材料设计系统以及材料设计方法与流程

1.本发明涉及材料设计系统以及材料设计方法。


背景技术：

2.运用实验、分析、模拟等各种方法来进行陶瓷、金属等无机材料、树脂等有机材料、以生物用途为代表的无机、有机的复合材料等材料的设计。在无机、有机材料的设计的实施中，近年来推进数字技术的有效利用。除了使用通过利用了计算机的模拟来评价材料的技术以外，还正在使用有效利用材料关联的数据、信息的技术。
3.作为无机材料的材料设计，例如在专利文献1中示出了通过第一原理计算与遗传算法的并用来搜索新的结晶构造的方法。通过使用遗传算法决定成为第一原理计算的执行对象的结晶构造模型，来降低计算成本，实现材料搜索。
4.作为利用了模拟的有机材料的材料设计，例如在专利文献2中公开了：使用给定的参数群来得到聚合物材料的粗粒化模型；使用该粗粒化模型，通过基于分子动力学法的模拟来预测所述聚合物材料的至少一个特性。
5.先行技术文献
6.专利文献
7.专利文献1：jp特开2018-10428号公报
8.专利文献2：jp特开2006-338449号公报


技术实现要素：

9.发明要解决的课题
10.在专利文献1中公开了通过利用了遗传算法的手法来估计由构成材料的无机化合物所形成的分子的结晶的最稳定构造。但在该方法中，结晶的稳定构造与具有该结晶构造的无机化合物的材料功能的关系并未得以明确。假设若要在求取各无机化合物的结晶的最稳定构造后估计针对该结晶构造的材料功能，就需要求取无机化合物1个1个的结晶的最稳定构造，担心计算量变得庞大。
11.在专利文献2中公开了通过预测给定的参数群(链长、屈曲性、密度等)给特性带来的影响来设计适于所期望的用途的聚合物材料的方法。进而，作为设计与适合的参数的组合对应的现实的聚合物的方法，公开了通过将已有的聚合物材料的组成、制造条件等优化来得到与适合的参数值的组合良好适合的聚合物材料。但在专利文献2中，并未示出怎样将参数群和实际材料的组成、制造条件等优化的具体的方法。假设若需要拥有专业的见解的人判断聚合物材料的参数群的选定或试错地进行优化，则可以认为基于专利文献2的材料设计在系统上处理不完全，并不充分。
12.因此，期望减小给用户、实施资源的制约，将材料设计进一步效率化。因此，本发明的目的在于，提供削减计算量且能进行有效率的材料设计的材料设计系统以及材料设计方法。
13.用于解决课题的手段
14.用于解决上述课题的本发明所涉及的材料设计系统具备：输入装置，其接受所期望的材料功能；和运算装置，其算出构成材料，所述运算装置具有：构造计算部，其使用能表达通过2个以上原子或分子的集合呈现的分子特征量的方法来算出满足所述所期望的材料功能的分子特征量；和分子计算部，其使用能表达分子本身的方法来算出实现所述构造计算部算出的所述分子特征量的所述构成材料。
15.发明的效果
16.根据本发明，能提供能进行有效率的材料设计的材料设计系统以及材料设计方法。上述以外的课题、结构、效果等通过以下的实施方式得以明确。
附图说明
17.图1是表示本发明的一实施方式所涉及的材料设计系统的结构例的示意图。
18.图2是表示本发明的一实施方式所涉及的输入画面的一例的示意图。
19.图3是表示本发明的一实施方式所涉及的输入画面的其他一例的示意图。
20.图4是表示材料功能、分子特征量与构成材料的关系例的示意图。
21.图5是表示存储值的集合的一例的示意图。
22.图6是表示dikw金字塔的示意图。
23.图7是表示存放于存储装置的存储值的数据构造的一例的示意图。
24.图8a是表示节点间的关系的一例的图。
25.图8b是表示节点间的关系的其他一例的图。
26.图9是表示节点2a与节点3a的关系、节点2a与节点3b的关系、节点2a与节点3c的关系的示例的图。
27.图10是表示利用了属性的存储值的集合的一例的示意图。
28.图11是表示本发明的一实施方式所涉及的各节点的关系的一例的矩阵图。
29.图12是表示本发明的一实施方式所涉及的各节点的关系的其他一例的矩阵图。
30.图13是表示使用了外部装置的材料没计系统的结构例的示意图。
31.图14是表示本发明的一实施方式所涉及的材料设计系统中的处理过程的一例的流程图。
32.图15是简化表示材料功能、分子特征量与构成材料之间的关系例的示意图。
33.图16是表示示出了阶层区分的材料功能、分子特征量与构成材料的关系例的示意图。
34.图17是表示图14中的步骤13的材料功能与分子特征量的相关关系的详细的调查的处理过程的一例的流程图。
35.图18是表示分子特征量与构成材料的相关关系的详细的调查的处理过程的一例的流程图。
36.图19是表示高分子材料中的材料功能、分子特征量与构成材料的关系例的示意图。
37.图20a是表示高分子材料中的球晶的一例的示意图。
38.图20b是表示高分子材料中的球晶的其他一例的示意图。
39.图21a是表示设为节点的球晶尺寸与抗拉强度的相关关系的一例的图。
40.图21b是表示设为节点的取向度与球晶尺寸的相关关系的一例的图。
41.图21c是表示设为节点的相互作用与取向度的相关关系的一例的图。
42.图21d是表示设为节点的官能基的种类与相互作用的相关关系的一例的图。
