材料研究科学工学センター

材料研究科学工学センター（MRSEC ）は、米国国立科学財団（NSF）材料研究部門のMRSECプログラムによって支援されている大学を拠点とする研究センターです。これらのセンターは、材料科学に関する学際的な研究を支援しています。[1] MRSECは、NSFのセンターベースの研究ポートフォリオの重要な構成要素です。MRSECは1994年にNSFによって設立されましたが[1]、その起源はスプートニク後の時代にまで遡ります。これらのセンターは、材料研究と教育の実施に大きな変化をもたらしました。[2]

現在のMRSECに関する情報の多くはウェブサイト[1]から入手できるため、ここでは現在のプログラムの概要のみを示す。本稿の主な目的は、MRSECの歴史的側面と、米国における材料研究と教育への影響の重要性を概観することである。

プログラム概要

MRSECにおける研究は、6人から12人以上の研究者からなる学際研究グループ（IRG）によって行われます。MRSECの規模は2～4つのIRGで構成されます。センター内のIRGのテーマは、密接に関連する科学技術トピックに焦点を当てている場合もあれば、異なる研究分野を網羅している場合もあります。[1]

MRSECの助成金は6年間有効で、3年ごとにコンペティションが開催されます。コンペティションは米国のすべての学術機関に開放されています。1つの機関につき1つの助成金のみが授与されます。[1] MRSECへの資金提供額は現在、年間数百万ドル程度です。各センターは、提案され承認された研究教育計画に沿って資金を配分するかなりの柔軟性を持っています。典型的なMRSECは、「シードプロジェクト」の支援に資金を割り当てます。[1]

MRSECは、他の学術機関、国立研究所、産業界との連携に加え、国際共同研究も行っています。また、センターには広範な実験・計算施設が備えられており、外部のユーザーが自由に利用できます。[1]

これらのセンターの主要な使命は人材育成です。センターの資金の大部分は、学生（学部生と大学院生）とポスドク研究者への支援に充てられています。さらに、MRSECは、博物館やその他の公共機関との連携を通じて、K-12（幼稚園から高校までの児童・生徒）や公教育を対象としたアウトリーチ活動を行っています。[1] [3]

歴史的背景

1960年以前

現代の材料研究は、物理学、化学、工学、そして近年ますます生物科学や数学といった伝統的な科学分野の多くと交差しています。20世紀半ばまでは、これらの様々な分野がそれぞれ独自の方法論を用いて材料研究に取り組んでいました。特に学術機関における学際的な共同研究は一般的ではありませんでした。例外としては、第二次世界大戦中の核エネルギー生産の軍事的および平和的利用を含む、飛躍的な技術開発につながった共同研究の成功が挙げられます。[4]

1950年代後半、米国政府は学術機関における学際的・共同研究への支援を強化しました。1957年10月4日のロシアの宇宙衛星スプートニクの打ち上げは、米国における科学技術研究の実施方法に大きな影響を与えました。2つの新しい機関が設立されました。米国航空宇宙局（NASA）と国防総省内の高等研究計画局（ARPA、後のDARPA ）です。 [4] NASAは米国が支援する宇宙探査を定義することになりました。ARPAは、多くの場合軍事応用の可能性も含む、より広範な科学技術を管轄していました。さらに、1958年の国防教育法は、訓練を受けた技術者、科学者、数学者の数を増やすことを目指しました。[4]

スプートニク計画後、科学研究への投資拡大への熱意が高まり、1958年3月、アイゼンハワー大統領の科学諮問委員会（PSAC）は、米国における材料研究の調整に関するより広範な勧告を行いました。その後、「米国科学の強化」と題された報告書が、1958年12月にアイゼンハワー大統領に提出されました。[4]この報告書は、1959年3月13日のアイゼンハワー大統領の大統領令により、連邦科学技術評議会（FCTS）の設立につながりました。この評議会の初期の活動の一つは、「材料研究開発調整委員会」（CCMRD）の設立であり、原子力委員会（AEC）の研究部長であるジョン・W・ウィリアムズが議長を務めました。最終的な成果として、1960年半ばにARPAの監督の下、大学を拠点とする3つの学際研究所（IDL）が設立されました。[5] [2]

