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02

03

キャンパスライフ
講義･ゼミ

学会･国際会議発表

04 TOKYO INSTITUTE OF TECHNOLOGY

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実験･研究キャンパスライフ
留学

修士・博士論文発表会

ゼミ合宿

BBQ･OB会

修了パーティー･送別会

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先進材料クラスター研究室リスト（50音順）

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研究室紹介東研究室
新しい機能性酸化物の開拓と機能発現機構の解明
ー低次元磁性体から非鉛圧電体までー
URL: http://www.msl.titech.ac.jp/~azumalab/

教授

東

正樹

博士 ( 理学 )

助教

北條

元

博士 ( 工学 )◆研究目的および概要
遷移金属酸化物は磁性、強誘電性、超伝導性などの様々な有用な機能を示します。我々はダイヤモンド合成に使われる高圧合成法や、単結晶基板をテンプレートとした薄膜法などの手段を駆使して、温めると縮む負の熱膨張材料、環境に有害な鉛を排した圧電体、強磁性と強誘電性が共存する材料などの、新しい機能性酸化物を開拓しています。温度や圧力の変化によって機能が発現する際の、わずかな結晶構造変化を放射光Ｘ線や中性子線を用いて検知し、機能の発現メカニズムを解明します。
こうして得られた情報からさらに新しい材料を設計、合成するというサイクルで研究を展開しています。非常に基礎的な低次元磁性体から、応用をにらんでの非鉛圧電体開発に至るまで、幅広い視点で材料の探索を行っています。

◆代表的な研究テーマ
・ナノテクノロジーを支えるー負の熱膨張物質
半導体製造装置や光通信などの精密な位置決めが要求される場面では、材料の熱膨張が問題になります。昇温に伴って縮む、「負の熱膨張」を示す材料は、部材の熱膨張を補償するために使われます。我々のグループでは、BiNi0.85Fe0.15O3 が既存材料の 6 倍もの巨大な負の熱膨張を示す材料であることを発見、多数の新聞に報道されました。この発見は、母物質である BiNiO3（これも我々が見つけた新物質です）の、圧力下の電子状態と結晶構造の変化を調べる研究から生まれました。基礎研究が特許性を持つ材料開発につながる好例です。
・環境問題解決へ向けてー非鉛圧電体
電気と運動を変換する圧電材料は、インクジェットプリンター等のアクチュエーターや超音波診断装置等のセンサーとして広く使われ，私たちの生活を支えています。現在主流の材料である PbZrO3-PbTiO3 固溶体（PZT）
は環境に有害な鉛を重量にして 64% も含んでいるため、代替材料の探索が急務です。PZT の結晶構造に倣い、種々の非鉛圧電材料の設計・開発を行っています。
・次世代メモリ材料ー強磁性強誘電体
磁石（磁性）とコンデンサー（強誘電性）の性質を併せ持つ物質は、強磁性強誘電体、又はマルチフェロイクスと呼ばれ、次世代のメモリーやセンサー材料として注目されています。我々のグループでは、BiFeO3 の Fe
を Co で置換することによりスピンの並びが変化し、室温で弱強磁性と強誘電性が共存するマルチフェロイック物質となることを発見しました。電場による磁化反転の実証を目指し、単結晶・薄膜合成の両面から研究を進めています。

◆当研究室について

加 熱 に よ っ て Bi と Ni の 間 で 電 荷 移 動 が 起 こ る
BiNi0.85Fe0.15O3。Ni2+ から Ni3+ への酸化に伴い Ni-O結合が収縮、巨大な負熱膨張を示します。

非鉛圧電体 BiFe1-xCoxO3 薄膜の走査透過電子顕微鏡像（上）と圧電カーブ（左）。
Co の置換量を増やすに従い圧電性が増大します。

BiFe0.9Co0.1O3 薄膜の磁気力顕微鏡像（左）と圧電応答顕微鏡像（右）。強誘電ドメインと強磁性ドメ
インの相関が明らかになってきました。

当研究室の学生の４年生時の研究テーマは、有機合成、錯体、表面科学など、様々です。上記の研究内容に馴染みが無くても、用語がわからなくても、心配いりません。好奇心のある、元気なあなたを待っています。また、企業との共同研究も盛んで、数名の方が研究室に出入りします。就職活動やその後の社会人生活の貴重な体験談を沢山聞けるはずです。

◆ 関連学会
日本物理学会、応用物理学会、日本化学会、セラミックス協会、粉体粉末冶金、高圧力学会、日本結晶学会など。その他海外の学会、ワークショップ等多数参加。これらの発表において、多くの学生が優秀発表賞等に輝いています。

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生駒研究室生体機能を修復するバイオセラミックス
URL: http://www. bio.ceram.titech.ac.jp

准教授

助教

博士 ( 工学 )博士 ( 工学 )

生駒俊之

杉山友明

ナノテクノロジーにより深化する
バイオセラミックス
原子・分子が集合するナノの世界から、私たちの身体は構築され、維持されています。生命の最小単位の細胞にも観察されるナノ現象は、材料をナノ
メートルの大きさで制御すると、材料
工学的に制御できます。研究室では、る化合物を人工骨と組み合 わせると、ナノ粒子の創出につながることが期待

セラミックスを用いた医療機器（人工炎症を起こしてもそれを鎮めることがされます。生物学の進歩とともに細胞骨など）と医薬品とを組み合わせた コ

できます。また、細胞・材料・成長因の膜構造が解明され、これらの新しいンビネーション製品 や、治療（therapy）

子を三本の柱とする再生医療に必要と知見を活かした粒子表面の修飾が可能と診断（diagnostic）とを同時に可能とされる足場材料へとこれらの技術は応となります。

するに役立つ生体用できます。次世代の医療機器として、材料を開発しています。これら二つのこれらの機能を複合化させた生体材料研究を柱に、次世代の医療技術をつくを開発しています。

セラノステック

りだすことを目指しています。
ナノメディシンから
医療機器からコンビネーション製品へ

セラノステックへ
病気になると、身体にとって悪い細医療機器だけでは、生体機能を修復

胞を増えることがあります。これらのするに至らないことが少なからずあり

悪い細胞が現れると、それを自動的にます。また、我々の身体は、異物を認認識（診断）し、死滅させる治療法の識したり、外敵から身を守るために炎研究が進んでます。例えば、悪性腫瘍医療に貢献する材料を目指して症を起こしたりします。このような反の診断や治療に役立つ

セラノステッ

医療の技術革新は、材料からも起き応を制御するためには、薬物と医療機

クナノ粒子を開発しています。また、ます。 使われてこそ材料 をモットに、器との特性を効率よく組み合わせる必これらの技術を応用すると、障害のあ研究開発に取り組みます。生体と材 料

要があります。例えば、抗菌作用のある細胞を識別し、遺伝子的に治療するとの界面を知り、制御できれば、その道は必ずや開けるはずです。当研究室では 自由闊達 に 見聞を広げる 様々な取り組みを行っています。例えば、専門家の集まる会議での発表や海外留学生の受け入れなどです。これらの研究活動を通じて、国際感覚の醸成や研究開発の方法論を卒業時までに学びます。

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伊藤・谷山研究室
酸化物機能物質科学とスピン変換の物質科学
URL: http://www.msl.titech.ac.jp/~itohlab/

教授

伊藤

満

博士 ( 工学 )はじめに物質が特定の有用な性質を有するとき我々はそれらを材料と称します。いくつかの材料を組み合わせてデバイスや装置を組み立てます。我々の研究グループは、物質がなぜ特定の機能を有するかを問いかける根源的な研究（理学）をはじめとして、応用を志向した機能発現を目的とした研究プロセス
を通して物質の研究を行っています。研究分野としては、固体化学、固体物理、構造化学を含む材料科学であり、常に、世界の研究者と議論しつつ共同研究を遂行しています。

酸化物機能物質科学

過去 25 年間、我々が精力的に進めてきたのは、強誘電性、強磁性、電気伝導性、イオン伝導性、発光特性を有する新物質の探索です。研究の対象とする物質はこれまでに誰も報告していない新物質であり、既知物質に対しては、興味ある機能を発現する起源とメカニズムを調べて報告しています。また、目的に応じて、自分自身でセラミックス ( 多結晶 )、単結晶、薄膜を作製し、結晶構造や特性を評価する試料作製と物性評
価を行うことによって物質・材料研究の全てを経験するように努めています。
実験装置は最新鋭のものをそろえていますが、研究室のモットーは、測定や解釈でブラックボックスを作らず原理を理解し、自分で意図した実験ができるように努めています。
研究は各人が興味あるテーマに取り組み、日常的な議論、
あるいは月例報告での議論を通して問題点を解決しています。2 年間の修士課程では、物質・材料に関する研究を通して研究者として孵化することを目指し、3 年間の博士課程では、世界をリードする独立した研究者として羽ばたけるように日常的な訓練を行っています。
このため、学会発表は、物理学会、応用物理学会、化学会、セラミックス協会をはじめとする国内学会や国際会議で行っています。
また、重要かつ普遍的な研究を行うために、常に国内外の研究者と連携し、我々のグループではカバーしきれない分野については、随時共同研究を行っています。

図1

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新規珪酸塩強誘電体の構造．

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准教授

谷山智康
博士 ( 工学 )研究テーマについて

１．強誘電体・圧電体の新物質作製と機構解明
セラミックスの中で最も使われている部材はコンデンサー
材料 で す。酸 化 物強 誘電 体材 料 は 1940 年 頃に 発 見され、1950 年頃からは実用が始まりました。しかし、強誘電性の発現機構については未解明のまま残され現在でも議論が続いています。我々はこれらの問題を解決するための多数の新物質を合成してそれらの構造と物性を解明することで本分野の基礎科学の発展に貢献しました。また、最近はアルミニウム、鉄、酸素等クラーク数上位の元素のみで構成された酸化物強誘電体の探索に取り組んでいます（図 1）
２．エネルギー材料、発光材料
20 年前に我々のグループで発見したリチウムイオン伝導性ペロブスカイト型酸化物に対する解析とメカニズムに関する普遍的情報はその後のリチウムイオン伝導性化合物の設計に活かされています。また、複数の遷移金属を含む酸化物内での価数動に関する知見は、リチウム電池の充放電に伴う正極内での電荷移動のメカニズム解析に役立っています。我々のグループでは現在、電池内での界面、電解質、電極に着目してリチウムイオン電池の実験と解析を行っています。
また、過去 10 年間に培った、物質中の格子波（フォノン）、
電子バンド構造、および電子伝導性に関する知見を活かして、各種物質が有する熱電材料に求められる特性を構造化学的観点から解析を進めるとともに、新物質の合成も行っています。
さらに、固体化学の知見を活かして多層構造からなる酸化物
EL 低電圧発光デバイスの作製と測定を行っています。
３．磁性・伝導性材料
遷移金属酸化物が示す特性のうちで最も重要な磁性と電子伝導性は固体科学のうち最も重要な分野です。我々は、磁性体のうち、結晶場に着目して興味ある磁気特性を示す物質や、
スピン転移を示す物質の構造と電気伝導性に着目して新規物質を提案し、その特性を報告すると同時に、世界の代表的な機関の研究者と共同研究を行うことで議論を深めています。
また、磁性を持ちながら強誘電性も持ち合わせる絶縁性物質の合成にも取り組んでいます（図 2）。
自分で考えた新物質を作りその特性を評価するプロセスは物
質科学の達人であることを意味します。そこでは物理、化学、結晶学、作製プロセス等、あらゆる分野の知識を必要とします。出身学部は問いません。研究室に入って、日常の議論を
通して切磋
琢磨し、世
界をリード
する研究者
になること
を希望す
る学生さん
を歓迎しま
す。
図２ アルミニウムとシリコンから形成される
新規マルチフェロイック物質の構造．

