材料シミュレーションソフトとは？第一原理計算・分子動力学・熱力学計算の仕組みや種類、できること、選び方までをわかりやすく解説！

材料シミュレーションソフトは、材料の性質を計算で見積もるためのソフトです。ここでは、定義と位置づけ、計算手法の違い、製品の種類を順に押さえます。

材料シミュレーションソフトの定義と位置づけ

材料シミュレーションソフトは、原子・分子や結晶・組織のレベルで材料の性質を計算するソフトです。実験の前に、物性や反応、組織の変化を予測するために使います。対象は、金属、高分子、セラミックス、電池材料、半導体材料などです。

用途は、新材料の物性予測や、合金の組織・熱処理条件の検討などです。実験条件を絞り込み、試作の回数を減らす目的で導入されます。製品の形状に対する強度や熱の解析は、CAEソフトや構造解析ソフトの領域です。

第一原理計算・分子動力学・熱力学計算の違い

計算手法は、大きく3つに分かれます。第一原理計算は、電子状態から物性を求める手法です。分子動力学は、原子の動きを時間を追って計算する手法です。熱力学計算や組織シミュレーションは、合金の状態や組織の変化を求めます。

手法によって、扱える大きさと得意な材料が異なります。例えばThermo-Calcは、CALPHAD法で合金の相平衡と物性を計算する製品です。Gaussian 16は、分子の電子状態から反応やスペクトルまでを計算します。目的の物性にあう手法を選ぶ必要があります。

原子・分子レベルを計算する製品

1つ目は、第一原理計算・量子化学の製品です。Gaussian 16とQ-Chemが代表的です。BIOVIA TURBOMOLEやQuantumATKも、この種類にあたります。電子状態から、反応やスペクトル、物性を求める製品群です。

2つ目は、分子動力学や機械学習力場を使う製品です。MatlantisやAdvance/NeuralMDが該当します。第一原理計算に近い精度の結果を、速い計算で得ることを狙った製品です。

合金の組織を計算する製品

3つ目は、合金向けの熱力学計算・組織の製品です。対象製品は、Thermo-Calc、JMatPro、Pandat、MatCalcです。

状態図や相変態の計算に加えて、析出や凝固などの時間変化を扱う製品もあります。ただし、時間変化の計算には追加のモジュールが必要な場合があります。金属材料を扱う企業が、最初に確認する種類です。Thermo-Calcは、40以上のデータベースから、材料系に合うものを選べます。

高分子・統合環境・特定用途の製品

4つ目は、マルチスケール・高分子向けの製品です。J-OCTAとSimcenter Culgiが該当します。5つ目は、配座探索・溶解度・微細構造など、特定の用途に絞った製品です。CONFLEX、BIOVIA COSMOtherm、GeoDictが代表例です。

複数の手法を1つの画面で束ねる統合環境もあります。Schrödinger MS MaestroやWinmostarが代表例です。MedeA、Scienomics MAPS、Advance/NanoLaboも同じ種類です。

編集部メモ：材料シミュレーションソフトは、計算手法と対象材料の組み合わせで製品が分かれます。まず自社が扱う材料と知りたい物性を書き出すと、検討する種類を絞り込みやすくなります。

材料シミュレーションソフトの利点は、実験の前に材料の振る舞いを見積もれる点です。利用者が感じやすい利点は、次の4つです。

• 実験の前に物性や反応を見積もれる
• 試作や実験の回数を減らせる
• 手法ごとの操作をまとめて扱える
• 実験では見えにくい原子や組織の変化を追える

実験の前に物性や反応を見積もれる

新しい材料は、作ってみないと性質が分かりません。計算で事前に見積もれれば、試す価値のある材料かどうかを先に判断できます。社内で試作を提案するときの根拠にもなるでしょう。

Matlantisは、学習済みのAIモデルを使います。教師データの用意やパラメータ調整なしに、DFT相当の精度の計算を始められる製品です。Schrödinger MS Maestroは、量子力学や分子動力学の計算を使います。触媒・高分子・電池材料などの物性を、実験前に評価できます。