固体科学と材料科学における学際的な研究室という構想は、ベル研究所などの産業界の研究室において既に大きな成功を収めており、例えばトランジスタやレーザーの開発につながっていました。学術環境におけるこのような研究室の設立は、スプートニク後の時代に、大規模で高度に訓練された科学研究員の需要が高まったことにより、自然に生まれました。[4]

学際研究室（IDL）1960-1972

MRSECは、1960年に国防総省が開始した学際研究所（IDL）から発展しました。[5] [2]コーネル大学、ペンシルベニア大学、ノースウェスタン大学の3つの学際研究所の設立は、1960年7月11日にARPAによって発表されました。 [4]契約では、これらの大学は「学際的な材料研究プログラムを設立し、材料科学の研究を行うために必要な人員と施設を提供する」ことが求められました。[2]翌年（1961年）、さらに8つのIDLが設立されました：[2]ブラウン大学、シカゴ大学、ハーバード大学、メリーランド大学、マサチューセッツ工科大学、ノースカロライナ大学、パデュー大学、スタンフォード大学。1962年には、イリノイ大学に12番目のIDLが追加され、原子力委員会（AEC）によって管理されました。その後、さらに3件のAEC契約と2件のNASA経由の契約がありました。[2]原子炉の登場と、原子炉のコスト、効率、安全性における材料の重要性以来、強力な材料研究コミュニティを確立する上でのAECの役割はよく知られていました。[5]著名な数学者であり、マンハッタン計画に貢献したジョン・フォン・ノイマンは、 1955年には早くもAECのコミッショナーおよびAEC一般諮問委員会（GAC）のメンバーとして、学術的環境における材料に焦点を当てた研究所を強く支持していました。[5]

IDLは学生の育成に多大な影響を与えました。1969年までに360名を超える博士号が新たに授与されました。米国科学アカデミー[6]の報告書は、これらのセンターベースのプログラムが「材料科学と工学」を新たな学際的活動として定義する上で重要な役割を果たしたと結論付けています。これは、1960年から1970年にかけて、そしてそれ以降も材料科学系の学科が急増したことからも明らかです。さらに、これらの卓越したセンターは、新たな施設インフラの構築に加え、材料科学者だけでなく、物理学者、化学者、エンジニア、その他の専門家の育成にも貢献しました。[5] [2]

全米科学アカデミーの研究[6]は、IDLは成功と見なされているものの、大学の異なる学部の教員間の学際的な連携には成長の余地があると指摘しています。しかしながら、共同ブロック資金の提供や、多様な学部の学生と教員による共有実験施設の共同利用が、材料研究における学際性の向上の芽を育んだことは認められています。[5] [2]

材料研究研究所（MRL）1972-1994

1969年後半、マイク・マンスフィールド上院議員が提案した軍事権限法の修正により、 ARPA/DARPAを含む国防総省の機関による長期基礎研究への資金提供に制限が課されました。[7] [8]（ARPAは1972年にDARPAに変更されました）。その結果、1970年にIDLを国立科学財団（NSF）に移管することが決定されました。[2]学際研究と共有施設に対するブロック型IDL助成金は、特定分野における主に小規模の単独研究者助成金を支援していた当時のNSFの資金提供アプローチからの明確な転換を意味しました。NSFによるIDLプログラムの徹底的なレビューの後、当時存在していた12のIDLをNSFに移管することが推奨されました。しかし、移管にはいくつかの重要な条項が伴いました。これらには以下が含まれます。[2]

現在は「材料研究研究所」と改名されているこれらの研究所は、地域ごとに管理されるブロック（または「コア」）資金を維持し、「従来の個別研究資金では困難または実行不可能な材料科学および工学の研究を促進する」ことを目的としています。最も重要なのは、NSFによって新たに追加された要素、「科学的卓越性はMRLコア支援の資格を得るための必要条件であるが、もはや十分条件ではない」という点です。さらに、MRLは、「2つ以上の材料関連分野の専門知識を必要とする、一貫性のある、学際的で、複数の研究者によるプロジェクト」を促進する能力によって評価されます。これらのいわゆる「スラストグループ」は、MRLにおける現在のコア資金の中核であり、その最大の成果として、大学における材料研究の実施方法と大学院教育の進め方に変革をもたらしました。[2]