助教

安井伸太郎
博士 ( 工学 )2014 年研究室旅行（台湾）

スピン変換の物質科学とスピントロニクス

物質の電子・原子スピンを操作し、新しい機能性を創出しようとする研究分野―スピントロニクス―が注目を集めています。我々のグループでは、ナノスケール磁性を中心として、
電子や原子のスピン物性の解明と、それらを光学的、電気的に操作、検出するための新概念の提案を目標として、スピン
トロニクスの基礎研究を推進しています。スピントロニクス
は、研究分野としての歴史が浅く、今後 10 年くらいの間にも新現象が続々と発見されることが大いに期待できる大変魅力的な分野です。また、基礎研究から応用研究までの一連のプロセスを体験できることも、この分野で研究に携わる醍醐味の一つです。

図3

ナノスケール磁性とスピントロニクス−スピン変換の物質科学−．

スピントロニクス分野ではナノスケール磁性体が主役を演じるため、量子力学や統計力学で解き明かされる物理現象に興味のある学生さんはもちろん、ナノデバイス・電子工学、
磁性材料工学、エピタキシャル薄膜成長などに興味のある方も、この分野で研究の楽しさを満喫し、学術を追究することができます。皆さんがこの魅惑的な分野に参入し、果敢にチャレンジすることを期待しています。また、海外の大学への学生の派遣や国際会議での発表も積極的に進めていますので、早くから国際的な研究活動に関わりたい学生さんも大歓迎です。

図4

電子スピン注入により誘起される磁気相転移．

2015 年研究室旅行（伊豆）研究テーマについて

最近、我々が特に注力して取り組んできた研究の一部を以下に紹介します。
１．電子―原子スピン変換による磁気秩序制御
物質が示す多彩な磁気秩序は、原子が持つスピン角運動量（磁気モーメント）とそれらの間の多様な相互作用によって発現する統計力学的な物理現象です。我々のグループでは、磁性体を構成する原子スピンと伝導電子の持つスピン角運動量との間でスピン角運動量を変換することで磁性体の磁気秩序を制御するための原理の提案とその実証を行っています。
具体的には、反強磁性 - 強磁性磁気相転移を示すような物質を薄膜や細線にナノスケール構造化して、スピン偏極した電子を注入することで反強磁性状態を強磁性状態に磁気状態変換する研究に取り組んでいます（図 4）。
２．原子スピン―格子変換による磁化配向、スピン偏極制御
スピンメモリ (Spin-RAM) などを構成する磁性薄膜の低消費電力・高速磁化制御は、エネルギー・環境問題の克服に向けたイノベーションへの大きな一歩となります。我々のグループでは、強磁性体と強誘電体のヘテロ構造を利用し、強磁性体に格子歪みを誘起することで磁化配向を電圧で制御するための技術開発を行っています（図 5）。これは一種の格子̶
原子スピン変換のための界面物理現象の探求と技術開発と捉えることもできます。
３．電子―光スピン変換による光偏光制御
電子が持つスピン角運動量を光に受け渡すことで、電子ス
ピンの光による情報伝送が可能になります。我々のグループ
では、電子 - 光スピン変換の原理を用いたスピン発光ダイオー
ド（LED）の技術基盤の構築を行っています。また、フェム
ト秒レーザーを用い、電子スピンのピコ秒時間スケールでの動的な振舞いを実時間計測する研究にも取り組んでいます。

図5

電気 - 磁気交差相関効果と磁性制御．

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大場研究室
計算科学を駆使して新材料を発見する
URL: http://www.msl.titech.ac.jp/~oba

はじめに昨今の計算科学の進展とスーパーコンピュータの演算能力の向上は目覚ましく、量子力学に基づく第一原理計算から既知の材料を原子・電子レベルで深く理解するだけでなく、全く新しい材料の存在やその機能を高い信頼性で予測することも可能になってきました。当研究室では、このような「計算材料科学」を駆使して材料を探究するとともに、これまでにない高機能材料を見出すことを目指しています。
メンバー
当研究室は 2015 年に新設されました。2016 年 4 月に第 1期生が配属され、研究室の構成員は、教授 1 名、特任講師 1 名、助教 1 名、外国人研究員 1 名、修士課程学生 2 名になります。
教員・研究員の層が厚く、学生の研究を強力にサポートする体制が整っています。
研究テーマ
電子デバイスや太陽電池などに使われる半導体材料やエネ
ルギー材料を対象に、幅広く研究を展開しています。様々な結晶構造や構成元素をもつ材料に対して、機能の起源となる
原子・電子レベルの構造まで掘り下げて系統的に理解できる
ことが第一原理計算の利点です。卓越した機能だけでなく、安価で高い環境親和性を有することなど、材料に対するニー
ズはますます厳しくなってきています。このやりがいのある
課題に計算材料科学からアプローチしています。具体的な研究テーマは以下の通りです。
1. ハイスループットスクリーニングのための基盤技術の構築
膨大な計算データを蓄積し、そこから効率的かつ自動的に有望な材料を選び出すハイスループットスクリーニングの基盤技術の開発を進めています。これにより高精度な理論予測を行い、選出された材料を連携している実験グループに提案することで、新しい材料の開発を加速することが目標です。
このシナリオを実現するため、計算手法の開発や計算の自動実行に取り組んでいます。

教授

特任講師

助教

博士 ( 工学 )博士 ( 工学 )博士 ( 工学 )

大場史康

熊谷

悠

赤松寛文

例えば図 1 に示す半導体のバンドアライメントは、半導体材料やデバイスを設計する上で最も基本的かつ重要な情報になります。最近になって、第一原理計算の手法・近似を突き詰めることで、バンド位置の実験値をよく再現できるようになってきました。これにより実験値が報告されていない物質についても高精度な予測が可能であり、半導体材料としての性能を評価できます。ヘテロ界面や後述のような点欠陥についても、高精度かつ系統的な予測のための計算手法の開発を進めています。また、実験グループと連携することで、計算により予測された新物質を実証するなど、具体的な材料開発に関する成果も出ています。
2. 材料機能の起源の探究
材料の機能の多くは完全な結晶ではなく、点欠陥、表面、界面等の格子欠陥に由来します。「欠陥」と聞くとネガティブな印象があるかもしれませんが、実は格子欠陥をうまく活かすことで新しい機能を付与している実用材料がたくさんあるのです。当研究室では材料機能の起源となる格子欠陥について、計算科学からの原子・電子レベルでの詳細な理解を進めています。
例えば図 2 に示す新しい青色蛍光材料では、窒化ホウ素に添加したセリウム原子（点欠陥）が発光の中心になっています。
窒化ホウ素を構成するホウ素と窒素のサイズに対して、セリ
ウムは非常に大きく、一見添加することは困難です。そこで第一原理計算により検討すると、セリウムの周りのホウ素が複数抜けた特殊な欠陥構造になることで、サイズのミスマッ
チをうまく補償できることが予測されました。この理論予測の結果は走査透過型電子顕微鏡観察により確認されています。
この例の他に酸化物半導体や太陽電池用化合物半導体の格子欠陥についても、その特徴を原子・電子レベルで明らかにしています。材料の機能の起源を正確に理解することで、新しい機能の創出につなげます。

図２ セリウム添加窒化ホウ素単結晶における青色発光中心。
（左）結晶のカソー
ドルミネッセンス像と（右）第一原理計算により予測されたセリウム複合点欠陥の局所構造。セリウムが複数の空孔を伴う特殊な構造をとることで、ホウ素や窒素とのサイズのミスマッチが緩和されています。(Phys. Rev. Lett., 2013)

図１ 半導体表面のバンドアライメント。高精度な第一原理計算によりバンド位置の実験値がよく再現されています。この計算手法を使えば、実験値が報告されていない物質についても信頼性の高い理論予測が可能になります。(Phys. Rev. Lett., 2014)

20 TOKYO INSTITUTE OF TECHNOLOGY

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おわりに
古くから築かれてきた計算材料科学がコンピュータの性能向上と相俟って、材料の研究・開発において真に役立てる時代になってきました。今後その役割はますます重要になるはずです。当研究室では、この計算材料科学分野を先導することを目指して研究に励んでいます。研究内容に少しでも興味をお持ちでしたら、ぜひ一度見学にお越しください。

神谷研究室ひらめきとコンピュータを使って常識を覆す新しい酸化物機能材料・デバイスを創る
URL: http://www.msl.titech.ac.jp/~tkamiya/

教授

助教

博士 ( 工学 )修士 ( 工学 )

神谷利夫

井手啓介

◆ 研究目的 「太陽電池、ディスプレイ、発光素子などの性能は ★新材料★ で決まります」

酸化物を中心に新しい機能材料を創り，その特長を生かしたデバイスを開発しています。
現在のコンピュータやディスプレイ，太陽電池などには，Si や GaN などの共有結合性半導体が使われています。しかし，現在の Si では，有機 EL テレビや低コスト高効率の太陽電池を作るのが難しいなど，限界があります。
当研究室では，今まで使われてきた電子材料とは全く違った材料系で，今までは作れなかった光電子
デバイスを実現できる新材料・デバイスの研究をしています。