43.图22a是成为图21a的抗拉强度-球晶尺寸间的关系调查的基础的示意图。
44.图22b是成为图21b的球晶尺寸-取向度间的关系调查的基础的示意图。
45.图22c是成为图21c的取向度-相互作用间的关系调查的基础的示意图。
46.图22d是成为图21d的相互作用-官能基的种类间的关系调查的基础的示意图。
具体实施方式
47.以后参考附图来详细说明用于实施本发明的方式。另外，本发明并不限定于以下的实施例，包含各种变形例。例如，能对本实施方式的结构进行追加、删除、置换。
48.《材料设计系统》
49.图1是表示本发明的一实施方式所涉及的材料设计系统的结构例的示意图。本发明的一实施方式所涉及的材料设计系统101具备输入装置、运算装置、存储装置、输出装置以及中央控制装置。这些装置相互连接，能进行数据的交换。对各个装置以下进行说明。
50.输入装置例如是鼠标、键盘。输入装置接受用户输入的内容。输入装置不仅接受用户所期望的材料功能的输入，还接受运算装置中的运算中所使用的信息以及数据。输入内容具体是材料功能、分子特征量、构成材料以及它们的参数。
51.所谓材料功能，是与材料的用途相应的作用。作为材料功能的示例，有干燥速度、氧化速度(生锈容易度)、消毒能力、清洗力、隔热能力、防音能力、抗拉强度、粘度、粘接力、着火速度、展性、延性等。材料功能直接关系到材料的市场上的价值。
52.所谓构成材料，是作为物质的材料的定义。作为构成材料的示例，有元素名、电子状态、分子名、分子构造、分子轨道、分子量、官能基的种类、化学键、原子配置、结晶构造、组成、面方位等。构成材料具体表示材料本身。
53.所谓分子特征量，是构成材料所示出的物性、现象、性质等，通过原子或分子的集合来确定。分子特征量由分子内特征量和分子间特征量构成。将通过2个以上原子的集合呈现的特征量设为分子内特征量。分子内特征量例如有键距离、分子的大小、分子的刚性、极化性等。此外，将通过2个以上分子的集合呈现的特征量设为分子间特征量。分子间特征量例如有分子的比例、分子间相互作用力、化学反应性等。即使是难以进行分子的定义的无机材料，也将通过2个以上原子的集合呈现的特征量在这里设为分子内特征量。通过1或多个分子特征量来说明足以通过构成材料发现材料功能的原理、机制、机构、针对这些的条件等附带事项等。因而，在能充分得到材料功能、分子特征量、构成材料和它们的关系的情况下，表示足以制作任意的材料的信息。
54.这里说的所谓参数，是调查材料功能、分子特征量、构成材料的关系、材料功能彼此、分子特征量彼此、构成材料彼此的关系时所需的条件等信息以及数据。例如，在使用模拟的情况下，所谓参数，是解析模型的尺寸、总体条件、各种控制因子的数值。
55.图2是表示本发明的一实施方式所涉及的输入画面的一例的示意图。在输入画面201设有材料功能、分子特征量、构成材料、各自的参数的输入栏202。通过用户向输入栏进
行输入，或上传文件等，输入装置接受输入内容。图3是表示本发明的一实施方式所涉及的输入画面的其他一例的示意图。如图3所示那样，可以设为接受多个分子特征量的输入方式。
56.运算装置例如包含中央处理装置(cpu)、软件等。此外，如图1所示那样，运算装置至少具备构造计算部以及分子计算部。
57.构造计算部用能表达分子特征量的方法来算出满足输入到输入装置的所期望的材料功能的分子特征量。例如，通过调查材料功能与分子特征量的相关关系来算出满足所期望的材料功能的分子特征量。能由构造计算部实施的运算例如是全原子分子动力学法、粗粒化分子动力学法、耗散粒子动力学法、蒙特卡罗法、元胞自动机、粒子法、有限要素法、有限差分法、有限体积法等。以上举出的手法是能表达分子特征量的方法。
58.分子计算部使用能表达分子本身的方法来算出实现构造计算部中算出的分子特征量的构成材料。例如，通过调查分子特征量与构成材料的相关关系，来算出实现构造计算部中算出的分子特征量的构成材料。分子计算部中能实施的运算例如是全原子分子动力学法、经验分子轨道法、静态第一原理计算法、第一原理分子动力学法等。作为静态第一原理计算法，能使用分子轨道法、密度泛函数法，作为第一原理分子动力学法，能使用car-parrinello法。以上举出的手法是能表达分子本身的方法。另外，运算装置的处理流程之后叙述。
59.构造计算部、分子计算部可以使用实验结果或文献等的分析结果来分别算出分子特征量、构成材料。例如，经由输入装置或外部网络取得实验结果或分析结果，将统计解析、机器学习运算、文献搜索等利用在分子特征量、构成材料的算出中。为了机器学习运算，运算装置也可以进一步具备机器学习部(参考图1)。
60.机器学习部执行上述实验结果、分析结果、搜索到的文献的机器学习运算。作为机器学习部中能实施的运算，有一般的统计学手法、深度学习等。作为一般的统计学手法，能实施各种鉴别、主成分分析、回归分析等。
61.此外，运算装置判定构造计算部算出的分子特征量是否满足所期望的材料功能的显著性，在判定为没有显著性的情况下，构造计算部再度算出满足所期望的材料功能的分子特征量。进而，判定分子计算部算出的构成材料是否满足构造计算部算出的分子特征量的显著性，在判定为没有显著性的情况下，分子计算部再度算出实现构造计算部算出的分子特征量的构成材料。
62.另外，运算装置的处理流程之后叙述。
