NIST、重要鉱物・材料の課題解決に向けたデータベース・ツール・能力を公開

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この記事のポイント

• NISTは、重要鉱物・材料（CMM）の課題解決に役立つ多様なデータベース、デジタルツール、実験能力を提供しています。
• これらのリソースは、材料管理の最適化、代替材料の発見、回収プロセスのスケールアップを支援します。
• 記事では、材料データ基盤、計測・分析、先進製造・加工、データ駆動評価、経済・循環性モデリング、品質保証プログラムなどの分野に焦点を当てています。
• 特に、材料データ基盤には、CALPHADデータベース、JARVIS、Materials Data Curation Systemなどが含まれます。
• 計測・分析能力としては、ICP-MS、SEM-EDS、X線マイクロカロリメトリーなどが挙げられます。

NISTが提供する多様なリソース

NIST（国立標準技術研究所）は、複雑な重要鉱物・材料（CMM）の課題に取り組むための、包括的なデータベース、デジタルツール、そして独自の実験能力をホストしています。これらの基盤となるリソースは、ステークホルダーが材料管理を最適化し、代替材料の発見を加速させ、回収プロセスをスケールアップするために必要な、技術的および計量学的な基盤を提供します。

CMM研究の推進に特に関連性の高い専門的な能力を以下に詳述します。

材料データ基盤

NISTは、Materials Genome Initiative（MGI）の下での取り組みを含む、包括的な外部向けデータベースとレジストリをホストしており、これらはCMMの課題に対処するために活用できます。これらのリソースは、分離、代替、材料回収を情報化するために必要な構造データと熱物性データを提供します。

CMM材料研究向けデジタルツール

データベース/レジストリ（ハイパーリンク付き）	データタイプ	説明
CALPHADデータベースリポジトリ	熱力学/動的	多成分挙動を予測し、新規合金開発と加工を加速するためのファイルインフラストラクチャ
JARVIS (ML, FF, DFT)	計算/AI	密度汎関数理論（DFT）と機械学習を利用し、データ駆動型の重要材料設計を推進
Materials Data Curation System	ソフトウェアプラットフォーム	XMLスキーマを介して、実験的および計算的なCMMデータを管理、標準化、共有するためのオープンソースプラットフォーム
NIST Materials Resource Registry	デジタルディレクトリ	NISTの多様な材料データ資産および関連するサードパーティリポジトリを発見・ナビゲートするための高レベル検索ツール
Thermodynamics Research Center: NIST Alloy Data	実験的物性データ	金属システム向けのキュレーションされた熱物性データセットを含むWebアプリケーション。精錬および鋳造の最適化に不可欠
NIST Inorganic Crystal Structure Database	構造データ	無機化合物の詳細な結晶構造データ。回折技術による鉱物相の同定に不可欠
Materials Data Repository	オープンリポジトリ	FAIR（Findable, Accessible, Interoperable, Reusable）な材料データをホスト、アーカイブ、共有するための中央ハブ
ACerS-NIST Phase Equilibria Diagrams Database	相平衡	American Ceramic Societyと共同で作成された標準参照データベース。化学抽出および液固分離プロセスの設計に使用

計測、特性評価、分析

NISTは、高度な分析ツールと計測科学における深い専門知識を包括的に維持しています。以下の表は、原材料から複雑な電子廃棄物まで、多様な原料におけるCMMの同定、定量、検証に使用されるNISTの既存の機器と方法をまとめたものです。

CMM関連の計測・分析能力

カテゴリー	機器/方法	機能とCMMへの応用
高度イメージング	全内部反射（TIR）	マトリックス分析：ケイ酸塩および炭酸塩をマッピング。重要鉱石中の脈石（ガング）の分析に不可欠
	可視・近赤外（VNIR）および短波長赤外（SWIR）	鉱物ID：反射率と熱放射を使用して酸化物を同定。顕微鏡スケールから衛星スケールまでスケーラブル
原子・光学分光法	誘導結合プラズマ質量分析法（ICP-MS）	超微量分析：同位体分析（pptレベル）。高純度または希釈サンプル中の希土類元素（REE）に対して高感度
	誘導結合プラズマ発光分光法（ICP-OES）	バルク分析：主要・少量成分の定量分析。鉱石や電子廃棄物のような複雑なサンプルにより適している
	蛍光X線分析法（XRF）	フィールドスクリーニング：非破壊的な化学識別。携帯型バージョンは、鉱石グレードの迅速なフィールドスクリーニングを可能にする
	分光電気化学セル	リアルタイムモニタリング：ポテンショスタットをラマン/IRと統合し、リアルタイムの化学状態に対する堆積電位をマッピング
顕微鏡・表面科学	エネルギー分散型X線分光法（EDS）を搭載した走査型電子顕微鏡（SEM-EDS）	化学マッピング：高解像度イメージングと局所マッピング（100 nm以上）により、廃棄物中の鉱物粒を同定
	二次イオン質量分析法（SIMS）	薄膜分析：表面組成と薄膜を分析。半導体中の不純物層に有用
	X線マイクロカロリメトリー	スペクトル分解能：高解像度X線検出により、REEのような同族元素の重なり合ったスペクトル線を分離
核・中性子分析	放射化分析（INAA）	バルク元素と微量不純物：高感度多元素分析（ppb）。CMM合金のバルク元素と微量不純物の定量に優れている
	中性子深層プロファイリング（NDP）	「軽」元素プロファイリング：Li、He、B、N、Clに特に敏感な、ほぼ非破壊的な近表面中性子法
	プロンプトガンマ活性化分析（PGAA）	バルク元素：H、B、Liなどの元素、およびX線では測定が困難な元素の非破壊分析
	放射化学的中性子放射化分析（RNAA）	複雑なマトリックス：最低検出限界のために、照射後の化学分離を用いた特殊な中性子分析
物理・粒子計量学	空洞光学測定	粒子計量学：レーザー光圧を利用して、個々の微視的粒子の質量と密度を測定
	示差走査熱量測定（ITC）	結合熱力学：化学結合熱を測定し、回収剤との親和性および化学量論を決定
熱重量分析（TGA）とガスクロマトグラフィー質量分析計（GC-MS）の組み合わせ	蒸留速度論：質量損失とガス組成を測定し、選択的真空蒸留の活性化エネルギーを特定