◆ 研究テーマ

・使える新しい機能材料とデバイスの開発
例１：アモルファス酸化物半導体
2004 年以前は、Si, GaN や ZnO のような結晶でないと「良い半導体」はできないと信じられていま 図１ IGZO を使った透明フ
レキシブルトランジスタした。
それに対して私たちは , In-Ga-Zn を成分とする酸化物 IGZO が , アモルファスであるにもかかわらず高性能のトランジスタを作れることを実証し、図１のような 透明でフレキシブルな高性能トランジ
スタを発明しました。この技術は , iPad, Surface Pro4 や 77 型有機 EL TV などに使われています。
・科学者の常識を覆す新しい機能材料
例２：共有結合を利用して、絶縁体のはずの材料を透明導電体にする
酸化ゲルマニウムは 6 eV 以上の大きなバンドギャップをもち , 非常に良い絶縁体として知られています。
しかし , 図２のような量子計算によって電子構造を正しく理解すると , 立方晶構造の SrGeO3 はバン 図 ２ 量 子 計 算 で 描 い た
ドギャップが 2.7 eV へと極端に小さくなり、
良い透明導電体になることが分かりました。このように , SrGeO3 の波動関数。
計算機シミュレーションを援用することにより , 物質に関する新しいセンスを身に着け , 画期的な新材料を開発できます。
・今まではできないと信じられてきた材料を実現する
例３：バンドギャップが 4 eV 以上のアモルファス半導体
上でも述べたように , アモルファス半導体の特性は良くないと信じられてきました。私たちはこの迷信を AOS によって覆したわけですが、次には「バンドギャップの大きいアモルファス半導体は作れない」という迷信がありました。私たちは , ア
モルファス酸化物におけるドーピング機構と欠陥をきちんと理解することにより、バンドギャップ 4.15 eV のアモルファス
酸化物半導体の開発に成功しました。
・コンピュータを利用した材料科学・材料設計
上述のような新材料は , 行き当たりばったりに材料合成をしても見つけることはできません。当研究室では、量子計算やデバイスシミュレーションなどのコンピュータ支援と , 材料研究者としてのひらめきによって「使える新材料」の研究を進めています。

◆ 指導方針・ 細野・平松・松石研究室と協力して研究をしています。当研究室だけでなく , 総勢 20 名以上の学生がお互いに助け合いながら勉強・研究に取り組んでいます。
・ 当研究室の学生は , 物理 , 電気 , 化学など , 大きく異なる学科の卒業生ばかりです。そのため , 入学後に , ゼミ , 輪講などを通じて 研究を進めるのに必要な知識を学んでいきます。新しい分野に挑戦するのに最適な環境です。
・ 教科書を読むだけではなく , データベース , 計算ソフトなど , コンピュータ支援を積極的に使い , 電子構造 , 物性物理 , デバイ
ス動作機構などを学んでいきます。
・ゼミは 10 名程度の少人数で行います。そのため , 十分な時間を取って , 学生が自分で考えるとともに , 専門的な考え方を学ぶことができます。
・修士学生は , 卒業までに最低一回 , 国内学会で発表をしています。博士学生は , 毎年一回以上 , 国際学会で発表をしています。
・修士学生でも , 成果が出れば国際学会で発表したり , 国際英文誌に英語で筆頭著者として論文を書いています。

◆ 学生が筆頭著者の英語論文数◆ 学生の受賞

１０報 (2015 年 )・2015 年度 D2 Kim 君 2015 年薄膜材料デバイス研究会スチューデントアワード・2014 年度 M2 石川君 2014 年薄膜材料デバイス研究会スチューデントアワード・2013 年度 M2 大類君 International TFT Conference 2014 EPL Poster Award

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TOKYO INSTITUTE OF TECHNOLOGY21

川路研究室物質における機能性発現機構の解明と制御機能性材料における格子振動と相転移に関する物性研究
URL: http://http://www.msl.titech.ac.jp/~kawaji/index.html/

教授

川路

均

理学博士
多くの物質の機能性には相転移現象が大きな影響を与えています。例えば電気抵抗がゼロになる超伝導現象はある特定の臨界温度以下でしか発現しません。このような相転移現象の機構を明らかにすることは機能性物質の探査・設計において重要です。当研究室では、誘電体、磁性体、マルチフェロイッ
クス、超伝導体、金属ガラス、イオン伝導体、ナノ細孔物質、
イオン液体などおける相転移現象の機構解明とそれに基づいた相転移制御の可能性について研究しています。特に世界最高精度の断熱型熱量計による精密熱容量 ( 比熱 ) 測定を用いて物質の標準エンタルピー、エントロピー、ギブズエネルギーなどの熱力学諸関数の絶対値を決定するとともに、各種物性測定や分光学的手法を駆使して結晶中の原子、分子運動の詳細を調べるなど、総合的な研究を進めています。

磁気相転移、超伝導相転移に関する研究（フラストレーショ
ン、マルチフェロイックス、超伝導）
２次元の三角格子や正四面体が頂点共有でつながったパイ
ロクロア格子などで、反強磁性的な相互作用が競合し、複雑かつ特異な性質が現れます。これらの性質について、特に希釈冷凍機を用いた極低温での研究を行っています。
イオン液体の低融点の起源に関する研究
一般に無機塩の融点は高温ですが、室温で液体になるイオ
ン性物質があります。これらは高イオン導電性、不揮発性、化学的安定性などの興味深い特性を持つことから注目を集めており、現在多くの研究が行われています。しかし、低融点の機構については解明されていない点が多く残されています。研究室ではイオン液体の熱力学的性質を調べ、特に融解現象を中心に解析を行っています。
イオン伝導体に関する研究
燃料電池を始め各種電池材料やガスセンサーなどへの応用が期待されるイオン伝導体について、構造と熱物性およびイ
オン伝導機構との相関を調べています。とくにイオン伝導性を支配する欠陥構造について、極低温領域での精密熱容量測定により知見を得ています。またイオンの欠陥構造や微視的運動と巨視的物性量の関係を明らかにし、イオン伝導機構を解明するために分子動力学シミュレーションを行っています。

極低温熱容量測定用希釈冷凍機
プローブ
断熱型熱量計

誘電体結晶の相転移（強誘電体､ リラクサー､ インコメシュ
レート相転移､ 巨大粒子サイズ効果）
ある種の誘電体結晶では、逐次相転移現象、相転移が凍結したリラクサー、ある種の自由度（分子の配向など）の周期が結晶の並進対称性とずれた周期をもつインコメンシュレー
ト相の発現相転移における巨大粒子サイズ効果などの興味深い現象が現れます。その機構解明に向けた研究を行っています。

ナノ細孔を持つ金属錯体における相転移現象の研究
ナノメートルの細孔を有する金属錯体は結晶中に大量の分子を吸蔵することができます。さらに、吸蔵された分子に起因した相転移現象も現れます。本研究室では分子吸蔵機構や相転移機構を熱力学的立場から調べています。また、分子吸蔵機構についての計算機シミュレーションによる研究も行っています。

ジカルボン酸銅錯体の細孔構造

リラクサーにおけるナノ極性領域の成長と相転移の凍結

22 TOKYO INSTITUTE OF TECHNOLOGY

Department of Materials Science & Engineering

新熱測定技法の開発とその応用
熱容量の周波数依存性や超微少試料での熱容量測定技法、
精密熱膨張測定をはじめ、いろいろな新しい熱測定技法の開発研究を行っています。

北野研究室豊富な元素を駆使した環境調和型触媒の創成
准教授

URL: http://www.mces.titech.ac.jp/authors/kitano/北野政明
博士 ( 工学 )◆研究目的（豊富な元素を駆使した環境調和型触媒反応プロセスを構築）
地殻に存在する割合が少ない Pt, Au, Pd などの貴金属は、レアメタルとして分類されています。これらの金属は、優れた性能を示す触媒となり、自動車の排気ガス浄化などで実用的に使用されています。しかし、希少な鉱物資源を持たない我が国では、希少元素の使用量をできるだけ減少させた新技術の開発が必須の課題となっています。我々は、地球上に豊富に存在する元素を駆使して新機能物質を生みだし、環境調和型触媒プロセスを構築するための研究を行っています。

◆研究テーマ・安定な分子を解離できる電子化物触媒[Ca24Al28O64]4+(e-)4 は、安定な無機の電子化物（エレク
トライド）として初めて見いだされたものであり、地球上に豊富に存在する元素 (Ca, Al, O) のみで構成されています。この材料は、表面に吸着した物質に対して電子を与えやすい性質を有しています。この電子化物材料に
直径数 nm の Ru ナノ粒子を乗せたものを触媒として用いると、安定な窒素分子を解離することが可能となり、従来の触媒を遙かにしのぐ性能でアンモニアを合成できることを見出しました (Nature Chem. 2012, 4, 934.)。
アンモニアは、容易に液化できるため、液化による貯蔵が難しい水素エネルギーの貯蔵材料として注目されており、低エネルギーでの合成プロセスが求められております。我々の成果は、アンモニアの低エネルギー合成の有望な方法として注目されています。
我々のグループでは、ユニークな物性を持つエレクト
ライドを利用した様々な有用化学反応を検討しており、また、 [Ca24Al28O64]4+(e-)4 以外にも革新的なエレクトラ
イド触媒を開発しています 。
・室温でも機能するナノチューブ型触媒
チタンは地球上に豊富に存在する元素であり、チタン
酸化物は、安定で安価な材料であることが知られています。チタン酸ナノチューブは、直径約 5 nm 程度の一次元細孔構造を有した層状チタン酸化合物であり、光触媒、
触媒担体、色素増感太陽電池などに応用されてきました。
我々は、このチタン酸ナノチューブが炭素−炭素結合形
成反応である Friedel-Crafts アルキル化反応を室温でも進行させる優れた固体酸触媒であることを初めて見出しました (J. Am. Chem. Soc. 2010, 132, 6622.) 。

◆当研究室について
当研究室は、基礎物理・材料化学・計算科学・触媒化学の協働により、新しい材料化学を構築することを目的とした元素戦
略研究センター内に所属しています。同センター内にいる様々な分野のグループと合同でのゼミを行ったり、異分野間のディ
スカッションが自由にできる環境となっています。また、センター内にある装置は共通で使用できるため、あらゆる材料の分析、解析が可能です。研究テーマに関しても、上記の内容以外にも、新しいことにどんどんチャレンジしていくことを大切にしていますので、意欲のある方をお待ちしています。

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北本研究室ライフエンジニアリングのためのナノ材料・デバイス－電気・磁気・光を使ってひとの健康と環境をまもる－
URL: http://www.www.iem.titech.ac.jp/kitamoto/

教授

北本仁孝
博士 ( 工学 )研究目的と概要
ナノ粒子・微粒子は目に見えるものではありませんが、みなさんのからだや生活にとって重要な役割を担うようになってきています。たとえば、磁石は身の回りでよく見かけるものですが、目に見えないほど小さな磁石がハードディスク、
磁気カードなどの情報機器や、医療の現場など人間の生活や生命を支える存在として積極的に使われています。磁性体や金などでできたナノメートルサイズの粒子や構造体の磁気的・光学的現象を理解しながら、私たちの健康や生活・環境に
ライフ・イノベーションもたらすナノ材料・デバイス技術を生み出そうとしています。