63.存储装置是一般的硬盘等。存储装置将输入到输入装置的信息、数据、由运算装置求得的材料功能、分子特征量以及构成材料作为存储值进行存放。具体地，根据构造计算部的算出结果以及分子计算部的算出结果，将材料功能、分子特征量以及构成材料作为节点，将节点间的关联作为边(edge)来进行存储。
64.图4是表示材料功能、分子特征量与构成材料的关系例的图。将材料功能、分子特征量以及构成材料的各项目一个一个作为节点来示出，将它们的关系作为边来示出。在此，节点在很多情况下是语言，此外也可以是记号、数式、绘画等。此外，边在2个节点间有某种相关关系的情况下示出。另外，相关关系也包含因果关系。
65.在该数据构造中，以材料功能的节点411、分子特征量的节点412、构成材料的节点
413所代表的那样，存在多个节点。节点通过边414连结。此外，示出材料功能的节点群401、分子特征量的节点群402、构成材料的节点群403。各节点属于材料功能的节点群401、分子特征量的节点群402、构成材料的节点群403的任一者。各节点群内的节点彼此也可以用边连结。此外，也可以跨越节点群来连结。此外，节点以及边的数量也可以是几个。此外，与每一个节点连结的边可以是几个。节点虽然在与哪个边都不连结的情况下也能存在，但设为1条边在两末端与任一节点连结。
66.若如以上那样使用节点和边示出材料功能、分子特征量与构成材料之间的关系，则示出任意的材料功能与怎样的分子特征量具有相关关系，该分子特征量与怎样的构成材料具有相关关系。因而，针对所期望的材料功能示出应关注的分子特征量和构成材料。
67.若与所着眼的材料功能直接相关的节点和边齐全，就能预测该材料功能的实现可能性。此外，若除了直接的相关的节点和边以外，间接的相关的分子特征量、构成材料的节点和边齐全，就能使材料功能的实现手段即材料的制作手段变得明确。此外，能预测或确定不足的节点和边，即材料开发中的要调查部位。由此，能有效地构建实验、分析、模拟等的实施计划。
68.图5是表示存储值的集合的一例的示意图。任意的存储值的集合501由节点值510、边值511构成。节点值510表示材料功能、分子特征量、构成材料的各项目。边值511不管数值、语言、记号等形式如何都可以，但期望是数值。通过是数值，在有与多个边值511连结的节点值510的情况下，能表达相对关系大的边值。此外，节点值510、边值511的数量也可以是几个。此外，与每一个节点连结的边值511也可以是几个。节点虽然在与哪个边都不连结的情况下也能存在，但设为1条边在两末端与节点连结。
69.节点值510、边值511可以是任何保存形式，但期望是图表构造型或表的保存形式。若保存形式是图表构造，在从很多节点值510以及边值511中提取1个来搜索具有相关关系的其他节点的情况下，能高速搜索存储值。此外，通过以边值511为基础，节点值510的区分、整理变得容易。进而，由于关系性的图示变得容易，因此在输入输出时，能有效率地进行本系统的用户的理解。若保存形式是表，则在提取与任意的条件一致的节点值510、边值511的情况下，或者在将节点值510、边值511的集合彼此连结的情况下，看一眼就能理解，因此系统的操作变得容易。
70.用作节点值510的语言、记号、数式、绘画等能通过非专利文献的“j.rowley，”the wisdom hierarchy：representations of the dikw hierarchy”，journal of information science，33，163(2007)”所示的信息资源的分类来明确化。根据该文献，信息资源能通过由d(data、数据)、i(information、信息)、k(knowledge、知识)、w(wisdom、智慧)构成的dikw金字塔进行分类。
71.图6是表示dikw金字塔的示意图。在图6中，d是未体系化的数字、字符等，i是以任意的基准体系化的数字、字符等，k是从信息导出的规则性、倾向等，w是人使用知识来进行判断、应用的能力。按照d、i、k、w的顺序，信息资源的阶层从下位向上位排列，信息资源的量从多量成为少量。将本实施方式中的节点值510是相当于i以及k的信息资源这一情况设为基本。通过是i以及k，节点值510成为能由人认识且排除了属人性的信息资源。由此，即使在本实施方式的实施者不是具有格外的专业性的专家的情况下，也能比较容易且科学客观地明示任意的节点值510彼此的关系，此外，能加深理解。
72.存储装置在材料功能、分子特征量、构成材料的各区分内，按每个分类或按每个阶层来存储节点。例如，通过输入装置能接受材料功能、分子特征量以及构成材料的分类或阶层，能基于输入到输入装置的信息来按每个分类、阶层存储节点。由于通过按每个分类、阶层存储节点，人能视觉辨识的形式的图和存储装置的形态高度一致，因此，能实现人的理解提升、输入输出、运算所花费的装置的负荷降低。这时，存储装置可以存储成1个节点属于多个分类或多个阶层。
