AIによって発電可能な新セラミックスの探索を効率化(AI streamlines search for new ceramics that generate electricity)

2026-08-31 ペンシルベニア州立大学(Penn State)

米ペンシルベニア州立大学(Penn State)の研究者らは、AIと材料科学者の専門知識を組み合わせて、圧電セラミックスの新組成を効率的に探索する手法を開発した。従来は試行錯誤に頼っていた新材料探索に対し、大規模言語モデルに過去数十年の研究論文から材料組成のパターンを抽出させ、有望候補を提示させたうえで、研究者が物理・化学・工学的観点から選別し、実験で検証する3段階の方法を採用した。その結果、KNN-BNKZT-SCZというニオブ酸カリウム・ナトリウム系複合材料を開発。結晶方位を整える「テクスチャリング」により圧電定数を約440から620 pC/Nへ向上させ、320°F(約160℃)まで使用可能な特性を維持した。さらに振動・磁気エネルギーを電力に変換するエネルギーハーベスターに組み込み、約705 µW/cm³の出力密度を実証した。AIを材料探索に活用することで、センサーなどの小型電子機器向け高性能材料の開発を加速できる可能性が示された。

<関連情報>

人間とAIの協働による高性能テクスチャード鉛フリー圧電セラミックスの設計と実現 Design and realization of high performance textured lead-free piezoelectric ceramics through human-AI collaboration

Aman Nanda,Debjyoti Bhattacharya,Nayeon Kang,Shankar Kunwar,Shashank Priya,Jungho Ryu,Wesley Reinhart,Michael Lanagan & Bed Poudel
Nature Communications  Published:26 June 2026
DOI:https://doi.org/10.1038/s41467-026-74568-x

AIによって発電可能な新セラミックスの探索を効率化(AI streamlines search for new ceramics that generate electricity)

Abstract

Developing multielement doped Pb-free (K,Na)NbO₃ piezoelectrics often hindered by complex doping trends and tedious trial-and-error experimentation. Here, we present a human-in-the-loop, artificial intelligence guided materials design framework that utilizes large language models to capture implicit structure-property knowledge from prior literatures and propose new compositions. Expert intervention further directs experimental realization based on materials science principles and experiential knowledge, accelerating discovery of targeted compositions. Using collaborative strategy, synthesized random composition exhibiting piezoelectric charge constant d33 of 440 − 500 pC/N which further enhanced to 600-620 pC/N through crystallographic texturing and sintering aid optimization. Despite inherently off-MPB degradation (at R.T), this composition maintained steady electromechanical coupling (kij) and d31 up to 160 oC. To validate practical relevance, a cantilever-based magneto-mechano-electric (MME) energy harvester was fabricated, delivering a power density of ~ 705μW/cm3 at the second harmonic, outperforming reported Pb-free MME designs. Here, we demonstrate an exceptional approach towards developing application-specific functional materials through the synergy of AI-driven recommender systems, human expert validation, and experimental realization.

0501セラミックス及び無機化学製品
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