北本からのメッセージ
世の中で実用化されているものは、物理、化学、生物学、材料科学、電気工学などいろんな要素に基づいてできあがっています。このような融合の中で、みなさんのバックグラウンドを広げ深めることによって社会で生かすことができるよ
うに考えていきましょう。
社会に出て行くにあたっては、勉強ができること、手先が器用なことなど仕事に直接関係のありそうなことも大事ですが、他の人との連携や交渉するインタラクティブなコミュニケーション能力など普通に人が生きていくのに必要な人間力も重要です。私たちの研究室では、留学生、社会人博士が在籍し、多様な考えを相互に受け入れながら互いに切磋琢磨して、教育・研究をしています。

研究テーマ
１．3 次元ナノ粒子集積によるナノポーラス構造体の創製、及び薬剤輸送システムキャリアと触媒への応用
２．有機無機ナノ粒子複合体の磁場に対する応答を利用したセンシングとがん温熱治療
３．マイクロ流体デバイスと生体計測システム
ナノサイズの細孔をもつ極薄のシェルでできたカプセルを作製する技術を開拓し、がん治療などにおいて薬を患部に効率よく送り届けて副作用などを抑制する薬剤送達システム（DDS）や、燃料電池触媒粒子、大気汚染物質を分解する光触媒粒子として応用するための研究しています。
ポリマーと磁性ナノ粒子の複合体を作製し、交流磁場に応答する性質を利用したナノ医療デバイスへの応用を研究しています。磁気センシング・デバイスによる生体情報計測と磁気温熱による低侵襲がん治療について応用することを目指しています。

24 TOKYO INSTITUTE OF TECHNOLOGY

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笹川研究室固体物質のもつ超電子機能の追究－新奇超伝導体からトポロジカル絶縁体まで－
准教授

URL: http://www.msl.titech.ac.jp/~sasagawa/

笹川崇男
博士 ( 工学 )高温超伝導体を超えるような新物質・新機能の発見と、そ研究室の特色のメカニズムの理解を目指しています。研究を通じて、次世作り（精密組成制御試料・単結晶）、測り（マクロ物性・代のリーダーとなる資質を持つ人材が、当研究室より数多く

先端量子測定）、考え・予測・設計する（第一原理計算）と輩出されることにも期待しています。

いう物質科学研究の醍醐味を全て味わえます。国内外に張り巡らせた共同研究ネットワークとこれらの武器を組合せて、機能物質研究におけるホームランを狙います。

研究テーマ

研究対象

◎ 超機能をもつ新物質・新物性の探索・設計◎エネルギー・環境「理屈っぽく」「手段を選ばない」「一発当てたい」を合言葉に、ゼロ抵抗（高温超伝導体・新奇超伝導体）

第一原理量子シミュレーション、不活性雰囲気合成、超高圧

廃熱発電・省資源冷却（熱電変換材料）

合成など、あらゆる手法を駆使。

◎情報・デバイス◎ 機能物質の単結晶開発

スピン偏極（磁性体、ハーフメタル、ラシュバ物質）

精密物性測定の出発点、薄膜デバイスの素材、電子相制御・高速・高効率・低消費電力情報処理

電子機能設計の舞台として。

（トポロジカル絶縁体、トポロジカル超伝導体）
高密度情報記録（マルチフェロイック物質）◎ 先端量子計測による超機能のメカニズム解明
物性をミクロに支配しているエレクトロンやフォノン、マ
グノンの運動状態を精密測定する実践により、超機能の本質に迫る。

量子力学の直接観察の◎ナノテク
炭素系新素材（ダイヤ分子、グラフェン分子）
低次元物質（黒リン、層状遷移金属化合物）

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坂井・宮内研究室
資源循環・低炭素化社会に向けて
URL: ://www.eim.ceram.titech.ac.jp/index.html

教授

教授

工学博士

博士 ( 学術 )

坂井悦郎

宮内雅浩

●研究室概要坂井・宮内研究室は低炭素・資源循環型社会に関連した多くの問題を材料化学から解決することを目標としています。
坂井悦郎教授は微粒子工学、資源循環・セメント化学に立脚した二酸化炭素削減や廃棄物のリサイクルシステムの開発に取り組んでいます。宮内雅浩准教授は光化学やナノ粒子合成
をベースとして環境浄化材料や太陽光発電素子の開発をおこなっています。いずれもナノ〜マイクロスケールの材料を設計し、反応化学、微粒子工学、半導体光化学を駆使して持続可能な社会や低炭素化社会の実現を目指しています。
●研究テーマ①

資源循環・セメント化学

社会資本整備は、社会の安全・安心のために重要であり、そのためにセメント・コンクリートは必要不可欠な材料です。
その際、「作っては壊す」社会から「いいものを作って、き

図 1 ナノ粒子と特殊高分子系分散剤の利用による超高強度セメント
系材料の使用例（東工大本館前のデッキ；超高層建築物や羽田空港滑走路などに実用されています）

ちんと手入れをして、長く使う」社会とすることが今後必要とされ、政府のプロジェクトも推進されています。また、低炭素型の社会資本構築システムが要求されています。さらに、建設分野では大量な材料を利用することができるため産業廃棄物などを有効に利用し循環型社会システムの構築に役立つことが期待されています。

この分野として本研究室では次のような研究を実施しています。
・廃棄物を利用した低炭素型セメント・コンクリートシステ
ムの開発
・廃棄物を原・燃料に利用し、かつ CO2 排出量を削減した低炭素型汎用セメントの開発
・ナノ粒子や特殊な構造の高分子系分散剤の利用による超高強度・高耐久セメント系材料の開発
・ひび割れ抵抗性や塩害に対する抵抗性を有するナノスケー
ル構造制御によるセメント系補修材料や更新材料の開発

図 2 ECM（エネルギー・CO2 ミニマム）
セメント・コンクリートシステムの開発に環境大臣賞

・層状のカルシウムアルミネート系水和物（例えば Ca3Al2O6CaSO4-H2O ：AFm 相）による、六価クロムや塩化物ある
いはヨウ化物イオンなど有害イオンや放射性廃棄物の固定化
・水熱反応を利用した廃棄物利用建材の開発
低炭素型社会資本整備に関連した ECM（エネルギー・
CO2 ミニマム）セメント・コンクリートシステムの開発では、
平成 27 年度地球温暖化防止活動環境大臣賞（技術開発・製品化部門）を受賞しています。また、古いセメント・コンクリー
ト構造物に関連して映画「バケモノの子」にも協力しました。
図 3 層状化合物の層間にイオン交換で有害イオンを固定

26

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TOKYO INSTITUTE OF TECHNOLOGY

助教

山口

晃

博士 ( 工学 )●研究テーマ②

光エネルギー変換材料

坂井・宮内研究室では光触媒と太陽電池の研究もおこなっています。光触媒は光エネルギーによって様々な化学反応を起こすことができます。例えば、有害物質や病原菌を殺菌す
る環境浄化材料として使えますし、水や二酸化炭素を化学的に変換し、エネルギーとして有用な水素やアルコールを製造することもできます。また、当研究室では低コストで製造できる量子ドット型太型太陽電池の開発など、ナノ粒子を塗布するだけで簡単に製造可能な光エネルギー変換技術を開発し

図４ ナノ粒子の精密な制御と薄膜化ています。実用化を意識して特に以下のことを念頭にして研究に励んでいます。
１．丈夫で長持ち（無機材料の特徴）
２．安価で大面積（溶液プロセスの特徴）
３．安全・安心（ユビキタス元素）
近年では、室内照明で機能する光触媒を当研究室で開発し、病院や空港など、様々な施設で使われようとしています。
●社会のつながりと卒業生の進路
研究開発の成果を社会に還元させるためには、社会ニーズの分析や研究成果の適正な評価が不可欠です。当研究室は

図５ 人工光合成デバイス（植物の葉を半導体薄膜で実現）

社会ニーズへの貢献のため、企業との共同研究や NEDO や
JST といった大型国家プロジェクトに積極的に参加しています。その結果、研究室に所属している学部・大学院生の中には、産業に貢献する重要な成果を出す者もおり、大きなモチ
ベーションとなっています。また、学生たちは積極的に学会発表や論文投稿を行い、第一線の研究者との議論を深めることで次の研究への糧としていまする。卒業後の就職先も建設、化学、電機、機械、情報通信、自動車、エネルギー、官公庁など多岐にわたります。
●おわりに
我々人類は太陽光の恩恵を受けながら地球上の様々な物質を活用しながら生活をおくっています。化石燃料は元をたど
れば太陽光エネルギーであり、この無尽蔵なエネルギーを有

図６ 学生の学会発表、国際交流、受賞の様子

効活用すべきことは言うまでもありません。一方、我々は住宅や構造物無くしては健康で衛生的な生活が成り立たず、こ●代表的な研究成果

うした構造物の長寿命化や資源リサイクルも重要課題です。

J.Plank, E. Sakai et al. Cement & Concrete Res. 78, 81, 2015

坂井・宮内研究室では材料化学的な視点でこうした課題に取2. 坂井悦郎、国土強靭化に資するセメント系材料の開発、セり組んでおり、将来の環境・エネルギー技術分野のグローバ

ラミックス、50, 910,2015

ルリーダーが育つことを願っています。

3.Yin, Miyauchi et al. ACS Nano 9, 2111, 2015.
4.Miyauchi et al. J Am. Chem. Soc. 135, 10064, 2013.

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佐々木研究室
身近な結晶で電子の世界を覗く
教授

URL: http://lipro.msl.titech.ac.jp/

佐々木聡

博士 ( 理学 )助教

奥部真樹
博士 ( 理学 )固体の電子的な性質（機能や物性）と結晶構造との関係を知ることは、エレクトロニクスを始めとする多くの分野で重要です。研究室では、ミクロ領域で結晶構造や電子構造が、どのようにマクロの世界にかかわっているかを明らかにしたいと考えています。
このため、セラミックスなど機能性材料の結晶構造解析、
混合原子価化合物での相転移や電荷秩序・価数揺動の研究、磁気吸収やＸ線共鳴磁気散乱による磁性材料の研究、機能性
酸化物の電子状態の研究、計算機シミュレーション、高温高
図 2. Fe3O4 の Fe 共鳴磁気散乱因子（左）と理論 DOS。

圧下での構造物性研究、地球・惑星物質の局所構造解析、地球環境を考慮した高集積熱電変換や廃熱回収システムなどの研究課題を実施しています。

磁気構造の研究
軌道磁気とスピン磁気モーメントは、マクロな磁性を理解す

電子状態や電荷整列の研究

る上で基本的な量です。研究室では、磁気光学効果（Ｘ線磁気

光が物質にあたると、吸収・散乱・回折現象などが起きて円二色性、XMCD）や磁気散乱の実験により、遷移金属・希土類

その電子状態が変化します。物質を構成する原子の大きさや元素酸化物の電子状態や磁気状態を研究しています。NiFe2O4 の物質内電子のエネルギーに合せた光（Ｘ線）を用いると、原XMCD スペクトルと Fe イオンの理論電子密度分布を示します