73.图7是表示存放于存储装置的存储值的数据构造的一例的示意图。存储值的数据构造由上位概念的存储值的集合501a、中位概念的存储值的集合501b、下位概念的存储值的集合501c构成。关于各存储值的集合，如前述的任意的存储值的集合501那样。在本实施方式中，将接近于材料功能的一方设为上位，将接近于构成材料的一方为下位。通过如上位、中位、下位那样区分材料功能、分子特征量、构成材料，能在维持人易于理解的状态的同时存放到存储装置。在图7中，各节点属于上位概念的存储值的集合501a、中位概念的存储值的集合501b、下位概念的存储值的集合501c的任一者。存储值的集合也可以不是3阶层。各存储值的集合内的节点510彼此能以边511连结，此外，也可以跨越多个存储值的集合将节点510连结。
74.图8a是表示节点间的关系的一例的图，图8b是表示节点间的关系的其他一例的图。在此，取图5中以边连结的节点2a-节点3a为例。所谓节点2a和节点3a具有相关关系，例如是指通过节点3a而节点2a发生变化的情况。在图8a中，描绘了在任意的单位系统下将节点3a设为输入、将节点2a设为输出的虚拟的实验结果，从图表的推移能看到是单调减少的。在如此地确认了节点2a与节点3a的相关的情况下，将节点2a-节点3a之间用边连结。
75.这时，即使是图8a那样实验结果为离散值的情况，也期望如图8b那样示出进行过插值的关系。这是为了尽可能将节点以及边构建为人易于认识的信息资源。虽然通过一个一个的离散值不能判断节点2a-节点3a的关系，但若是进行过插值的关系，就能判断为单调减少。若根据dikw金字塔的观点来叙述，则一个一个的离散值由于是通过实验体系化的数值，因此能称为i，进行过插值的线段、单调减少的倾向由于是从信息导出的规则性，因此能称为k。
76.图9是表示节点2a与节点3a的关系、节点2a与节点3b的关系、节点2a与节点3c的关系的示例的图。节点2a-节点3a的关系读取为单调减少，节点2a-节点3b的关系读取为接近于水平的推移，节点2a-节点3c的关系读取为单调增加，但节点2a-节点3c的关系的增加倾向显著。在这样的情况下，例如，通过以数值表达减少或增加、变化的程度，作为边值511，在3个节点间(节点2a-节点3a、节点2a-节点3b、节点2a-节点3c)进行记载，针对节点2a的要因效果变得明确。
77.期望对节点值510、边值511根据需要附加信息资源。图10是表示利用了属性的存储值的集合的一例的示意图。属性用语言、记号、数式、绘画、数值等具体表示节点以及边的关联事项，优选与节点、边一起存放在存储装置。在图10中，示出节点的属性值512a、附带节点的属性值512a的节点513a、边的属性值512b、附带边的属性值512b的边513b。通过使用节点的属性值512a、边的属性值512b，能更详细地记载以节点的所属阶层、边示出的相关关系的程度、与各节点、边关联的调查的过程等。
78.例如在图8a和图8b的示例中，能将图8b中得到的线的数式(近似式等)保存在将节
点2a-节点3a连结的边值501的属性。此外，关于达到得到这样的数式的实验(图8a)，能将实施条件、结果的数据或数据保存地点等保存在属性中。
79.边基本表示相关关系，但能通过使用属性来表示因果关系。通过表示因果关系，能更明确地记载节点的阶层关系。例如，在图10的节点1b-节点2b间，通过节点2b的要因得到节点1b这样的效果的情况下，能将节点1b置于上位阶层，将节点2b置于下位阶层，例如是图16的特征量阶层i(上位)与特征量阶层ii(下位)的关系的配置。
80.中央控制装置解读各装置的命令，将执行该命令所需的指示送往各装置。此外，能对存储装置发出指示，以使得参考需要的存储值。例如，中央控制装置根据需要，使任意的运算装置读入输入值、存储值，执行运算，进而将结果存放在存储装置。此外，中央控制装置指示存储值的输出。
81.输出装置是显示器、扬声器等。输出由运算装置算出的实现所期望的材料功能的构成材料。此外，输出装置也可以同时输出通过边而建立关联的多个节点。例如，也可以将各节点的关系作为矩阵图输出。图11是表示本发明的一实施方式所涉及的各节点的关系的一例的矩阵图。在矩阵图中，对矩阵形式的行和列分别分配任意的节点值510，在行和列的节点值510在矩阵上交错的部位记载边值511。通过以图11那样的矩阵图进行输出，能在以任意的节点值510为基准进行过整理的状态下确认很多节点值510和边值511。
82.图12是表示本发明的一实施方式所涉及的各节点的关系的其他一例的矩阵图。如图11所示那样，其是以下示例：任意的存储值的集合有多个，对这些集合分别通过行和列进行了区别。在图12中，示出还使用了表示列(或行)的节点间的边值511的三角形的矩阵的示例。在该情况下，能在以任意的存储值的集合为基准进行过整理的状态下确认很多节点值510和边值511。如此地，可以使用多个矩阵进行输出，也可以截取矩阵的一部分进行输出。
83.此外，材料设计系统101也可以成为使任意的部分独立的结构。图13是表示使用了外部装置的材料设计系统的结构例的示意图。材料设计系统102能用所连接的外部装置取代存储装置的一部分或全部、运算装置的一部分或全部。换言之，能进行向外部存储装置的保存、从外部存储装置保存的外部存储的调用、各种运算的外部处的执行、计算结果的外部处的判别。
84.《材料设计流程》
85.图14是表示本发明的一实施方式所涉及的材料设计系统中的处理过程的一例的流程图。基于图14的流程图的动作如以下那样。