試作や実験の回数を減らせる

候補を計算で絞れば、実験に回す条件が減ります。材料開発では、試作と評価の繰り返しに時間と費用がかかります。実験の数を抑えられると、開発の見通しも立てやすくなるでしょう。

Schrödinger MS Maestroは、化学ライブラリの列挙と物性予測を備えます。機械学習で候補を絞り込み、試作する材料の数を減らせます。J-OCTAのMI-Suiteは、ハイスループット計算に対応した機能です。機械学習による物性予測と、逆解析も行えます。

手法ごとの操作をまとめて扱える

計算ソフトは、手法ごとに操作が異なります。1つの画面で複数のソルバーを使えれば、操作を覚え直す手間が減ります。担当者が交代しても、引き継ぎやすくなるでしょう。

Winmostarは、GaussianやLAMMPSなどの計算を、1つのGUIで扱えます。Advance/NanoLaboは、モデリングから可視化までを1つのGUIで扱う製品です。MedeAは、VASPやLAMMPSを統一GUIから使えます。

実験では見えにくい原子や組織の変化を追える

原子の動きや、合金の中で析出物が育つ様子は、実験では直接見にくいものです。計算なら、条件を変えて何度でも確かめられます。熱処理による強度の変化も、事前に検討しやすいでしょう。

MatCalcは、析出物の核生成・成長・粗大化を、時間変化として計算します。GeoDictは、CT画像から作った実際の微細構造で、物性を計算する製品です。実験と計算を結び付けやすい点が利点です。

材料シミュレーションソフトには、導入前に確認したい制約があります。ただし、製品の選び方や進め方で対処できる面があります。

• 手法や製品ごとに得意な材料が限られる
• 価格が公開されず導入費が見えにくい
• 計算環境や操作の習得に手間がかかる

手法や製品ごとに得意な材料が限られる

1つのソフトで、すべての材料と物性を計算できるわけではありません。Thermo-Calcは、高分子や有機分子の物性、原子・電子レベルの計算には向かない製品です。Gaussian 16は、固体材料の計算が専用の第一原理計算ソフトほど充実していません。

JMatProも、高分子や有機分子は扱えません。対処として、扱う材料と知りたい物性を先に決め、対応する計算手法から製品を選びます。複数の手法が必要なら、統合環境も候補になるでしょう。

価格が公開されず導入費が見えにくい

2026年時点で、本記事で扱う20製品のうち、価格を公開している製品は4製品です。残りの16製品は、問い合わせや見積もりで確認します。予算を立てにくく、比較にも手間がかかる点が難点です。

対処として、無料トライアルや評価版のある製品で、先に使い勝手を確かめる方法があります。Winmostarは、民間企業向けの価格表を公式サイトに掲載しています。無償版・学生版・トライアルもそろい、試しやすい製品です。

計算環境や操作の習得に手間がかかる

計算には、ソフトのほかに計算機の資源が必要です。製品によっては、動作環境や操作方法にも条件があります。Matlantisは、クラウドの専用テナントで提供されます。操作はJupyter NotebookとPythonで行う前提です。

Advance/NeuralMDは、力場の作成前に、第一原理計算で教師データを用意します。Winmostarは、計算を外部のソルバーで行う構成です。オープンソースのソフトへのサポートは有償です。動作環境とサポート範囲は、導入前に確認しましょう。

材料シミュレーションソフトの機能は、大きく5つに分かれます。どこまでを標準で備えるかは、製品によって異なります。

• 構造モデルの作成：結晶・高分子・表面・界面などの計算モデルを作る
• 原子・分子レベルの計算：第一原理計算や分子動力学で、物性や反応を求める
• 熱力学計算・組織の計算：合金の相図や析出、組織の変化を計算する
• 計算ジョブの管理・自動化：計算を自動で流し、サーバーやクラウドで実行する
• 結果の解析・可視化：計算結果から物性やスペクトルを求めて表示する

構造モデルの作成

構造モデルの作成は、計算の入口にあたる機能です。結晶や高分子、表面、界面などの原子配置を作り、計算の入力データにします。モデルの作り方次第で、計算の手間は大きく違ってくるでしょう。

