組むことで、研究開発力の土台を固めようという試みです。

｢まずは3年間。基盤的な研究を一緒に進めようと思っています。それに加えて、各社とNIMSが1対1で従来の共同研究のような形でも研究開発を進めていきます｣（大久保博士）

この背景にあるのは、日本の研究力の衰退に対する危機感と、中国の研究力の急伸です。

産業的に見ると、世界のネオジム磁石の生産量は年間約15万トン。その9割近くが、中国によるものだとされています。日本の生産量はそれに次ぐ第2位にあたります。ただ、磁石に関する｢研究力｣という点で見ると、日本はこれまで世界をリードし続けてきました。

ネオジム磁石を開発したのは他ならぬ佐川眞人博士ですし、それ以前に、世界で初めて｢永久磁石｣であるKS鋼を見出したのも、物理学者の本多光太郎（東北大学）でした。

｢磁石は明治時代から、日本人が発見して育ててきた分野です。現時点でも間違いなく研究力はトップだと思います。ただ、中国がすごい勢いで追いついてきています。このまま何もしなければ、あっという間に追い抜かれてしまうと思います｣（大久保博士）

実際、ここ10年間で発表された磁石分野の論文の国際的な貢献度を分析すると、NIMSは世界トップを独走している状況です。ただ、論文数で見ると中国が圧倒しています。

大久保博士も、

｢10年前は研究の質もそれほど高くはなかったと思うのですが、ここ最近は質の高い論文もたくさん出てきています。ポスドクとして（中国から）NIMSに学びに来て、帰国していくような研究者もいます。人材、研究設備への投資も進んでいます。今、日本でこの分野の研究に力を入れなければ、10年先はどうなるか分かりません｣

と危機感をあらわにします。

あらゆるものが電化される時代。その鍵となるモーター。それを支える、磁石をはじめとしたさまざまな磁性材料。

あらゆる産業を支える根幹の技術とも言える材料研究のトップの座を守り続けることは、果たしてできるのでしょうか。磁石の進化の行方と共に、科学技術立国としての日本の底力が試されています。

もっと知る

脱炭素で注目の洋上風力。専門家が語る4つのメリット

もっと知る

｢肉そのものを作る｣培養肉の開発競争が加熱。大豆ミートだけじゃない、代替肉の最前線

もっと知る

人類は｢人工光合成｣で植物を超えられるか。CO2を資源に変える脱炭素時代の切り札

（文・三ツ村崇志）