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）の材料研究部門のMRSECプログラムによってサポートされている大学ベースの研究センターです。センターは材料科学に関する学際的な研究をサポートしています。^[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]、そのルーツはスプートニク後の時代に遡ります。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必要としました。^[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、現在のプログラムの概要のみを示します。この記事の主な目的は、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確認することです。

MRSECの研究は、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）で行われます。MRSECの規模は2～4のIRGです。センター内のIRGのテーマは、密接に関連する科学または技術のテーマに焦点を当てることもあれば、異なる研究分野をカバーすることもあります。^[1]

MRSEC の助成金は 6 年間有効で、コンテストは 3 年ごとに開催されます。コンテストは米国のすべての学術機関に公開されています。1 つの機関につき 1 つの助成金のみが授与されます。^[1]特定の MRSEC の資金レベルは現在、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および教育計画に従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、産業界とのパートナーシップや国際協力を特徴としています。また、センターには広範な実験施設と計算施設があり、一般に外部のユーザーがアクセスできます。^[1]

これらのセンターの主な任務は人材育成です。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です。さらに、MRSECは博物館やその他の公共機関との協力を通じて、K-12の生徒や公教育に関わるアウトリーチ活動を行っています。^{[1] [3]}

現代の材料研究は、物理学、化学、工学、そしてますます生物科学や数学を含む多くの伝統的な科学分野と交差しています。20世紀半ばまで、これらのさまざまな分野は、独自の方法論で材料研究に取り組んでいました。特に学術機関では、学際的なコラボレーションは一般的ではありませんでした。過去の例外としては、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応用を含む激しい技術開発につながった成功したコラボレーションアプローチがありました。^[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た。2つの新しい機関が設立された。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 ）である。 ^[4] NASAは米国が支援する宇宙探査を定義することになっていた。ARPAはより広範囲に技術と科学を担当し、軍事への応用の可能性もしばしばあった。さらに、1958年の国防教育法は、訓練を受けたエンジニア、科学者、数学者の数を増やすことを目指した。^[4]

スプートニクの打ち上げ後、科学研究への投資拡大への熱意が高まり、1958年3月にはアイゼンハワー大統領の科学諮問委員会（PSAC）が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った。その後の報告書「米国科学の強化」が1958年12月にアイゼンハワー大統領に提出された。^[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の設立につながった。この評議会の初期の活動の1つは、原子力委員会（AEC）の研究部長ジョン・W・ウィリアムズが議長を務める「材料研究開発調整委員会」（CCMRD）の設立であった。最終的な成果は、1960年半ばにARPAの監督下で大学を拠点とする3つの学際研究所（IDL）が設立されたことであった。^{[5] [2]}

固体科学と材料科学の学際的な研究室というアイデアは、すでに産業研究室（ベル研究所など）で大きな成功を収めており、たとえばトランジスタやレーザーの開発につながっています。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的な労働力を求める需要から自然に生まれました。^[4]

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、マンハッタン計画の貢献者である}ジョン・フォン・ノイマンは、AECのコミッショナーおよびAEC一般諮問委員会（GAC）のメンバーとしての役割を果たし、 1955年には学術的な環境における材料に焦点を当てた研究所を強く支持しました。^[5]

IDL が学生の訓練に与えた影響は大きく、1969 年までに 360 名を超える新しい博士号が授与されました。米国科学アカデミー^[6]の報告書では、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」を新しい学際的な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られています。これは、1960 年から 1970 年にかけて材料科学部門が急増したことからも明らかです。さらに、新しい施設インフラストラクチャの構築に加えて、これらの卓越したセンターは、材料科学者だけでなく、物理学者、化学者、エンジニア、その他の専門家の訓練にもつながりました。^{[5] [2]}

全米科学アカデミーの研究^[6]では、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コラボレーションの成長の余地があると指摘されています。しかし、共同のブロックファンディングと、さまざまな学部の学生と教員による共有実験施設の共同使用は、材料研究における学際性の向上の種を植えたことが認められました。^{[5] [2]}

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が制限された。^{[7] [8]} (ARPAは1972年にDARPAに変更された)。その結果、1970年にIDLを国立科学財団に移管する決定が下された。^[2]学際研究と共有施設に対するブロック型IDL助成金は、特定分野における小規模な単独研究者助成金の支援が主流であった当時のNSFの資金提供アプローチからの明確な逸脱を意味した。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た。しかし、移管にはいくつかの重要な条項が伴った。これには以下が含まれる: ^[2]

「現在「材料研究研究所」と改名されている研究所は、従来の個別研究の資金提供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た、地域管理のブロック（または「コア」）資金提供を維持する。最も重要なのは、NSF によって追加された新しい要素が「科学的卓越性は、MRL コア支援を受けるための必要条件であるが、もはや十分な条件ではない」ということである。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、学際的かつ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る。これらのいわゆる推進グループは、MRL の現在のコア資金提供の中心であり、最高の状態では、大学での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ている。」^[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。その最初のポートフォリオはMRLプログラムと、NSFの他の部門から引き出された材料科学に密接に関連する個々の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、個々の研究者と小グループのプログラムの成長により、MRLプログラムはDMR予算全体の約20％のレベルで資金提供されました。^[2]