Schrödinger MS Maestroは、構造ビルダーと設定済みワークフローを備えます。結晶・高分子・表面・界面などを扱えます。MedeAは、結晶構造データベースの検索ツールで、構造を作る手間を減らせる点が特徴です。

原子・分子レベルの計算

原子・分子レベルの計算は、電子状態や原子の動きから物性を求める機能です。第一原理計算、半経験的手法、古典力場、機械学習力場など、手法の幅は製品によって違います。

QuantumATKは、DFTから機械学習力場までを、1つの環境で使い分けられる製品です。BIOVIA TURBOMOLEは、分子と固体の両方に使える高速なDFTを備えます。結合クラスター法などの高精度な手法も、同じプログラムで使えます。

熱力学計算・組織の計算

熱力学計算・組織の計算は、合金の組成と温度から、どの相ができるかを求める機能です。相図の計算に加え、凝固や析出といった組織の変化も扱います。

Thermo-Calcは、相図・物性図・Scheil凝固などの計算機能が標準で付く製品です。Pandatは、状態図計算と最適化を標準で備えています。析出・拡散・凝固・フェーズフィールドのモジュールは、別売です。JMatProは、相平衡から機械的性質、相変態までを1つのソフトで計算します。

計算ジョブの管理・自動化

計算ジョブの管理・自動化は、多数の計算を連続して流すための機能です。ジョブを計算機に割り当てて実行し、進み具合を管理します。条件を少しずつ変えた計算も、まとめて回せます。

MedeAは、独自のジョブ管理を備えた製品です。Grid Engine・PBS・LSF・SLURMとも連携し、ハイスループット計算に使えます。Schrödinger MS Maestroは、サーバーやクラウドでジョブを管理できます。

結果の解析・可視化

結果の解析・可視化は、計算で得た数値を、物性やスペクトルとして読み取る機能です。構造や分布を画面に表示し、条件ごとに比べます。BIOVIA TURBOMOLEも、IR・ラマンなどのスペクトルを計算できます。

Q-Chemは、IR・ラマン・UV-vis・X線・NMRのスペクトル計算に対応した製品です。BIOVIA COSMOthermは、量子化学計算とCOSMO-RS法を組み合わせます。実測値のない化合物でも、溶解度・相平衡・蒸気圧などを推算できます。

材料シミュレーションソフトを使う場面は、扱う材料と担当者の立場で変わります。ここでは、5つの立場ごとに代表的な場面を挙げます。

合金・鋼材の熱処理条件を検討する金属材料の担当者

合金の組成や熱処理の条件を、試作の前に検討したい場面です。相図の計算に加え、析出や変態といった時間変化まで見るかで、必要な製品が変わります。

JMatProは、鉄鋼のTTT・CCT曲線や、ニッケル超合金のクリープ寿命などを計算します。MatCalcは、析出物の核生成から粗大化までを追う製品です。Thermo-CalcやPandatも、この場面の候補になります。Pandatは、国内代理店の受託計算や独自データベースも利用できます。

高分子・樹脂・複合材料を開発する担当者

高分子や樹脂の特性を、分子の構造から検討したい場面です。分子の大きさをまたいで現象を見るため、マルチスケールの製品が候補になります。

J-OCTAは、量子計算・分子動力学・粗視化・連続体を、同じプラットフォームでつなげる製品です。Simcenter Culgiは、高分子膜、製剤、複合材料、接着剤などの応用例を示しています。J-OCTAは、国内開発で、事例データベースやサポートが日本語で整っています。

電池・半導体材料を研究する担当者

電池や半導体の材料で、界面や表面の振る舞いを調べたい場面です。原子レベルの計算と、微細構造の計算を使い分けます。

QuantumATKは、非平衡グリーン関数法で、界面・表面・電子デバイスを計算できる製品です。GeoDictは、電池・燃料電池・フィルターなどの用途別のモデリング機能を備えます。Matlantisは、96元素と、結晶・表面・界面・アモルファスに対応しています。

分子の配座や溶解度を調べる有機材料の担当者

柔軟な分子の形や、液体への溶けやすさを調べたい場面です。特定の用途に絞った製品が、候補になります。

CONFLEXは、柔軟な分子の配座と、分子性結晶の構造を網羅的に探索する製品です。BIOVIA COSMOthermは、溶解度や相平衡を推算する製品です。分子ごとの量子化学計算は1回で済み、結果を多数の混合物に使い回せます。分子の電子状態や励起状態を調べるなら、Gaussian 16やQ-Chemも使われます。