子や分子の配列や結晶の電子状態を研究できます。

（図３）。

これらの先端的研究には、シンクロトロン放射光や中性子など量子ビームの利用が不可欠です。特に研究室では、回折散乱に分光学的手法を取り入れた放射光測定技術の開発に力を入れ、結晶内原子の電子状態を研究しています。
放射光の連続光という特徴を利用した共鳴散乱で、Eu3S4の価数が異なる Eu イオンを区別し、電荷秩序を求めた実例を図１に示します。
図 3. NiFe2O4 の XMCD と Fe3O4 内 A サイト Fe の理論電子分布。

電子密度分布の研究
結晶構造解析では、電子密度分布が求められます。例えば、
図２の E = 7.109 keV のＸ線を選んで磁気共鳴散乱を測定すれば、その電子遷移が関係する e 軌道と t2g 軌道の電子の空間的な広がりがフェリ磁性を示す正負ピークとして観測できます（図４）。
図 1. Eu3S4 の高温相（左）。低温相（右）では 4a サイト（緑小球）に Eu3+、8d（緑大球）には Eu2+:Eu3+=1:1。

共鳴磁気と電子状態密度
放射光の特徴である直線偏光を円偏光に変換すること
で、共鳴磁気散乱効果から、フェリ磁性を示すマグネタイト（Fe3O4）の不対電子の状態密度（DOS）を原子が占めるサイ
トを区別しながら実験的に求めることができました（図２）。
この結果は、1s から 3d(4p) に移る電子遷移と密接に関係しており、第一原理計算による DOS ともよい一致を示しました。

28 TOKYO INSTITUTE OF TECHNOLOGY

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図 4. Fe3O4 の (a) Ａサイトと (b) B サイトでの共鳴磁気散乱
する磁性電子の密度分布。赤 :spin up、青 :spin down。

篠崎研究室セラミック薄膜を舞台として新たなサイエンスの探求とエンジニアリングの創出に挑む
URL: http://www.sim.ceram.titech.ac.jp

教授

助教

工学博士

博士 ( 工学 )

篠崎和夫

塩田

忠

篠崎研の研究とは？
ナノメートルスケールの厚さしかないセラミック「薄膜」
は、普段目にする「バルク」とは異なる性質を示すことがあり、時として量子効果が現れることもあります。それらの性質は、バルクと同じように作り方（プロセス）によっても大きく変化します。薄膜に特徴的な性質を得るためには、構成
元素、不定比性、不純物分布、複雑な結晶構造や微細組織などを精密に制御するプロセッシング技術が必要です。
私たちは、セラミック薄膜の特性を改善したり新しい性質を生み出したりする薄膜プロセッシング技術を追求し、得られた特徴的な物性の背景にある物理や化学を解き明かし、次世代デバイスへの応用技術を確立する、ことを目指して研究しています。

こんな研究をしています

薄膜を創る・操る●原子層薄膜導入による結晶配向制御●基板表面の微構造制御による薄膜のナノ構造化

YSZ あるいは CeO2/YSZ を製膜した Si 基板上に、SrO、

YSZ 単結晶基板表面に、柱状組織を持つ

MgO、TiO2 などの原子層レベルの薄膜導入により、目的

YSZ 薄膜を製膜してナノスケールの表面とする SrRuO3 ( 酸化物電極 )、Pb(Zr,Ti)O3、BiFeO3 ( 強誘粗さを付与すると、その上の Pt ナノ薄膜

電体 ) の配向制御に成功しています。現在は、他の材料系が、加熱により自己組織化的にナノ構造にも展開し、結晶成長理論に基づくバッファー層の科学化することを見出しました。この研究をとその積層プロセス技術の確立を目指した研究を進めて進め、再現性良く制御されたナノ構造が作製できるようになれば、現在のリソグいます。

ラフィー技術よりも簡便な金属ナノ構造作製方法として応用が期待できます。
異なる表面粗さの YSZ
単結晶基板上の Pt 薄膜の dewetting● RRAM 用酸化物薄膜の量子化伝導●電気化学デバイスの低温駆動用電極の開発

最近、抵抗変化型メモリ (RRAM) 用酸化物薄膜の抵抗ス

薄膜を知る・使う

1)

現在、エネルギー・環境問題の観点から、酸素センサやイッチング時に、量子化伝導の発現が報告されています 。

μ SOFC などの電気化学デバイスを低温で駆動すること

私たちは、RRAM 用薄膜の構成元素、組成、微構造と量が求められています。私たちは、(La,Sr)(Co,Ni)O3 薄膜電子化伝導発現の関係に注目し、量子化伝導発現機構の解極が、YSZ 酸素センサの低温動作に有効であることを示明や RRAM の多値化への応用を目指した研究を行っていしました。今後は、従来の電気化学的な解析手法だけでます。

なく、表面科学的な分析手法も加えて、その電極での表
面化学反応過程を明らかにし、低温でより高性能な電極の開発に役立てて行きます。

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TOKYO INSTITUTE OF TECHNOLOGY29

多田研究室電子状態計算から導く新物質・新機能・新概念へ
URL: http://www.mces.titech.ac.jp/authors/tada/

准教授

多田朋史
博士 ( 理学 )◆研究目的と概要 ＜新たなコンセプトを生み出せる理論研究を＞
近年の計算機の飛躍的発展により、一定の信頼性を確保した上で電子状態計算による材料探索 / 特性予測が実行可能になってきました。中でも、第一原理計算は原理的に実験値不要の計算手法であり、新物質探索を行う上では欠かせない手法となっています。新物質の探索はもちろん、新機能へのヒント、そして複雑に見える現象を見通しよく整理するための新概念を計算
結果から抽出し、世に必要とされる潮流を生み出せる理論の構築を目指しております。
◆研究テーマ ＜分子素子、量子情報素子、エネルギー変換、新材料探索＞・単一分子素子と量子情報素子
単一分子素子とは、分子一個が電極に接続され、それが電子素子ユニットとして機能しうるコンセプトの微視的接合体です。素子として高い電気伝導度を得るための接続規則を分子軌道から予測できる事を見出し、この分子素子を集積して量子コンピュータを作るための動作原
理と、そこで必要となる物理的条件について研究しております。
・固体酸化物形燃料電池
イオン伝導性をもつ固体電解質を用いることで、効率よく化学エネル
ギーを電気エネルギーに変換できるシステムが固体酸化物形燃料電池です。原子レベルの電子状態計算からマクロスケールの物理量までをつなげるマルチスケール計算技術を開発し、実計測と対応させながら材料設計を行っております。
・二次元エレクトライド材料探索
エレクトライドとは電子がアニオンのように振舞うユニークな材料です。そのアニオン電子を二次元的に内包する二次元エレクトライドを第一原理計算と化学的考察をもとに探索しております。
◆当研究室について＜化学、物理、生物、材料＞
・研究体制
多田は平成２５年１月１日に東京大学から赴任いたしました。大学院生二名、博士研究員一名、技術員二名の六人体制の小さな研究室ではありますが、各々の専門分野は化学、物理、生物、材料と多様です。研究テーマに関する議論はもちろん、それ以外のトピックに関しても時間を選ばず話合うことのできる環境を大切にしております。
・研究道具
紙と鉛筆（最近はタブレットとタッチペンでしょうか）で夢を描き、それを具現化しうる道筋を提起するための道具として計算機を用います。当研究室は 20 コア計算機を 10 ノード、16 コア計算機を 34 ノード、12 コア計算機を 5 ノード、8 コア計算機を 2ノード有しております。もちろん TSUBAME も使用いたします。数値計算を行う際に計算ソフトも必要になりますが、市販のソフトを用いる場合と、自作のソフトを開発して用いる場合があります。理論研究を始めるうえでコンピュータやプログラミングに関する経験があるに越したことはないですが必須のものではありません。一番大切なのは豊かな想像力でしょう。
・その他
研究活動において理論計算をどう位置づけるかはご自身次第です。実験をやりつつ、それだけでは見えない部分を理論計算で補いたいという方もいれば、ただ単に理論が好きで実験はあまり得意ではないから、という方もいるでしょう。多田は後者でした。
きっかけは様々です。当研究室にご興味を持たれた方は是非一度お立ち寄りください。

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柘植研究室バイオテクノロジーを活用した環境調和型高分子材料の創成
URL: http://www.iem.titech.ac.jp/tsuge/

准教授

柘植丈治
博士 ( 農学 )近年、地球温暖化、酸性雨、海洋汚染、生態系の破壊など、深刻な環境問題が提起され、地球環境と調和する人間社会の形成が全世界的な課題となっています。柘植グループでは、持続可能な社会を実現するための科学技術の一つとして、再生可能な植物資源（糖、植物油）や二酸化炭素から生分解性高分子（バイオポリエステル）を微生物生産し、それらを高性能材料にするための基礎研究を進めています。とくに、バイオテクノロジーを駆使して、バイオポリエステルの生合成、関連酵素遺伝子の取得と解析、高生産微生物の分子育種、そして、生体高分子の構造解析と機能開発、生分解性高分子の材料設計という研究に関して、高分子科学と生物科学の両面から研究を進めています。

研究テーマ

１．バイオベースプラスチック微生物合成法の開発
環境に調和する生分解性のバイオポリエステルを、再生可能な炭素源から効率よく大量に微生物生産するシステムの開発が大きな目標です。多くの微生物は、エネルギー
貯蔵物質として (R)-3- ヒドロキシアルカン酸の光学活性ポリエステルを生合成し、体内に顆粒状に蓄えています。これらバイオ
ポリエステルは、自然環境中の微生物によって完全に分解され、最終的に無機化される生分解性プラスチックです。これまでに、
高性能バイオポリエステルを生産する微生物からポリエステル生合成遺伝子を取得し、その機能の解析をするとともに、安価な植物油から共重合ポリエステルを大量に生産する遺伝子組換え微生物の分子育種を行ってきました。遺伝子工学、代謝工学、タンパク質工学、進化分子工学の各基礎技術を応用し、ポリエステル生産のための代謝経路を最適化することで、糖、植物油などの再生可能資源からバイオポリエステルを効率的に生産する研究を進めています。
２．化学合成独立栄養細菌による二酸化炭素の資源化
化学合成独立栄養細菌は、二酸化炭素を炭素源として、無機化合物をエネルギー源として生育する微生物で、優れた二酸化炭素固定能を有しています。この微生物を利用することで、二酸化炭素から直接的にバイオポリエステルやモノマーなどの有機物を作り出す研究を行っています。とくに、太陽光や風力のような再生可能エネルギーを化学エネルギーに変換して無機化合物に蓄え、さらに酵素反応を利用して生体エネルギーとして取り出すことで、微生物を用いたもの作りに応用する方法を研究しています。
３．生分解性高分子の材料設計と高性能化
理想的な生分解性高分子材料は、使用している間は優れた性能を発揮し、廃棄後は微生物によって完全に分解されて自然界の炭素循環サイクルに組み込まれる材料です。優れた性能をもつ生分解性高分子材料を分子設計するためには、材料の物性と生分解性を同時に制御できる方法論を構築する必要があります。高分子の分子・固体構造を制御することにより、合目的な性能や機能をもつ生分解性高分子材料を創成することを目的とした基礎研究を進めています。
以上のように、本グループでは高分子科学と生物科学の融合を目指し、理化学研究所・阿部英喜グループ（バイオプラスチック
研究チーム）と連携して研究を進めています。また、北海道大学や東京大学、海外の大学などとも共同研究を行っています。バ
イオプラスチックや生分解性プラスチックに興味のある方、やる気のある方の参加を待っています。異分野からの参加も大歓迎です。
研究室構成： 教員１、博士研究員１、博士学生４、修士学生７
関連学会： 高分子学会、日本生物工学会、日本農芸化学会、米国微生物学会ほか