1972年にNSFが新しい材料研究所を承認したことで、材料研究部門（DMR）が設立されました。当初のポートフォリオは、MRLプログラムに加え、NSFの他の部門から引き抜かれた材料科学に密接に関連する個人研究者プログラムで構成されていました。当初、MRLプログラムはDMR予算の約40%を占めていました。1985年までに、個人研究者プログラムと小グループプログラムの成長に伴い、MRLプログラムはDMR総予算の約20%を占めるようになりました。[2]

1972年から1985年にかけて、いくつかのMRLが追加され、既存のセンターの一部は段階的に廃止されました。以下の表は、この情報をまとめたものです。[9]

表1 1960～1996年の学際研究室（IDL）と材料研究研究室（MRL）。1960年から1972年まではIDL、1972年からはMRLとして認定された。1994年と1996年に廃止された研究室は、それぞれ1994年と1996年に新しい材料研究科学工学センター（MRSEC）の設立をめぐって、他の機関との競争に参加する資格があった。[9]

機関 年が始まりました 終了年
コーネル大学 1960 1994
ペンシルベニア大学 1960 1996
ノースウェスタン大学 1960 1996
ブラウン大学 1961 1988
シカゴ大学 1961 1994
ハーバード大学 1961 1994
メリーランド大学 1961 1977
マサチューセッツ工科大学 1961 1994
ノースカロライナ大学 1961 1978
パーデュー大学 1961 1987
スタンフォード大学 1961 1994
イリノイ大学アーバナ・シャンペーン校 1962年（AECと共催） 1994
カーネギーメロン大学 1973 1987
マサチューセッツ大学アマースト校 1973 1994
ペンシルベニア州立大学 1974 1987
ケースウェスタン大学 1974 1987
オハイオ州立大学 1982 1987
カリフォルニア大学サンタバーバラ校 1992 1996

MRLの技術的成果は大きく、多くの研究で詳細に説明されている。[5] [2] [10]もう一つの重要な影響は、米国の大学において、従来の学科の境界を越えて研究を行う方法に関して文化的変化が生じたことである。この傾向はIDLによって始まったが、学際性の要件に関するNSFの新しいガイドラインのおかげで、MRLプログラムによって大きく強化された。新世代の学生は高度に協調的で学際的な環境で訓練を受け、材料科学および凝縮系科学分野におけるIDL/MRLプログラムの経験は、幅広い分野における他のセンター型研究の実証の場となるだろう。[5] [2]

IDL/MRLが他のNSFセンターに与える影響

1980年代半ばには、幅広い分野においてNSFセンターを拠点とする活動の設立にとって好ましい傾向がいくつか見られました。産業界やその他の資金源からのマッチングファンドを活用した基礎科学への政府投資への関心が高まりました。さらに、研究の実施と学生教育における学際的なチームの役割が広く評価されました。[5]

NSFにおける最初のセンターベースの取り組みは、 1985年の工学研究センター（ERC）の設立でした。材料研究室への資金提供という25年間の歴史は、大学が学際研究の実施においてより広範な役割を担えるよう準備を整える上で重要な役割を果たしましたが、この歴史的な繋がりは広く認識されていませんでした。NSFと科学技術政策局は共に、ERCの設立を1985年におけるNSF資金の有効活用のための主要な新しい取り組みと見なしていました。1985年のERCプログラムの発表に関する以下の記述は、その点を示唆しています。[4] [11]

レーガン大統領の科学顧問であり、科学技術政策局長であったジョージ・A・キーワース2世は、国立科学財団によるERCの創設について、「連邦政府の研究開発費の効率と効果を高めるために政権として行った最も重要なこと」と述べています。[4] [11]彼は、これらのセンターは科学技術分野の様々な分野において広く認識されているニーズに対応していると述べた。「これらの分野における最先端技術の継続的な開拓は、問題解決に取り組むための学際的なチームを編成することの難しさによって制約されてきました。我が国の大学は、当然のことながら、専門分野別の研究を追求するように組織されています。一方で、我が国はますます、技術に基づく解決策を持つ問題の解決に直面することになっています。私たちは若者を問題解決の環境にさらす必要があります。…これらのセンター ― 私はむしろ科学技術センターと呼びたい ― は、化学者、物理学者、神経生物学者、エンジニアなどが集まり、刺激的で知的に要求の厳しい現実世界の問題を解決するための学際的なメカニズムです。」[4] [11]