86.步骤11：用户设定设为对象的系统。用户通过对输入装置进行输入，来设定很多材料开发中设想的材料功能与分子特征量的相关关系的调查、分子特征量与构成材料的相关关系的调查、这两方的调查的实施。另外，这里说的所谓相关关系的调查，表示着眼于多个节点间，基本通过实验、分析、模拟、文献取得等来使相关关系的有无明确。此外，在能确认到相关关系的情况下，定义相应的节点间的关系(对相应的节点间的关系加上边)。
87.能通过材料功能与分子特征量的相关关系的调查来使与所着眼的材料功能直接相关的分子特征量明确，能预测该材料功能的实现手段、实现可能性。此外，通过分子特征量与构成材料的相关关系的调查，能使所着眼的分子特征量在实际材料中如何实现明确。通过连续实施材料功能与分子特征量的相关关系的调查、分子特征量与构成材料的相关关系的调查两方，来使实现所着眼的材料功能的分子特征量在实际材料中如何实现明确，能
使材料功能的实现手段即材料的制作手段明确。
88.此外，用户可以设定是否需要实施材料功能彼此的相关关系的调查、分子特征量彼此的相关关系的调查、构成材料彼此的相关关系的调查。通过追加材料功能彼此的相关关系的调查、分子特征量彼此的相关关系的调查、构成材料彼此的相关关系的调查，能使材料功能、分子特征量、构成材料的节点以及边增加。其结果，能扩大材料功能与分子特征量、分子特征量与构成材料的调查对象。通过调查对象的扩大，能发现具有强的相关关系的节点的可能性提高，材料功能与分子特征量的相关关系的调查、分子特征量与构成材料的相关关系的调查的可靠性提升。与提高特定的节点间的相关关系的精度相比，更期待使设为调查对象的节点间增加所带来的效率化的效果。这是因为，即使任意的材料功能少，具有相关关系的分子特征量也有很多，若考虑在这其中相关关系大的分子特征量数量少，则与调查的精度相比，如何尽早发现相关关系大的分子特征量较为重要。
89.也可以若材料功能与分子特征量的相关关系的调查、分子特征量与构成材料的相关关系的调查所需的参数是明确的，就在步骤11输入到输入装置。
90.步骤12：运算装置基于输入装置接受到的信息来判别是否需要材料功能与分子特征量的相关关系的调查。在需要调查的情况下，前进到步骤13，在不需要调查的情况下，前进到步骤14。
91.步骤13：运算装置的构造计算部调查材料功能与分子特征量的相关关系。换言之，运算装置的构造计算部用能表达分子特征量的方法算出满足所期望的材料功能的分子特征量。在材料功能与分子特征量的相关关系的调查结束后，前进到步骤14。
92.步骤14：运算装置基于输入装置接受到的信息来判别分子特征量与构成材料的相关关系的调查需要与否。在需要调查的情况下，前进到步骤15，在不需要调查的情况下，运算装置的运算结束。
93.步骤15：运算装置的分子计算部调查分子特征量与构成材料的相关关系。换言之，运算装置的分子计算部使用能表达分子本身的方法来算出实现构造计算部算出的分子特征量的构成材料。
94.以下更详细地说明步骤13的材料功能与分子特征量的相关关系的调查、步骤15的分子特征量与构成材料的相关关系的调查。
95.图15是将材料功能、分子特征量与构成材料之间的关系例简化表示的示意图。在此，将跨越材料功能的节点群401和分子特征量的节点群402的边设为跨越材料功能-分子特征量的边414a，将跨越分子特征量的节点群402和构成材料的节点群403的边设为边414b。在材料开发中，具备市场上的价值高的功能的材料的需要大。因而，先确定所期望的材料功能，之后需要满足其的构成材料。因此，在本发明的一实施方式所涉及的材料设计流程中，通过在调查材料功能与分子特征量的相关关系后调查分子特征量与构成材料的相关关系，来有效率地设计满足所期望的材料功能的材料。即，实施与跨越材料关系和分子特征量的边414a相关的调查，之后实施跨越分子特征量-构成材料的边414b的调查。通过对材料功能和构成材料双方示出具有相关关系的分子特征量，能将材料功能的原理、机制等、其实现手段明确化。
96.为了易于进行节点、边的记载、节点间的调查，期望尽可能严密地定义材料功能、分子特征量、构成材料的节点。因此，优先将材料功能的节点群401、分子特征量的节点群
402、构成材料的节点群403分别分成阶层、群组等分类。
97.图16是表示示出阶层区分的材料功能、分子特征量与构成材料的关系例的示意图。如图16所示那样，区分成材料功能的阶层421、分子特征量的阶层422、构成材料的阶层423。阶层的设定能以多个节点中共通的事项定义。所谓多个节点中共通的事项，例如是时间标尺、空间标尺等。具体地，使相同程度的空间标尺的节点彼此属于相同阶层。将各节点的相对位置根据其原理、内含/外插关系、意义等来按阶层进行区分，通过使节点属于任意的阶层，在材料功能与分子特征量的相关关系的调查以及分子特征量与构成材料的相关关系的调查中，能优先进行相邻的阶层的节点间的调查。若是相邻的阶层，则能提取能直接调查的调查对象、或即使间接也容易调查的调查对象。由此，在节点间的相关关系判明的情况下，在相应节点间附加(记载)边。若在各个阶层的每一者连结边，就能将满足所期望的材料功能的构成材料明确化。此外，能采取从相邻的阶层当中的靠近材料功能(图16左侧)一方的相邻部位优先进行调查这样的战略。由此，能从直接关系到所期望的材料功能的节点周边起推进调查，能有效率地提取调查对象。