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鶴見・武田研究室
ナノテクノロジーでフォノンを視る・知る・生かす
URL: http://nanophononics.ceram.titech.ac.jp/

教授

准教授

工学博士

博士 ( 理学 )

鶴見敬章

武田博明

原子・イオンは固体（結晶）中で規則的に振動し（フォノン）、
そのフォノンは材料の特性、特に電磁気や光に関係する性質に深くかかわっています． 私たちの研究室では、ナノメー
トルサイズで物質の構造を変化させ、フォノンに関わる材料の特性を大きく向上させるための研究と、その基礎となる学問体系を創っています． 私たちの研究室では、安全で安心な社会の構築に貢献する環境・エネルギー・医療に関連した
電子セラミックス材料・素子の開発を行っています ( 図１) ．
図 2. Fe3O4 の Fe 共鳴磁気散乱因子（左）と理論 DOS。

物性の起源を知る（フォノンを観察する）
私たちの身の回りにある電子機器・機械の中には電子セラ
ミックス素子が数多く使用されており、それは材料個々の特性である導電性、絶縁性、磁性、誘電性、強誘電性などを利

物性を変えるテクノロジー（フォノンを操る）
セラミックス中にある粒界（結晶粒子同士の境目）の構造を用しています．これらの性質の多くは格子振動（フォノン） ナノメートルオーダーで制御すると、セラミックスの物性を劇が大きく関与していることが知られています．私たちの研究的に変化させることも可能です．私たちの研究室では、巨大な室では、独自開発した方法でテラヘルツ領域（10 〜 10 Hz

誘電率が期待できる界面分極を利用した粒界絶縁型（BL）キャ程度）の誘電特性を測定し、フォノンの振舞いを解析していパシタに着想を得て、今までにない高容量を持ったコンデンサ

11

14

ます ( 図２)． フォノンを観察する ことにより物性の起源がの開発を目指しています ( 図３)．

明らかにし、その知見を新たな材料開発に応用します．

【関連する学生研究テーマ】【関連する学生研究テーマ】

・SrTiO3 系ナノ粒子を用いた新規界絶縁コンデンサの開発

・テラヘルツエリプソメータを用いた誘電体材料のフォノン解析 ・(Li、La)TiO3-(Ba、Sr)TiO3 系高誘電率材料の開発
・ペロブスカイト系酸化物の分極応答の解明
・高温耐圧スナバコンデサ用誘電体セラミックの絶縁破壊機構の解明

また、従来とは異なる材料探索手法により、よく知られている材料でもその物性を劇的に変化させることができます．これまで、強誘電体材料の研究分野の中心はペロブスカイト型酸化物で陽イオン種を変化させることで物性が制御されてきました．
私たちは計算科学・理論・実験を通して陰イオン（酸化物イオン）の変化によっても誘電特性が向上する可能性を見出しました ( 図４)．この現象をフォノンの観点から詳細を明らかにし、応用す
れば（つまり、フォノンを操れば）電子機器のさらなる特性向上が期待できます．
【関連する学生研究テーマ】
・ペロブスカイト型酸窒化物の合成と誘電特性評価

32

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助教

保科拓也
博士 ( 工学 )環境・エネルギーに貢献するモノ作り（フォノンを活かす）【関連する学生研究テーマ】

電気自動車（EV）の走行距離を延ばすため、また太陽光発 ・燃焼圧センサ応用へ向けた人工ゲーレン石の圧電特性評価
電を効率良く利用するためには、電気を貯める『蓄電池』を ・人工ゲーレン石の圧縮強度を考慮した燃焼センサ素子の設計
いかに大容量にするかがカギになります．私たちはこれまで培ったフォノンの知識を活かして、リチウム電池をはるかに凌ぐ容量をもち、短時間で充電できる次世代固体キャパシタを開発しています．このキャパシタが実現できれば 10 分間の
充電で 500 キロメートル走る EV も夢ではありません．
【関連する学生研究テーマ】
・リチウムイオン伝導体の新しい電解コンデンサへの応用
・導電性セラミックスを用いたキャパシタ材料の作製と電気的特性の評価
地熱・火力発電所施設の非破壊検査による安全管理、化学プラントでのダストモニタによる環境配慮、自動車・船舶のエンジン燃焼圧モニタリングによる燃焼効率アップは今後ますます重要になってきます．これらの要素技術として圧電材料を用いたセンサが必須となり、これには高温で (1) 高い化学

私たちの研究室に入ったら．
．
．

安定性・(2) 安定な圧電特性・(3) 高い電気抵抗率を有し、(4)

私たちの研究室は誘電体の研究では日本を代表する研究室です．

結晶化が容易な圧電結晶が必要です．しかし、これまで全て研究室運営のモットーは 自由と自覚の条件を満たす結晶は見つかっておりませんでした．私たちが提案しますが、これに至る経緯は学生自身が考え自由な発想です．研究目標は教員

は高い電気抵抗率には酸素欠損を生じない結晶構造が有効でで研究を進めます．ただし、これは放任とは異なります．困っあるとの材料開発指針を立て、最近、新材料の探索に成功したことがあれば教員全員で全力バックアップし、学生同士でもました ( 図５)．さらに、センサ構造も設計・試作・評価する

お互い助け合っております．そうすることで、高い研究レベル

ことで高温圧電センサへ展開できる基盤を作っております．

が保たれ、学生による自発的な学会発表や論文投稿に繋がり、さらにその後の就職に繋がっていきます．
【学生が筆頭著者である論文の掲載誌（最近５年間）】
Appl. Phys. Lett. １ 報、Appl. Phys. Express 1 報、IEEE Trans.
Ultra. Ferro. Freq. Contr. 2 報、J. Appl. Phys. １報、Jpn. J. Appl.
Phys. 4 報、J. Ceram. Soc. Jpn. 9 報【学生の学会発表による受賞（最近５年間）】
応用物理学会学術講演会講演奨励賞 2 件、日本セラミックス協会秋季シンポジウム最優秀ポスター賞 4 件、同優秀ポスター賞
２件、エレクトロセラミックス研究討論会最優秀賞 1 件、同優秀賞 4 件、同奨励賞 2 件【過去 10 年の主な就職先（人数）】
村田製作所 (7)、パナソニック (5)、富士ゼロックス (4)、キヤノン(3)、NTT(3)、フジクラ (3)、旭硝子 (2)、SONY(2)、特許庁 (2)、日揮 (2)、TDK (2)、住友電工 (2)、日本特殊陶業 (2)、成田国際空港(1)、JR 東日本 (1)、スズキ (1)、オムロン (1)、本田技研 (1)、東京
医科歯科大学、慶應義塾大学、岡山大学（教員として各 1 名） 等

Department of Materials Science & Engineering
TOKYO INSTITUTE OF TECHNOLOGY33

中島・松下（祥）研究室
表面 / 界面科学に基づく地球環境材料の創製
URL: http://www.rmat.ceram.titech.ac.jp

教授

中島
Ph.D.

章

准教授

松下祥子
博士 ( 工学 )中島・松下研究室が目指すもの
科学の究極の目的は自然の理を明らかにすることですが、工学、中でも環境に関する工学は、その目的の中心に常に『人間』の存在があり、科学を用いて、人々の豊かな未来を創造することが使命です。物質は人間のために使われて初めて「材料」となります。私たちは物質の科学を通じて、経済活動の持続的な成長を可能にし、安心・安全な社会の礎となる材料の研究を続けています。

中島・松下研究室の研究内容とアプローチ
環境材料の研究は「環境に調和した材料の研究・開発」だけではありません。私たちは「様々な環境問題に材料の視点から取り組む研究」はすべて環境材料研究である、と考えています。 現在当研究室では、光照射等により水や空気中に存在する有機系有害物を分解する材料、省エネルギーを目指した撥水親水材料、大気から CO2 等のガスを分離する材料、環境中の微量有害成分をセンシングする材料、エネルギー変換材料等に関する研究を行っています。
環境材料の研究は極めて裾野が広く、セラミックス、有機材料、金属といった様々な物質が対象になりますが、私たちはセラミッ
クス材料に軸足を置き、物質の表面・界面に着目して研究を行っています。固体の表面はさまざまな化学反応の「場」であり、光・熱・電子などとの直接的な接点です。固体の表面・界面の構造や組成を制御すると、固体に本来はない性質を付与したり、固体の性質をこれまで以上に大きく引き出すことが可能になります。表面や界面の面白さは、その構造や組成の特徴が一定の条件を満足すると、それが極めて微細な（ナノレベルの）特徴であるにもかかわらず、目に見える形でのマクロな性質として具現化される点にあります。私たちはナノレベルでの表面・界面のエンジニアリングを通じて、材料科学の視点から地球環境問題に日夜挑戦を続けています。具体的な研究テーマの一部を以下に示します。
◎高活性環境触媒・光触媒の開発◎固体表面の濡れ制御◎新ナノ光学による微量物質センシング
放射性物質やウィルスなど、現在の光学では検出しにくい微量有害成分を検出するため、第 3 の光学領域である人工物質 メタマテリアルやプラズモニクスデバイスの作製に、ナノファブリケーションの視点から挑んでいます。理論的に望まれる形を得るために、ボトムアップ手法、
トップダウン手法双方のアプローチを取っています。

34

Department of Materials Science & Engineering
TOKYO INSTITUTE OF TECHNOLOGY

通常の環境触媒では紫外光が必要だったり、レアメタルを使用するなど、使用法によっては改善を要する点があります。当研究室では、可視光でも応答するための方法として、新しい空間空隙を持つ材料や、新規な触媒反応を導入することで常温常圧近傍で高価な資源を使わない触媒の開発を行っています。
表面のぬれ制御は省エネルギーや輸送コスト削減といった観点から非常に重要な分野です。液滴の濡れ性は通常静的濡れ性のみで評価されています
が、我々は独自に開発した液滴転落挙動解析システムにより、表面の濡れ性を動的な視点から解析し、新たな表面設計のアプローチを提案しています。