ウィリアム・O・ベイカーは、ERCの経済的可能性に関する上記のコメントは、1960年代初頭に最初のIDLについて述べられたものとほぼ同じであると指摘しました。ベイカーは、「我が国の優秀な学術的才能の非常に大きな部分を巻き込んだこの概念について、現在これほど合意が得られていることは本当に喜ばしい」と結論付けています。[4]

最初の6つのERC助成金は1985年に交付されました。これらの助成金は通常5年間で、さらに5年間の更新が1回可能で、合計10年間の資金提供となります。[12]同年、NSFは5つのスーパーコンピューティングセンターに5年間の助成金を交付し、最終的にはNSFプログラムのあらゆる分野に及ぶ科学技術センター（STC）プログラムの開発計画を立てました。最初の11のSTCは1988年に設立されました。[9] 2013年度のSTCに含まれる13のセンターは、脳と知能の研究から大気プロセスのモデリング、量子材料の研究まで、幅広い分野をカバーしています。[13]

センター資金が個々の研究者への助成金に及ぼす影響を懸念したため、国立科学委員会は、センター助成金は公開再競争なしには更新できないようにすることを義務付けました。[9] ERCとSTCの設立以来、NSFの主要分野全体にわたって多数のセンターが設立され、現在ではNSFの資金ポートフォリオの重要な要素となっています。[9]

MRSECの設立（1994年 - 1996年）

MRLの大部分は1972年から1984年の間に開始され、その後追加されたのはごくわずかでした。1992年のMRL競争では、カリフォルニア大学サンタバーバラ校のMRLが1つの新規センターとして発足しました。新規助成金の不足と、全米科学委員会による再競争要件が相まって、NSF材料研究科学工学センター（MRSEC）プログラムの発展の推進力となりました。以前は、MRLは一度資金提供を受ければ、他のセンター候補と競争することなく継続的に支援を受けることができました。MRSECプログラムでは、助成金の交付期間が固定されており、現在は6年間です。追加支援は可能ですが、他のすべての応募者と全国規模で競争する新たな提案に基づいてのみ可能です。[1] [9]

MRLプログラムからMRSECプログラムへの移行は、それぞれ1993/94年と1995/96年に開催された2回のコンペティションを通じて行われた。これらのコンペティションは、当時MRLの助成金を受けている機関を含む、米国のすべての学術機関が参加できた。1984年にNSFで開始された材料研究グループ（MRG）プログラムの下で助成金を受けた機関は、このコンペティションに参加する資格があった。MRLとMRGの助成金はすべて1996年以降廃止された。1994年から1996年にかけてのコンペティションには、合計10のMRLと17のMRGが参加した。表2に示すように、MRLのうち9つがMRSECへの移行に成功し、6つのMRSEC助成金は以前にMRG助成金を受けていた機関に支給された。重要なのは、材料研究においてNSFのセンターや大規模グループの支援をほとんど受けたことのない6つの機関に、新たにMRSEC助成金が支給されたことである。[9]

表. 材料研究科学工学センター（2023年春）[14]

機関 開始年
ブランダイス大学 2020
カリフォルニア大学アーバイン校 2020
カリフォルニア大学サンディエゴ校 2020
カリフォルニア大学サンタバーバラ校 2023
シカゴ大学 2020
コロンビア大学 2020
デラウェア大学 2020
ハーバード大学 2020
イリノイ大学、UC 2023
ミネソタ大学 2020
ノースウェスタン大学 2023
オハイオ州立大学 2020
ペンシルベニア州立大学 2020
プリンストン大学 2020
テネシー大学 2023
テキサス大学 2023
ワシントン大学 2023
ウィスコンシン大学 2023