98.在节点的阶层区分中，在任意的节点应属于的阶层不明确的情况下，例如用户可以使节点属于适当的1个阶层。此外，用户可以使节点属于适当的多个阶层，也可以使节点属于全部阶层。
99.在任意的节点应属于的阶层不明确的情况下，优选使节点属于适当的多个阶层，或属于全部阶层。进一步优选在用户的判断等下使节点属于多个阶层。
100.通过使节点属于适当的1个阶层，能与节点应属于阶层明确的情况同样地运转系统。但由于能根据适当决定的阶层来决定调查的优先度，因此易于发生错误。此外，即使在用户将已知的节点可视化(输出)的情况下，进行错误的辨识的可能性也变高。
101.此外，通过使节点属于多个阶层，即使是任意的节点应属于的阶层并不明确的情况，也能测量任意的节点间的阶层的距离，能优先进行靠近阶层的节点间调查。此外，使节点属于多个阶层有助于用户在视觉辨识可视化(输出)的节点、边时，判断任意的节点所属的适合的阶层是哪里。在使节点属于适当的多个阶层的情况下，与使节点属于全部阶层的情况相比，由于成为调查的候补的节点间的选项少，因此能迅速决定调查对象。为了减少选项，优选在用户的判断等下使节点属于多个阶层。
102.此外，即使是按阶层进行区分的情况，也可以从相邻的阶层的节点间以外来实施调查。例如，阶层的定义、节点的分类能由用户使用输入装置来决定。此外，即使用户不输入阶层，系统也能通过将节点的内容(数值等)升序/降序地排序，或根据语言的共通点进行分组，来定义阶层。
103.图17是表示图14中的步骤13的材料功能与分子特征量的相关关系的详细的调查的处理过程的一例的流程图。
104.步骤21：在分子特征量的调查系统中，用户在输入装置设定设为调查对象的材料功能的节点以及分子特征量的节点。在调查材料功能与分子特征量的相关关系时，若有调查范围，就对材料功能、分子特征量进行设定。例如，在分别以任意的单位系统定义了材料功能、分子特征量的情况下，若需要确定数值范围，就进行设定。若在步骤11的时间点，步骤21所需的设定内容、参数明确，就能在步骤11的时间点输入步骤21所需的设定、参数。
105.步骤22：运算装置的构造计算部调查所期望的材料功能与任意的分子特征量的相
关关系。在步骤22，能用能表达分子特征量的节点412的手法来进行调查。调查手段是实验、分析、模拟、文献取得等。
106.在调查中使用实验或分析的情况下，能通过进行实验或分析的结果的读入、统计解析、机器学习运算、类似的文献的搜索和取得，来提高调查结果的可靠性。此外，在使用模拟的情况下，例如能将分子特征量的节点412设为输入值，使用如下等方法：能处置分子的动态举止的全原子分子动力学法、粗粒化分子动力学法、耗散粒子动力学法；能关于材料的分子等单位进行利用了概率论的计算的蒙特卡罗法、元胞自动机；能以将宏观的材料细分化的单位来进行处置的粒子法、有限要素法、有限差分法、有限体积法。
107.全原子分子动力学法由于在能处置多分子的集团的基础上，公知的势函数的种类多，因此，易于通过其选择来使分子内特征量得以反映。粗粒化分子动力学法、耗散粒子动力学法由于是将数个原子视作原子团的手法，因此原子团的设定时的自由度高，易于使分子内特征量、分子间特征量均得以反映。蒙特卡罗法、元胞自动机由于能定义在离散时刻发生的事件、其发生概率，因此易于使扩散、吸附这样的与粒子的坐标变化相关的分子间特征量得以反映。粒子法、有限要素法、有限差分法、有限体积法由于将作为原子集合体的材料的特征用在输入中，因此，与所述的各种方法相比，更易于使宏观的分子间特征量得以反映。特别是，粒子法在应考虑大变形的材料的调查中易于使分子间特征量得以反映，有限要素法在应考虑复杂形状的材料的调查中易于使分子间特征量得以反映，有限差分法、有限体积法在应考虑通量的物理现象的材料的调查中易于使分子间特征量得以反映。
108.步骤23：运算装置判别步骤22的调查中调查的分子特征量是否得到了所期望的材料功能。判别可以使用任何方法，但优选使用能在统计学上判断为显著的方法。例如，优选如下等步骤：将所期望的材料功能定义为量的数据或质的数据，对某调查结果在任意的显著水准下进行统计学上的各种鉴别，判定其调查结果是否满足所期望的材料功能的显著性。在能得到所期望的材料功能的情况下，结束分子特征量的调查系统的流程。在得不到所期望的材料功能的情况下，移转到步骤24。
109.步骤24：追加或变更设为调查对象的分子特征量，再度回到步骤22，调查材料功能与分子特征量的相关关系。例如，能通过用户在输入装置进行输入来追加或变更分子特征量。直到得到所期望的材料功能为止，都重复实施调查。作为结果，能得到与所期望的材料功能具有相关关系的分子特征量。
110.图18是表示分子特征量与构成材料的相关关系的详细的调查的处理过程的一例的流程图。
111.步骤31：设定设为调查对象的分子特征量以及构成材料。分子特征量能使用由运算装置的构造计算部求得的分子特征量(以下称作所期望的分子特征量)。构成材料能通过由用户在输入装置进行输入来设定。
