材料開発のための計算化学の基礎と輸送物性シミュレーションの応用

はじめに：製造業の現場から見る材料開発とデジタル技術の融合

製造業の現場では、日々新しい材料の開発や改良が求められています。
特に、自動車、エレクトロニクス、化学産業など、大量生産が主流だった時代から、「高機能」「高付加価値」など“差別化”のキーワードが重視されるようになりました。

その中で、いま最も注目されている技術のひとつが「計算化学」です。
これは、物質や材料に関する「理論」と「計算」の融合によって、実験ではたどり着けなかった革新的な材料設計を可能にする技術です。

今回は、長年にわたり製造業の現場に携わってきた経験も踏まえ、計算化学の基礎から“輸送物性シミュレーション”の実践的な応用まで、最新の業界動向も絡めて解説します。

計算化学の基礎：なぜ今、ものづくりに必要なのか？

計算化学の定義と現場目線のメリット

計算化学とは、コンピュータを用いて分子や材料の構造、性質、反応を予測・解析する学問です。
理論化学の知見をもとに、物質世界を数値で“見える化”します。

現場から見た最大のメリットは、「コスト・時間の圧縮」と「トライアンドエラーの抜本的改革」です。
従来は、材料を一つ一つ合成し、実験を重ねて性能を確認しなければなりませんでした。
しかし計算化学を用いれば、作る前に“設計”段階で最適な材料をシミュレーションし、有望な組成や構造を絞り込むことができます。

主要な計算化学手法と現場投入のポイント

計算化学には主に次のような手法があります。

• 量子化学計算：分子の電子構造や反応性を解析
• 分子動力学（MD）シミュレーション：原子や分子の運動を現実的タイムスケールで追跡
• モンテカルロ法：確率論的なモデルで多彩な挙動を再現

現場で使いこなすポイントは、「計算結果そのものが材料特性の100％を保証するものではない」という認識です。
計算と実験を組み合わせ、仮説検証のサイクルを加速させることが、デジタル化時代のものづくり革新の鍵となります。

輸送物性シミュレーションの基礎と応用事例

輸送物性とは何か？

輸送物性とは、例えばイオンや分子、水、ガスなどが材料内部をどのように“移動・拡散”するかを示す物理的特性の総称です。
代表的な輸送物性には、拡散係数や伝導度、粘度、熱伝導率などがあります。

これらの物性は、電池や燃料電池、セパレーター、膜、水処理材料、樹脂複合材料など、ほぼすべての工業製品で設計性能に大きな影響を与えます。

現場での応用：リチウムイオン電池の電解液開発からプラスチック産業まで

最も広く知られている応用事例のひとつが、リチウムイオン電池の電解液設計です。
新しい溶媒や添加剤を検討する際、計算化学は分子～ナノスケールでイオンの輸送経路や障害要因を“目で見える”かたちで可視化します。

樹脂やゴムの場合、可塑剤やフィラーの分散、ガスバリア特性の向上なども、分子シミュレーションによって“分子が通り抜けるルート”を事前に予測することができます。
これにより、開発期間の短縮・コスト削減だけでなく、材料設計の“根拠あるスペック提案”が可能となりました。

バイヤー・サプライヤーの新しいコミュニケーションの形

従来、バイヤーは求める性能に合った材料を探し、サプライヤーは既製品やカタログスペックで応じていました。
しかし、計算化学・輸送物性シミュレーションが加わることで、相手の用途や課題を深く分析し、「なぜこの材料なのか？」という設計根拠まで含めた提案が一般的になりつつあります。

材料開発と調達購買の両視点から、論理的なコミュニケーションが生まれ、社内外の垣根を超えた“共創”が進みつつあるのです。

昭和から抜け出せないアナログ業界の課題と変化

未だ根強い“勘と経験”の現場文化

特に日本の製造業では、ベテランの勘や経験が重視されてきました。
計算化学やシミュレーションに馴染みが薄い現場は「机上の空論だ」「現場感と合わない」といった意見も根強く残っています。

確かに、定量的な裏付けがないシミュレーションや、“使いっぱなし”のツールに頼ってしまうと、失敗に繋がることもあります。
しかし、アナログな現場こそ、最新の数値解析を日々の知識と経験に重ね合わせていくことで、独自のノウハウとして高付加価値を生み出せる余地が多くあります。

“人を育てる”計算化学—社内教育と新しいキャリアパス

最近では、現場力とデジタル技術のギャップを埋めるため、計算化学やデータ解析を含む教育プログラムを持つ工場や研究所が増えています。
調達や購買、生産管理といった部署間でも、「材料開発の意思決定にシミュレーションを活用する」スキルが求められはじめています。

この変化は、バイヤー志望者やサプライヤー技術者のキャリアにも大きなチャンスをもたらします。
デジタルに強い知見を持つ技術者は、これからの“つなぎ役”として重用され、メーカー間の連携を加速する存在になることができるでしょう。

材料開発プロセスでの実践例：調達購買との連携ポイント

設計部門×調達×サプライヤーの“三位一体”を目指して

材料開発に計算化学を本格導入する場合、研究所単独での解析だけではなく、調達購買、法規対応、生産工程との連携が重要です。

例えば、新しい分子設計を行う場合、次の観点が不可欠です。

• 本当に入手可能な原料とサプライチェーン（調達工程の実現性）
• 量産プロセスへの適合性とコスト試算
• 環境規制への対応（グローバルでの法規制クリア）

近年、バイヤーや調達担当者も「計算化学シミュレーション結果」を技術仕様・品質基準への根拠として扱うことが増えています。
サプライヤー側も“提案型営業力”を高める必要があり、材料開発～調達～生産までを“見える化”できることこそ競争力の源泉となっています。

業界動向：エコマテリアル・サステナビリティ評価との連動

カーボンニュートラルやサステナブル材料の開発には“LCA（ライフサイクルアセスメント）”や“グリーン調達”の視点が欠かせません。
実はこの面でも計算化学や輸送物性シミュレーションが活用できます。

たとえば、バイオ由来の新素材を開発する際に、分子設計段階から「環境負荷」「資源効率」「リサイクル時の影響」まで予測できる時代になってきています。
このため、調達部門は従来以上に技術的知識とデータ解析力が求められます。

まとめ：計算化学・輸送物性シミュレーションで“現場主導”のDXを

ここまで述べてきたように、計算化学と輸送物性シミュレーションは、製造業の材料開発～生産管理～調達購買まで一貫して活用できる“現場起点のデジタル化”の切り札です。

アナログ文化からの脱却は一朝一夕では進みませんが、「現場の経験」と「データ解析力」の両方を生かした新たな価値創造こそ、これからの製造業の真の競争力となります。

バイヤー・サプライヤーを目指す方々には、ぜひ材料開発・現場改善の“新しい共通言語”として、計算化学・シミュレーションの基礎知識を意識して身につけていただきたい。
その積み重ねが、現場のイノベーションと業界全体の発展につながるはずです。