助教

磯部 敏宏
博士 ( 工学 )◎温度差不要な熱電発電システムへの挑戦◎ガス分離用セラミックフィルタ

熱を電気エネルギーに変換する熱電変換システムは、将来の日本のコア技術の一つとなりえます。現状の熱電発電システ
ムは高温部と低温部を必要とする複雑な構造をしており、
また、その発電効率の低さが問われています。当研究室では本問題を解決するため、温度差不要な熱電発電システムの構築
熱で電気をに挑戦しています。
生み出す材料

地球温暖化ガスの回収と再資源化のキーテクノロジーはガスの分離技術の確立と言われています。そこで、処理速度を分離性能を両立する CO2/N2 分離用セ
ラミックスフィルタを作製しています。これまでに、CO2 ガスのみが透過しづらいフィルタや、
大気中から酸素のみを分離できるフィルタの作製に成功しています。

◎負の熱膨張率を有するセラミックスの合成

複数の素材を組み合せるエネルギーデバ
イスは、熱膨張による位置ずれや、各素材の熱膨張係数の違いが界面剥離や破壊などの故障を引き起こすことがあります。これらの熱膨張破壊を軽減するための無機フィラーを合成しています。また、これらのフィラー材をポリマーに配合することで、ポリマーの熱膨張率を金属並みに低下させることに成功しています。

中島・松下研究室の教育・研究方針
研究室の教育・研究方針に、基礎学力を身に付けること、オリジナリティの高い研究に取り組むこと、研究者・技術者として社会性と国際性を持つことを掲げています。基礎学力と研究は教員と学生、あるいは学生間のディスカッションを通じて、日々高めるようにしています。国際性を身に付けるために必要不可欠な語学力は、ゼミ発表を英語で行う等の工夫で養っています。
このようなゼミスタイルが後押しし、学生たちは夏季休暇などを利用して積極的に短期留学に参加しており、見聞を広めています。
すべての研究テーマは表面 / 界面化学と地球環境という 2 つのキーワードが共通しています。このような幅広い分野を取り扱うことは、学生の教育の上でも極めて有効と考えています。類似テーマをやっている学生が少ないため、学生が独立して研究を進める必要があり、学生の自主性と責任感が身についています。３人の教員のバックグラウンドがそれぞれ異なることか
らゼミや学会で担当しているテーマと異なる内容も勉強できることから、学生の視野が広がります。一つ一つの研究は学生たちの努力の賜物と考え、出来る限り論文等、目に見える形で残すようにしています。

教員からのメッセージ中島：「物華天宝」 科学の成果は天が与えた宝であるということ。
「人傑地霊」人はその環境の雰囲気で成長するということ。
いい雰囲気からいい研究成果が生まれます。
皆さんの先輩はこの研究室の雰囲気の中で沢山の宝を見つけました。
あなたも一緒に宝探しをしましょう。
松下：「資源、エネルギー、安全・安心」の科学・技術に貢献し、「少しでも良い日本社会」を実現する科学・技術者を育てること一人一人の人生がハッピーになるよう、それぞれのワークもライフも充実させることが私の志です。ともに研究に向き合ってくれる人、待っています。
磯部：「ノウハウの科学とものづくりへの応用」
一人で悩まず，みんなで考えて，誠実にこつこつ取り組めば，いい成果が生まれます．数年後に社会から注目され、将来偉大な研究と評価されるようなテーマに取り組んでいます。

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TOKYO INSTITUTE OF TECHNOLOGY35

中村研究室レーザー光を用いた物質機能の解析と制御
URL: http://www.knlab.msl.titech.ac.jp /

准教授

中村一隆
工学博士

研究の目的と概要
21 世紀は光の世紀と呼ばれています。太陽電池・光磁気ディスク・光触媒など物質の光機能を応用したデバイスを日常生活で使うことも多く、光の利用は環境負荷の小さいデバイスとしても注目されています。こうした光でバイスのさらなる高効率化・高速化を行うためには、光と物質の相互作用の基本的な物理をきちんと解明することが必要です。我々のグループでは、超短パ
ルスレーザーを用いて光と電子・格子との相互作用を直接実時間で観測することで、その基本的な物理を研究しています。また、状態の計測だけでなく、光を使って物質の量子状態を制御することで新しい光機能を開発する研究も行っています。さらに、非常に短時間に存在する、固体物質中の電子状態や振動状態の量子性をさぐることで、量子力学的世界と古典的世界の境界を探ることも目的のひとつとして研究を進めています。

最近の研究テーマと成果
１）コヒーレントフォノンの計測と制御：
物質の格子振動の周期よりも十分短いパルス光を照射することで、コヒーレン
トフォノンと呼ばれる位相のそろったフォノン集団を励起することができます。コヒーレントフォノンはフェムト秒 (10-15 秒 ) 時間分解能を持った過渡反
射率計測によって測定することができ、フォノンの振動数 • 寿命 • 位相などを調べることができます。われわれは、半金属 • 半導体 • 超伝導物質 • トポロジ
カル絶縁体 • ダイヤモンドなど様々な物質を対象としてフォノンダイナミクスの研究を行っています。
２）超高速キャリアダイナミクス：
電子デバイスの高速化 • 小型化にともない、電子 • キャリアの振る舞いを実時間で調べることが必要不可欠になってきました。わ
れわれは、光励起キャリアの振る舞いをフェムト秒レーザーパルスを用いて研究しています。対象物質は半導体 • 超伝導物質 • ト
ポロジカル絶縁体です。GaAs を用いた実験では、光励起される光学フォノンと光学フォノンと電子集団運動であるプラズモンの結合モードをパルス列励起を用いて制御しました。またその制御性から、プラズモン振動がフォノンの生成に比べて約 100fs 遅
れて生成することを明らかにしました。
３）量子コヒーレンスと量子古典境界：
電子や原子・分子のようなミクロな世界は量子力学で記述される世界であるのに対して、我々が日常に目にする世界は力学で記述される世界です。では、量子力学的世界と古典力学的世界の境界はそこにあるのでしょうか？我々のグループでは、超短パル
スレーザーを用いた分光実験を用いて、こうした物理学の根本的問題に取り組んでいます。

研究室の情報とメッセージ
１）メッセージ：
物質の量子性を超高速分光測定を用いて解明することで、「私達がいる世界をより深いレベルで理解する」ことを目指しています。
また、大きな研究テーマの中で自分の興味のある研究課題を定め、楽しんで研究をすすめています。実験のテクニックや知識を身につけるだけではなく、「難しい問題に直面したときに、どうやって対処するのか」・「いかに論理的な考えかたが出来るのか」・「問題の本質はどこにあるのか」・「どうやって自分の考えをうまく他人に伝えるか」といった社会に出て必要となる能力を、研究をとおして学んでもらいたい。
２）関連学会：
日本応用物理学会、日本レーザー学会、日本物理学会、米国物理学会など
修士課程の学生の場合１回程度の国内学会発表、博士課程学生では海外の国際会議での発表を行っています。
３）就職状況：博士：MIT、東京理科大学、東京大学、分子科学研究所、三菱マテリアル、NTT、日立製作所など
修士：日立製作所、スタンレー、富士通ゼネラル、ホンダ、ゼロックス、コニカミノルタ、オムロン など

36 TOKYO INSTITUTE OF TECHNOLOGY

Department of Materials Science & Engineering

林 研究室人工物と人体の間で何が起きているか ? バイオ分野の難問に挑む
URL: http://lab.spm.jp/

准教授

林

智広

Ph.D.

なぜバイオ界面が重要なのか ~ 生体適合性・親和性とは ?
私たちの身のまわりを見渡してみますと、コンタクトレンズ、化粧品、衣服などの日用品から、人工血管・臓器、人工関節、さらには再生医療における細胞の足場材料などの最先端医療機器に至るまで、数多くの細胞・生体組織と接して動作するデバイスが存在します。今後の社会ではこれらの材料・デバイスの重要性はさらに増し、より高い安全性が求められます。そのためには、材料が人体に対して異物・拒否反応を起こさず、人体組織と目的に応じて適切に相互作用すること ( 生体適合性 ) が求められます。
しかし、この生体適合性の物理的・化学的起源については未知の部分が多く、生体適合性材料の開発は試行錯誤的なアプローチに頼っているのが現状であり、バイオ界面で起こるプロセスの分子・原子レベルでの根本的な理解が求められています。

林研究室では◆バイオ界面の構築 : 真空蒸着、化学的処理、分子成膜、表面化学反応を用いた表面の構築◆表面・界面科学、計測制御、計算科学、情報科学を駆使した界面分析技術の開発 : バイオ界面の解析に特化したプローブ顕微鏡
技術の開発、第一原理計算、分子動力学法を用いた界面分子計算・シミュレーション、ニューラルネットワーク解析を用いた材
料設計◆生体分子、細胞・組織の材料に対する応答の解析 : タンパク質吸着・細胞接着実験、細胞の足場となるタンパク質のプロテオー
ム解析の一連の研究を自分達で行うことで、人工物と生体組織の間で起こる分子プロセスの詳細な解析を行っています。これによって、生体適合性発現のメカニズムの正確な理解、目的に応じた生体適合性材料の開発に挑んでいます。

主な実験設備 :独自に開発した原子間力顕微鏡、表面・探針増強ラマン・蛍光分光装置、真空蒸着装置、化学実験室、細胞培養設備など

研究室メンバーは ?
林研究室は物理・化学・生物・電子工学・情報・機械など、様々な分野出身のメンバーで構成されています。また、フィリピン、タイ、
インドネシア、モンゴル、エジプトなどからの留学生の割合が高いことも研究室の特徴です。違う分野・文化背景の異なるメンバー
でチームを組み、研究を進めます。自分の得意分野を生かしつつ、他分野の学問・技術を学び、融合分野の学問を創成しよう ! という冒険心のある学生を歓迎します。

日々の研究生活
常に他大学、企業 ( 化学メーカー、測定機器メーカなど 10 社程度 )、研究機関と連携しつつ、研究をすすめています。林研究室のメンバーは大学内のみで研究を行うことは少なく、在学中に他大学・他研究室、国立研究所、企業など様々な環境で研究を行います。この経験は将来の進路を決める上で、役に立つと信じています。
研究室連絡先 : ( 林 智広 ) hayashi.t.al@m.titech.ac.jp

http://lab.spm.jp/ TEL: 045-924-5400

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TOKYO INSTITUTE OF TECHNOLOGY37

原・鎌田研究室
不可能を可能にする触媒をつくる
URL: http://www.msl.titech.ac.jp/~hara/

教授

原

亨和

博士 ( 理学 )