112.步骤32：运算装置的分子计算部调查分子特征量与构成材料的相关关系。在步骤32中，可以用能表达构成材料的节点413的手法进行调查。调查手段与步骤22同样。在步骤32，例如在模拟中，能将构成材料的节点33设为输入值，来使用能计算分子的动态举止的全原子分子动力学法、经验分子轨道法、(以car-parrinello法为首的)第一原理分子动力学法、能计算电子状态的分子轨道法、密度泛函数法这样的静态第一原理计算等。
113.全原子分子动力学法能在一个一个地处置原子的同时进行比较大规模系统的动
态计算，能调查扩散、粘度、力学特性等。在静态第一原理计算中，能高精度地调查最稳定构造、各种能量值、声子等材料的静态的特性。第一原理分子动力学法能进行考虑了化学反应的动态的计算，能调查考虑了温度、原子移动的化学反应过程等。
114.步骤33：运算装置判别步骤32的调查中调查的构成材料是否得到了所期望的分子特征量。判别能使用与步骤23同样的方法。在得到了所期望的分子特征量的情况下，结束分子特征量与构成材料的相关关系的调查流程。在得不到所期望的材料功能的情况下，移转到步骤34。
115.步骤34：追加或变更设为调查对象的构成材料，再度回到步骤32，调查分子特征量与构成材料的相关关系。例如，能通过用户在输入装置进行输入来追加或变更构成材料。直到得到所期望的分子特征量为止，重复实施调查。作为结果，能得到与所期望的分子特征量具有相关关系的构成材料。
116.如以上那样，本发明的一实施方式所涉及的材料设计系统通过在进行材料功能与分子特征量的相关关系的调查后进行分子特征量与构成材料的相关关系的调查，能有效率地得到与所期望的材料功能具有相关关系的分子特征量以及构成材料。
117.实施例
118.以下示出利用了以上所示的材料设计系统的材料设计的实施例。在此，设想设计满足任意的机械特性的高分子材料的材料开发。作为一例，举出形成球晶的高分子材料。
119.图19是表示高分子材料中的材料功能、分子特征量与构成材料的关系例的示意图。示出材料功能401、分子特征量402以及构成材料403的相关关系。示出机械特性等材料功能的节点411、球晶尺寸等分子特征量的节点412、官能基的种类等构成材料的节点413、将它们连结的边414。将这些节点区分成几个阶层。在图19中，示出综合特性的阶层等材料功能的阶层421、连续体标尺的阶层等分子特征量的阶层422、分子规格的阶层等构成材料的阶层423。
120.以上那样的节点、边、阶层构造可以作为输入在初期给出，也可以在以下的步骤中途附加或变更。在此，设为在初期给出节点和阶层构造。边在没有某种调查结果的情况下原则上不明示，在本实施方式中，设为在以下的过程的中途附加。
121.机械特性根据抗拉强度等来确定。因而，在图19中，在材料功能的要素试验的阶层示出抗拉强度的节点。在本实施例中，以分子特征量为起点进行满足所期望的材料功能的材料设计。因而，首先应着眼的是分子特征量的节点。各种分子特征量当中认为是连续体标尺的阶层的节点中有球晶尺寸，在认为是分子集合标尺的阶层的节点中有取向度、结晶密度，在认为是分子标尺的阶层的节点中有相互作用、化学反应性等。在调查与抗拉强度的节点的相关关系时，与标尺的阶层最接近的节点是球晶尺寸的节点。
122.图20a是表示高分子材料中的球晶的一例的示意图，图20b是表示高分子材料中的球晶的其他一例的示意图。图20a以及图20b是球晶尺寸相互不同的材料的示意图。在图20a以及图20b中示出任意的球晶601以及任意的球晶边界602。在任意的球晶601中辐射状延伸的线表示结晶的方向。
123.在本实施例中，先调查认为最接近所期望的材料功能的球晶尺寸。在此，能使用能表达球晶的形状、构造的有限要素法、粗粒化分子动力学法等来计算抗拉强度。
124.图21a是表示设为节点的球晶尺寸与抗拉强度的相关关系的一例的图。在图21a
中，示出以球晶尺寸为输入值而使用有限要素法、粗粒化分子动力学法来求取抗拉强度的结果。一般在这样的调查结果中，考虑单调增加、单调减少、重复增减的情况等。在图21a中示出根据单调减少的线段或向下凸的2次曲线来得到结果的样子。通过这样的调查结果，能进行利用了球晶尺寸的抗拉强度的控制。在认可相关关系的情况下，运算装置在相应的节点间输入边。
125.图22a是成为图21a的抗拉强度-球晶尺寸间的关系调查的基础的示意图。在图22a中，通过球晶材料的要素试验标尺截面图611表达球晶尺寸，运算装置能通过使用这样的计算模型来调查抗拉强度。
126.接下来，调查相对于给所期望的材料功能的影响明确的球晶尺寸的节点被认为最接近的节点。在图19中，标尺的阶层与球晶尺寸的节点最接近的节点的1个是取向度的节点。在此，可以使用能表达高分子的高阶构造的粗粒化分子动力学法等，根据取向度计算球晶尺寸。
127.图21b是表示设为节点的取向度与球晶尺寸的相关关系的一例的图。在图21b中示出作为以取向度为输入值求取球晶尺寸的结果而得到了单调减少的线段或向下凸的2次曲线的样子。通过这样的调查结果，能进行利用了取向度的球晶尺寸的控制。在认可相关关系的情况下，在相应的节点间输入边。
128.图22b是成为图21b的球晶尺寸-取向度间的关系调查的基础的示意图。图22b相当于图22a的球晶材料的要素试验标尺截面的局部部位612的部分放大。在球晶材料的连续体标尺截面图613中，曲折的实线表示折叠的高分子的样子，虚线表示球晶的结晶方向。在图22b中，表达高分子的取向，通过使用这样的计算模型，能调查球晶尺寸。
