デンドライト成長プロセスの解析技術の論文がSTAM:Methods誌にアクセプトされました！
トポロジー×物理＝デンドライト成長の新たな解析手法
本日、私たちの論文 "Linking Structure and Process in Dendritic Growth Using Persistent Homology with Energy Analysis" が Science and Technology of Advanced Materials: Methods にアクセプトされました！ 🎉
この研究では、デンドライト（樹枝状組織：雪の結晶が代表例）の成長プロセスを パーシステントホモロジー（PH） と 自由エネルギー解析 を組み合わせることで、良質な結晶成長の条件を明らかにする手法を構築しました。データ科学の先進技術を活用し、 物質の構造とプロセスをデータ空間で接続する 新しいアプローチを提案させていただきました。
何が新しいのか？
これまでのデンドライト成長では、「どんな形ができるか」はわかっていても、「なぜその形ができるのか？」という問いには、十分な答えが出せていませんでした。特に、成長途中で枝分かれが起こる 「ブランチング」 のメカニズムは、未解明な点が多かったのです。半導体やデバイスでは良質な結晶成長が必要で、ブランチングを抑制する技術が求められていました。
そこで、「トポロジー × 物理」 の視点からアプローチしてみました！
パーシステントホモロジーを使ってデンドライトの形状を記述し、その特徴量と自由エネルギーの相関で解析することで、 「ブランチングが起こる条件」 をデータ空間上で明らかにしました。この研究のポイントは・・・
パーシステントホモロジーによる形状の数値化：デンドライトの形状を「持続的な穴（ホモロジー）」として定量化。
エネルギーとの相関解析：得られた特徴量とギブス自由エネルギーを関連付けることで、成長の安定性を評価。
データ駆動型の自由エネルギーモデル：磁性材料向けに開発した 拡張自由エネルギーモデル（eX-GL） を、結晶成長のプロセス解析にはじめて応用。
研究の意義
この研究により、デンドライトの成長過程におけるエネルギー地形をデータ空間上で可視化し、「どのような条件でブランチングが起こるのか？」を定量的に示すことができました。これは、 薄膜成長の制御や高機能材料の開発 において重要なステップとなるはずです。
また、このアプローチはデンドライトだけでなく、 CVDグラフェンやボロフェンなどの2D材料にも応用可能かも。トポロジーとエネルギーの視点を融合することで、さまざまな材料開発の設計指針を提供できるのではないかと期待しています。
共著者のみなさま、本当にありがとうございました！ 🙌
データ科学と材料科学が交差するマテリアルズ・インフォマティクスの領域、今後もどんどん発展させていきたいと思います。
論文の詳細は、また公開されたらお知らせします。
研究を楽しく！！