1972年から1985年にかけて、いくつかのMRLが追加され、既存のセンターのいくつかは段階的に廃止されました。次の表にこの情報をまとめます。^[9]

表1 1960年から1996年までの学際研究室（IDL）と材料研究研究室（MRL）。研究室は1960年から1972年までIDLとして、1972年からMRLとして指定されました。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）をめぐって他の機関との競争に参加する資格がありました。^[9]

MRLの技術的成果は大きく、多くの研究で詳細に述べられています。^{[5] [2] [10]}もう一つの重要な影響は、米国の大学における伝統的な学部の境界を越えて研究を実施する方法に関する文化的変化です。この傾向はIDLによって開始されましたが、学際性の要件に関する新しいNSFガイドラインにより、MRLプログラムによって大幅に強化されました。新しい世代の学生は、高度に協力的で学際的な環境で訓練され、材料科学と凝縮物質科学の分野での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タイプの取り組みの実証の場となるでしょう。^{[5] [2]}

1980年代半ばには、幅広い分野でNSFセンターを拠点とした活動の設立に向けたいくつかの好ましい傾向が収束しました。基礎科学に対する政府の投資に強い関心が寄せられ、産業界やその他の資金源からの資金提供によってそれが活用されるようになりました。さらに、研究の実施や学生の教育における多分野にわたるチームの役割が広く評価されました。^[5]

NSF における最初の新しいセンターベースの取り組みは、1985 年のエンジニアリング研究センター(ERC)の創設でした。材料研究所への資金提供という 25 年間の歴史が、大学が学際的な研究を行う上でより幅広い役割を受け入れる準備を整える役割を果たしたことは、新しいタイプのセンターの創設に役立ちましたが、この歴史的なつな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どちらも、ERC の創設を 1985 年の NSF 資金を活用する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次の説明は啓発的です。^{[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るジョージ・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有効性を高めるために政権として行った最も重要なこと」と述べている。」^{[4] [11]}彼は、これらのセンターは科学技術のさまざまな分野で広く認識されているニーズに対応していると述べた。「これらの分野での限界の継続的な押し上げは、問題に取り組むための学際的なチームを編成することが困難であるという制約を受けていました。私たちの大学は、当然のことながら、学際的な研究を追求するように構成されています。その一方で、私たちはますます、技術に基づいた解決策がある問題の解決に直面しています。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のですが）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される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 年代初頭のオリジナルの IDL について述べたものとほぼ同じであると指摘しました。ベイカーは、「我が国の最も優秀な学術的才能の非常に大きな部分を巻き込んだ概念について、現在このような合意が得られていることは実に爽快である」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1回5年間の更新が可能で、合計10年間の資金提供期間となります。^[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プログラムのすべての分野に関係する科学技術センター（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年のSTCクラスに含まれる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]

センターの資金が個々の研究者の助成金に与える影響を懸念して、国立科学委員会は、センターの助成金は公開再競争なしでは更新できないようにすることを要求した。^[9] ERCとSTCの設立以来、NSFの主要分野全体で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る。^[9]

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わずか数件でした。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 という 1 つの新しいセンターのみが開始しました。新しい助成金の不足と、全米科学委員会の再競争要件が相まって、NSF 材料研究科学工学センター (MRSEC) プログラムの開発の推進力となりました。以前は、MRL は一度資金提供を受けると、他のセンター候補と競争する必要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、助成金の期間が固定されており、現在は 6 年間です。追加の支援は可能ですが、他のすべての応募者と全国的に競争する新しい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 1993/4 年と 1995/96 年に開催された 2 つのコンペティションを通じて行われました。このコンペティションは、当時 MRL 賞を獲得していた機関を含む、米国のすべての学術機関に開放されていました。NSF で 1984 年に開始された材料研究グループ (MRG) プログラムで賞を獲得した機関は、このコンペティションに参加する資格がありました。MRL 賞と MRG 賞はすべて 1996 年以降廃止されました。1994 年から 1996 年のコンペティションには、合計で 10 の MRL と 17 の MRG が参加しました。表 2 に示すように、MRL のうち 9 つは MRSEC への移行に成功し、6 つの MRSEC 賞は以前に MRG 賞を獲得した機関に授与されました。重要なことは、材料研究において NSF センターまたは大規模グループから実質的な支援を受けたことのない 6 つの機関に、新しい MRSEC 賞が授与されたことです。^[9]

表. 材料研究科学工学センター（2023年春）^[14]

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を次のように要約しています。

「MRSEC賞の需要は引き続き高い。コミュニティ内での激しい競争は、賞に対する強い価値を示唆している。」^[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育成のための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、より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、地域、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・計算施設の組織化と管理、教育・産業普及活動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、センターの助成金額の増額も含まれており、これにより教育とアウトリーチに十分なリソースが確保されると同時に、研究活動への支援が損なわれないようにする。さらに、NASの調査では、MRSECの協力的な側面を強化し、全国的なセンター協力ネットワークの構築に向けて過去に行われた進歩を継続することを勧告した。^[1]報告書は、このようなネットワークが完全に確立されれば、「米国の材料科学と工学を学問分野として、また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]

• ブライアント、クライド L. (2002年8 月)。「アップ クローズ: 材料研究科学およびエンジニアリング センター - 米国材料科学全国ネットワーク」(PDF)。MRS速報。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