初めて材料計算を始める中小企業の担当者

まず小さく試して、社内で使えるかを確かめたい場面です。価格を事前に確認できる製品や、無料の試用がある製品が候補になります。

Winmostarは、民間企業向けの価格表を公開し、無償版・学生版・トライアルもある製品です。Advance/NanoLaboは、企業向けの年間ライセンスの価格を公開しています。1カ月間の無料トライアルもある製品です。J-OCTAにも、無料トライアルがあります。

材料シミュレーションソフトの費用は、製品や構成で大きく変わるため、価格帯の目安は示せません。2026年時点で、本記事で扱う20製品のうち、公式に金額を確認できたのは4製品です。数え方は、公式ページに金額が載っている製品を数えました。

Winmostarの特定ユーザライセンス（プレミアム）は、定価360,000円（税別）です。民間企業・官公庁向けで、年間使用権と保守が付きます。Advance/NanoLaboのBase年間ライセンスは、企業・国研向けで年50万円（税抜）です。Advance/NeuralMDの年間ライセンスも、年50万円（税抜）となっています。CONFLEXの企業向けBasic（シングルコア版）は、年間1台で400,000円（税抜）です。

ほかの16製品は、問い合わせや見積もりで確認します。税区分の異なる価格は、合算しないでください。製品の一覧は、材料シミュレーションソフトのカテゴリページで確認できます。内訳や要因は、材料シミュレーションソフトの費用相場の記事で解説しています。

どちらも計算で結果を予測し、試作や実験を減らす点は共通です。違いは、計算の対象が材料そのものか、製品の形状かにあります。次の表で相違点を整理しました。

材料シミュレーションソフトは、材料の性質を決める段階で使います。製品形状の強度や熱を調べたい場合は、CAEソフトや構造解析ソフトが対象です。両者は目的が違うため、用途を分けて検討します。

材料シミュレーションソフトの効果は、材料開発の進め方と、計算を扱える社内の体制で変わります。向いている企業と向いていない企業を、理由とあわせて整理します。

材料シミュレーションソフトの導入が向いている企業

新材料の開発や、合金・樹脂の配合の見直しで、試作と評価を繰り返している企業です。計算で候補を絞れれば、実験の回数を減らせるためです。電池や半導体など、原子レベルの現象が性能を左右する材料を扱う企業にも合います。

計算を担当できる技術者がいる企業なら、運用も進めやすいでしょう。選定の手順は、材料シミュレーションソフトの選び方で確認できます。製品の並べ方は、材料シミュレーションソフトの比較記事をご覧ください。メーカーごとの違いは、材料シミュレーションソフトのメーカー別の解説をご覧ください。

材料シミュレーションソフトの導入が向いていない企業

材料そのものを開発しない企業は、導入効果が小さくなる可能性があります。結果を読み取る担当者を置けない企業も、計算が活用されずに終わるおそれがあります。

製品の強度や熱を調べたい企業は、CAEソフトや構造解析ソフトを検討したほうがよいでしょう。配合レシピの管理が目的なら、配合管理システムが対象です。公開された価格で比べてから決めたい企業にも、向きにくい面があります。大半の製品が、問い合わせや見積もりを必要とするためです。

材料シミュレーションソフトは、材料の性質を計算で見積もるソフトです。原子・分子や結晶・組織のレベルで、実験の前に物性や組織の変化を予測する仕組みです。主な機能は、次の5つにまとまります。

• 構造モデルの作成
• 原子・分子レベルの計算
• 熱力学計算・組織の計算
• 計算ジョブの管理・自動化
• 結果の解析・可視化

選ぶときは、扱う材料と知りたい物性、対応する計算手法を確認します。あわせて、計算環境と操作の習得にかかる手間も整理しましょう。CAEソフトとは対象が異なるため、用途を分けて検討します。価格を公開している製品は20製品中4製品です。残りの製品は、問い合わせて見積もりを取りましょう。