MRSECプログラムに関する国立アカデミーの調査（2007年）

MRSECプログラムの評価は2007年に米国科学アカデミーによって発表されました。[9]概要ではプログラムの影響が次のようにまとめられています。

MRSEC賞の需要は依然として高く、コミュニティ内での熾烈な競争は、高い価値が認識されていることを示しています。[9]

報告書には、MRSECプログラムが影響を与えるいくつかの重要な分野が挙げられており、その中には次のようなものを育成するリソースと環境の提供も含まれています。[9]

  • 学際的、共同研究;
  • 将来の科学技術分野の労働力のための学際的なトレーニング。
  • 単独研究者への助成金では不可能な、リスクの高いプロジェクトのサポートを含む新しいアイデアへの迅速な対応。
  • 材料研究に対する機関、地方、および/または州の支援の強化。
  • 質の高い学生と若手教員の誘致;
  • 実験および計算施設、教育および産業アウトリーチの組織化と管理に役立つインフラストラクチャの開発。

報告書の勧告には、センターへの助成金額の増額が含まれており、これにより教育とアウトリーチ活動のための十分な資源を確保しつつ、研究活動への支援が損なわれることがないようにする。さらに、NASの調査では、MRSECの協力体制を強化し、これまで進められてきた全国的なセンター協力ネットワークの構築に向けた取り組みを継続することが推奨されている。[1]報告書は、このようなネットワークが完全に構築されれば、「米国における材料科学と工学を学問分野として、そして米国の競争力の要因として強化する」と結論付けている。[9]

参考文献

  1. ^ abcdefghij 「MRSECプログラム概要」
  2. ^ abcdefghijklmn LH Schwartz、「Materials Research Laboratories: Reviewing the First Twenty-F​​ive Years」、Advancing Materials Research (P.A. Psaras および HD. Lanford 編、National Academy Press、Washington, DC 1987)、35-48 ページ。
  3. ^ U. Strom、「ガルシアセンターは学生を研究室から現実世界へ導く」、MRS Bulletin 32、728-730 (2007)。[1]
  4. ^ abcdefghij WO Baker、「材料研究開発の進歩」『材料研究の進歩』（P.A. Psaras および HD. Lanford 編、National Academy Press、ワシントン DC、1987 年）、3-24 ページ。
  5. ^ abcdefghi RL Sproull、「Materials Research Laboratories: The Early Years」、Advancing Materials Research （PA Psaras および HD Lanford 編、National Academy Press、ワシントン DC、1987 年）、25-34 ページ。
  6. ^ ab 米国科学アカデミー、材料科学工学調査委員会（COSCMAT）、材料と人間のニーズ：材料科学工学、第3巻（米国科学アカデミー、ワシントンD.C.、1975年）、pp. 7–209 - 7-210
  7. ^ 全米科学委員会：1950年から2000年までのハイライトの歴史、「1970年代：マンスフィールド修正条項」
  8. ^ 全米科学委員会：1950年から2000年までのハイライトの歴史、「1980年代：センターをめぐる議論」
  9. ^ abcdefghijk 全米科学財団の材料研究科学工学センタープログラム：振り返りと前進（全米科学アカデミー出版、2007年）「読み取り専用リンク」
  10. ^ JG LingとMA Head、「材料研究における連邦政府の資金」（MITRE報告書の調査結果の要約）。Science 209, 1203 (1980); Technical Report 7764 (MITRE Corp., Bedford, Mass., Sept. 1978)
  11. ^ abc 科学と政府レポート15（18）、4（1985）
  12. ^ 工学研究センター「国立科学財団ウェブサイト」
  13. ^ 科学技術センター「国立科学財団ウェブサイト」
  14. ^ 「NSFは研究センターに1億6200万ドルを投資し、実験室から工場までの材料科学を加速する」。

さらに読む

  • ブライアント、クライド・L. (2002年8月). 「Up Close: Materials Research Science and Engineering Centers—US National Network for Materials Science」(PDF) . MRS Bulletin . 27 : 637– 645. doi :10.1557/mrs2002.201.
  • 国立科学財団—材料研究科学工学センター
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