129.根据到目前为止的调查，通过经由球晶尺寸，能以取向度为输入项目来控制抗拉强度。
130.接下来，调查相对于给所期望的材料功能的影响明确的取向度的节点被认为最接近的节点。在图19中，标尺的阶层与取向度的节点最接近的节点的1个是相互作用的节点。在此，所谓相互作用，设为范德华力等物理上的相互作用。能使用能表达分子的化学构造的粗粒化分子动力学法、全原子分子动力学法等，根据相互作用来计算取向度。
131.图21c是表示设为节点的相互作用与取向度的相关关系的一例的图。在图21c中，示出作为以相互作用为输入值求取取向度的结果而得到了单调减少的线段或向下凸的2次曲线的样子。通过这样的调查结果，能进行利用了相互作用的取向度的控制。在认可相关关系的情况下，存储装置在相应的节点间输入边。
132.图22c是成为图21c的取向度-相互作用间的关系调查的基础的示意图。图22c相当于图22b的球晶材料的连续体标尺截面的局部部位614的部分放大。在球晶材料的分子集合标尺截面图615中，点表示原子或由数个原子构成的原子团，实线表示高分子内的键。在图22c中，表达分子构造以及它们的相互作用，运算装置能通过使用这样的计算模型来调查取向度。
133.根据到目前为止的调查，通过经由球晶尺寸和取向度，能以相互作用为输入项目来控制抗拉强度。
134.接下来，调查相对于给所期望的材料功能的影响明确的相互作用的节点被认为最接近的节点。在图19中，与相互作用的节点最接近的节点的1个是位于构成材料中的官能基
的种类的节点。可以使用能表达分子的化学构造的全原子分子动力学法、分子轨道法等，根据官能基的种类来计算相互作用。
135.图21d是表示设为节点的官能基的种类与相互作用的相关关系的一例的图。在图21d中，示出作为以官能基的种类为输入值求取相互作用的结果而得到了单调减少的线段或向下凸的2次曲线的样子。通过这样的调查结果，能进行利用了官能基的种类的相互作用的控制。在认可相关关系的情况下，运算装置在相应的节点间输入边。
136.图22d是成为图21d的相互作用-官能基的种类间的关系调查的基础的示意图。图22d相当于图22c的球晶材料的分子集合标尺截面的局部部位616的部分放大。在任意的球晶材料的分子标尺截面图617中示出分子内的一部分化学构造。运算装置能用这样的计算模型来调查相互作用。
137.根据到目前为止的调查，通过经由球晶尺寸、取向度和相互作用，能以官能基的种类为输入项目来控制抗拉强度。官能基的种类由于根据分子本身(图19中的分子a、分子b等)而唯一确定，因此能选定实现所期望的抗拉强度的分子。
138.作为上述中未叙述的本实施例的效果，有以下效果。
139.通过本实施例，通过整理材料功能、分子特征量、构成材料以及它们的关系，能客观且合理地找出材料设计的方针。因而，本实施例的用户并不非要格外拥有与任意的技术领域相关的专业性，能降低用户的负荷。此外，通过整理材料功能、分子特征量、构成材料以及它们的关系，原理、机制的逻辑变得清楚，能提高各内容的可靠性。
140.此外，通过调查的范围和必要性变得明确，关于使用场面、使用环境，也能去除不需要的制约，能降低环境构建所涉及的负荷。例如，能仅关于调查所需的部位进行备齐实验、分析、模拟的设备这样的判断。
141.能提供关于在现有技术中属人地保有的信息、知识(例如，达到使用该技术的理由的理由、技术上的工夫、得到结果后的解释、认知等)进行保存以及可视化的功能。因而，能用在本实施例的用户所具有的信息、知识的保存、体系化、传承等中，此外，另一方面，还能用在本实施例的用户的学习、理解促进、经验积累机会等的提供等中。
142.附图标记的说明
143.101
…
材料设计系统、102
…
使用了外部装置的材料设计系统、201
…
输出画面、202
…
输入栏、401
…
材料功能的节点群、402
…
分子特征量的节点群、403
…
构成材料的节点群、411
…
材料功能的节点、412
…
分子特征量的节点、413
…
构成材料的节点、414
…
边、414a
…
跨越材料功能-分子特征量的边、414b
…
跨越分子特征量-构成材料的边、421
…
材料功能的阶层、422
…
分子特征量的阶层、423
…
构成材料的阶层、501
…
存储值的集合、501a
…
上位概念的存储值的集合、501b
…
中位概念的存储值的集合、501c
…
下位概念的存储值的集合、501
…
任意的存储的示意图、510
…
节点值、511
…
边值、512a
…
节点的属性值、512b
…
边的属性值、513a
…
附带节点的属性值612a的节点、513b
…
附带边的属性值612b的边、601
…
任意的球晶、602
…
任意的球晶边界、611
…
球晶材料的要素试验标尺截面图、612
…
球晶材料的要素试验标尺截面的局部部位、613
…
球晶材料的连续体标尺截面图、614
…
球晶材料的连续体标尺截面的局部部位、615
…
球晶材料的分子集合标尺截面图、616
…
球晶材料的分子集合标尺截面的局部部位、617
…
球晶材料的分子标尺截面图。