中性子散乱と構造特性評価： NISTの中性子研究センターは、X線およびその他の技術を補完するユニークな非破壊能力を提供しており、X線遮断容器を通過する高い深度浸透を可能にし、プロセス中の材料の「オペランド」測定を可能にします。中性子は磁気モーメントに特異的に敏感であり、周期表の隣接する元素を区別できるため、磁性材料、エネルギー貯蔵システム、先進合金の構造解明に不可欠です。連絡先：Craig Brown

先進製造・加工

NISTの製造テストベッドと材料加工の専門知識は、工業条件下での材料性能を評価するための高忠実度環境を提供します。これらの能力は、CMMの使用を最適化し、リサイクルされた原料の採用を促進し、工業規模の回収の技術的基盤を確立するために使用できます。

製造・加工能力

• 積層造形（AM）システム： NISTは、SAMAD（System for AM Alloy Development）のような先進プラットフォームを維持しており、サイト固有のマルチマテリアル堆積が可能です。これにより、CMMを必要な場所にのみ正確に配置でき、材料要件が大幅に削減されます。連絡先：James Zuback
• 二次AM原料準備： NISTは、スクラップ金属などの不規則またはリサイクルされた原料を、積層造形可能な球状粉末に変換できる小型超音波噴霧能力を備えています。この能力により、二次材料原料を製造インプットとして迅速に評価できます。連絡先：Andrew Iams
• 先進堆積および触媒： NISTは、電気化学原子層堆積を使用して、材料配置を単層レベルで制御できます。これは、PGM（白金族金属）の「倹約な」使用に特に適しており、コアシェル構造を設計して触媒性能を向上させながら、貴金属の使用量を桁違いに削減できます。連絡先：Tom Moffat

重要材料のデータ駆動評価と検証

NISTは、人工知能、自律実験、高度な構造計量学を統合して、重要材料の課題に対するソリューションの評価と検証を加速します。これらの能力により、候補材料、加工経路、製造アプローチの迅速なスクリーニングが可能になり、予測モデリング、産業採用、サプライチェーンの回復力をサポートするために必要な高品質データが生成されます。連絡先：Fan Zhang

データ駆動型評価能力

• AIによる重要材料ソリューションの評価： NISTは、人工知能、キュレーションされた材料データベース、およびドメイン専門知識を活用して、重要材料の課題に対する潜在的なソリューションを迅速に特定および評価します。信頼できる材料データの自動分析と専門家による評価を組み合わせることで、NISTは候補材料、加工経路、抽出戦略を効率的にスクリーニングし、重要材料の代替品の開発と資格認定を加速できます。
• 自律実験プラットフォーム： NISTは、積層造形、アクティブラーニング、および高スループット特性評価を統合した自律実験プラットフォームを開発しており、複雑な組成および加工空間を効率的に探索できます。これらの能力は、材料評価とプロセス最適化を加速しながら、重要材料アプリケーションをサポートするために必要な高品質データを生成します。
• 動的相変態と構造計量学： NISTは、非平衡処理中のマイクロ秒からミリ秒スケールの相変態を捉えるために、高速シンクロトロンX線回折と高度な構造計量学を開発および採用しています。これらの測定は、予測モデルの検証と、処理、構造、性能の関係を理解するための重要なデータを提供します。

経済・循環性モデリング

NISTは、比較分析を可能にするための基礎データと参照モデルを提供し、研究者と産業界のステークホルダーが競合する技術経路を客観的に評価できるようにします。標準化されたオープンソースフレームワークの開発をサポートすることにより、NISTは、環境および経済的パフォーマンスの評価が、透明性があり、相互運用可能で、再現性があることを保証します。

経済・循環性モデリングツール

• ライフサイクルアセスメント（LCA）： NISTは、結果の一貫性を向上させるための参照LCAモデルとテンプレートを開発しています。これらのツールは、さまざまな生産およびリサイクル方法間での環境トレードオフの比較分析を可能にします。連絡先：Joshua Kneifel
• マテリアルフロー分析（MFA）： NISTは、グローバルおよび国内の境界を越えた材料ストックとフローを定量化するための体系的なフレームワークを提供します。これらのモデルは、ステークホルダーが回収されたCMM原料の機会を特定するのに役立ちます。連絡先：Nehika Mathur
• 需要予測： Bass Diffusion Modelなどのモデルを使用して、NISTは技術採用とその後の材料ニーズを投影するためのデータセットを生成します。これらの予測により、「What-if」シナリオ計画が可能になり、新興技術が長期的な材料の可用性にどのように影響するかを比較できます。連絡先：Nehika Mathur

品質保証プログラムの調整

NISTの化学科学部門は、外部の試験機関間で測定精度とデータ比較可能性を向上させるための自主的な品質保証プログラム（QAP）を調整してきた長い歴史があります。これらのプログラムを通じて、NISTは参加者にパフォーマンス試験材料を配布し、結果のデータを評価し、コミュニティ全体の測定課題に対処するためのワークショップを開催します。物理的な標準参照物質（SRM）と組み合わせることで、これらの演習は、産業界および研究機関が試験方法を検証し、厳格な品質管理基準を満たすのに役立ちます。続きを読む。連絡先：Melissa Meaney Phillips

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