准教授

鎌田慶吾
博士 ( 工学 )化石資源に頼らないエネルギーと化学資源の生産，人々を飢えさせない肥料生産，省エネで環境に優しいプロセス．これらは我々
人類が末永く地球と共生するために解決しなければならない課題です．しかし，多くの「不可能」がこれらの実現に立ちはだかっています．
今日の不可能を可能にする触媒を生み出し，人類社会に貢献する．これが原・鎌田研究室のミッションです．これまで私たちは新たな科学技術を武器に前人未到の野を切り開き，革新触媒材料を創生してきました．現在 3 つの大型プロジェクトが進行中．
今日の数多くの不可能を可能に変えて行く．これが私たちの挑戦です．

ソリッドアシッドプロジェクト
化石資源を使わない，CO2 を出さない．

現代社会は石油，石炭，天然ガスといった化石資源によって支えられています．その結果，排出された CO2 は地球上の生命全てを脅かしています．それなのに，なぜ私たちは化石資源から脱却できないのか？それはエネルギーだけでなく，電子・通信機器，輸送，衣料，住空間に使われるプラスチックやポリマー，さらには農薬，医薬が化石資源を原料としているためです．現代文明は木材，石，金属だけで成り立ちません．さらに追い討ちをかけるように化石資源の枯渇が目前に迫っています．今や，
CO2 による地球規模の環境・生態系の破壊が先か，化石資源枯渇による現代文明の崩壊が先かの競争になっています．
再生する植物−バイオマス−からエネルギーと化学資源を生産する
こと，そしてエネルギー消費を極限まで減らして化学資源を生産す
ることは環境破壊なしに現代社会が存続するための必須条件です．
しかし，これまでの科学技術でこの条件を満たすことはできません．
このような背景の中，私たちは新しいコンセプト，科学，技術を昇華させ，これらの問題を解決する革新触媒「ソリッドアシッド」達を生み出すことに成功しました．ナノグラフェンから生み出される「Protonic Solid」，「Sugar Catalyst」，水中でもルイス酸として働く
無機酸化物触媒「P-ETO」．これらのソリッドアシッドはこれまで不可能だった化学資源生産や植物の化学資源化を実現する触媒として既に実用化されています．
しかし，まだまだ不可能なことはあまりにも多い．私たちの挑戦に
終わりはありません．

アンモニアプロジェクト
100 年の沈黙を破る．

19 世紀初頭，西欧文明は崩壊の危機に瀕していました−産業革命で急増した人口に十分な食糧を供給できない−．
この危機を救ったのが，人口アンモニア合成「ハーバー・ボッシュ法」による化学肥料の生産
です．現在では，世界人口 80% の生命をハーバー・ボッシュ法が支えています．しかし，100 年以上私達を支えてきたハーバー・ボッシュ法ですら近年激増している人口をまかなえないことがわかってきました．19 世紀初頭の危機が，今度は世界レベルで襲来します．

38

Department of Materials Science & Engineering
TOKYO INSTITUTE OF TECHNOLOGY

助教

喜多祐介
博士 ( 工学 )ハーバー・ボッシュ法で使われている触媒は鉄をベースにした材料ですが，この触媒を出し抜く触媒はハーバー・ボッシュ法の生誕以来 100 年以上現れていません．しかし，細野研究室と原研究室の夢のコラボによって生み出されたアルミナセメント由来の「Electride Catalyst」はアンモニア製造 100 年の沈黙を破る超触媒として世界を震撼させました．
材料科学，固体物理，化学の申し子であるこの革新触媒は，低いエネルギー消費で桁違いの性能を発揮する触媒として，他の追随を許さない触媒として，実用化が急ピッチで進んでいます．さらに，細野−北野−原連合はこの触媒を遥かに上回る触媒の開発に成功．我々の敵は我々です．

選択酸化触媒プロジェクト
欲しいモノだけ作る，触媒を制するものは化学反応を制す．

酸化反応は，化学プロセスの 3 割を占める最も基本的かつ重要な反応の一つですが，反応制御の観点からは今なお多くの課題を抱えています．例えばプロピレン酸化でウレタン原料として重要な PO
のみ合成したい場合，他の化合物（AA，CO，CO2 など）の生成をいかに抑えるかがキーになります．そこで触媒という材料が重要な役割を果たします．
我々はこれまでに，水のみが副生成物である理想的な酸化剤である過酸化水素（H2O2）を用い，新規材料である金属酸化物クラスター
触媒による H2O2 有効利用率ほぼ 100% となるプロピレンのエポキ
シ化反応を実現しました．さらに量子化学的アプローチを用いた触媒の高機能化により，高難度選択酸化反応であるアルカンの水酸化を可能とする触媒の合成にも成功しています．
プロセスを工業化する際，反応後の触媒・生成物の分離，触媒の再使用が容易な不均一系触媒（固体触媒）の開発は極めて重要です．
これまでに得た水中や有機溶媒中での溶存種制御のノウハウを活かし，厳密な活性サイトをもつ革新的固体触媒に挑戦しています．
「メタンハイドレートのエネルギーキャリア化としても注目されるメタンからメタノールへの直接酸化」や「モノマーやグリコール
中間体として需要が急増しているプロピレンオキシドの直接酸化合成」といった “ 夢の触媒反応 ” を実現する革新触媒の創成を目指しています．
学生の受賞
触媒学会 優秀ポスター発表賞，日本化学会 学生講演賞，など
博士学生の外部資金獲得
日本学術振興会特別研究員 H22 (1 名 )，H23 (1 名 )，H25 (2 名 )就職先
東芝，JX 日鉱日石エネルギー，トヨタ自動車，三菱樹脂，信越化学，本田技研工業，凸版印刷，日立製作所，日立化成，
BASF，日本触媒，など研究代表者大型プロジェクト
JST ALCA 実用化，JST さきがけ，JSPS 基盤 B
研究分担者大型プロジェクト
JST ACCEL，JST NOVACAM，JST CREST，NEDO 非 可 食 性
植物由来化学品製造プロセス技術開発

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TOKYO INSTITUTE OF TECHNOLOGY39

細野・平松研究室
世界の潮流となる新材料を創り出す
URL: http://www.msl.titech.ac.jp/~hosono/

1．研究室の目指すもの
膨大な数の「物質」の中で、人間の社会に直接役立つものが「材料」です。私たちの研究室は、独自に打ち立てた材料設計指針をもとに、以下のような新しい材料を開発しています（図 1）。
(1) 物質固有の結晶構造を利用して材料としての新機能を探る
・層状構造を持つ混合アニオン化合物の研究から、新しい高温超伝導体「鉄系超伝導体」を 2008 年に実現しました。1986 年の銅酸化物超伝導体に匹敵する大きな発見と見なされ、世界中で熱い研究が行われています。
・小さな「かご」構造からできているセメントの構成成分の１つ、12CaO・7Al2O3 (C12A7) 結晶を使って、高輝度電子放出源、有機EL テレビ用高性能電極、アンモニア合成触媒、透明金属、超伝導などの機能を開拓しました。
(2) 材料研究の新しい潮流「ユビキタス元素戦略」
今までは希少金属を使ってしか実現できていなかった機能を、豊富で無害な元素を使って実現しようとする「ユビキタス元素戦略」を私たちは提唱しています。これは政策の大きな柱の一つとなり、2008 年から新しい国家プロジェクトが開始され、2012 年には「元素戦略研究センター」が設置され、2015 年 3 月には地上
5 Ｆ、地下 1 Ｆの専用の建物が完成しました（右上写真）。全国の大学に先駆けて実現したもので、我が国の政策「元素戦略」の研究拠点となります。
(3) シリコンを凌ぐ半導体デバイスが実現できる新材料を創り出す
私たちは「透明酸化物半導体」という新しい研究領域を開拓してきたパイオニアです。酸化物は、古くから陶磁器やガラスとして人類の発展を支えてきた材料です。それにもかかわらず、酸化物中で電子が主役を演ずる機能は殆ど見いだされていませんでした。これはその物質の本質によるものではありません。私たちは物質に内在する特徴的なナノ構造に着目し、その電子状態や欠陥構造を制御することで、新しい光・電子・磁気および化学機能をもつ材料を創り出すことを目指しています。その成果の一つが、当研究室が 2004 年に Nature 誌に発表したアモルファス酸化物半導体 IGZO の薄膜トランジスタ (TFT) です。高解像・低消費電力
スマートフォーンの実現につながりました。今年から有機 EL-TV用の新材料を本格的に狙います。

教授

准教授

博士 ( 工学 )博士 ( 工学 )

細野秀雄

平松秀典

Nature 誌や Science 誌などの世界トップの学術誌に掲載される研究成果を挙げ、企業と連携し産業化するとともに、その実践研究の過程で「真の材料研究」のセンスをもつ学生を育てることを理想としています。

2. 研究室の構成
スタッフ：細野 [ 新電子機能材料（半導体、超伝導、触媒、光）、材料設計 ]
平松（材料探索、薄膜デバイス、光電子物性）
飯村（新超伝導体、高圧合成、固体化学）
学生：博士課程 6 名、修士課程 9 名
プロジェクト： 現在、次の 2 つのプロジェクトを通して研究を進めています。
(1) 文部科学省 元素戦略プロジェクト＜研究拠点形成型＞電子材料領域（期間：2012.8 〜 2021.3）(2) JST ACCEL「エレクトライドの物質科学と応用展開」（期間：2013.10 〜 2018.3）
これらのプロジェクトでは、特任教授 4 名、特任准教授 2 名、特任講師 2 名、特任助教 8 名、博士研究員 4 名、研究員 4 名が活躍しています。これらのプロジェクトメンバーだけでなく、同じ材料コースの神谷利夫 教授、松石 聡 准教授のグループとも緊密な連携をして研究を遂行しています。
3. 方針
領域にとらわれずに世界で活躍できる一流の研究者を育てるため、実施研究を中心とした方針を採っています。最先端の設備を自由に使える環境の中で、個々の学生が高い独立性を持って研究をしています。優れた成果が得られれば、学生自身が国際学会へ参加したり、一流国際学術誌に論文を書いたりしています（これまで博士課程学生が Science 誌や Nature Commun. 誌に論文を発表してきました）。
また、学生の研究成果が評価され、以下のような表彰を受けています。 ( 過去 11 年間 )。
・国内学会 : 論文賞 3 名、講演賞 ( 応用物理学会、化学会等 ) 11 名
・国際学会 : 講演賞〔米国材料学会等〕3 名、ポスター賞 2 名・井上研究奨励賞 ( 自然科学全分野で 50 件 / 年の博士論文に授与）
3件
・先端技術大賞材料分野 3 件
4. 研究テーマ(1) 独自の攻め方で新材料を探す : 新しい高温超伝導体の探索と薄膜・デバイス化
物質の結晶構造を観、電子構造に思いを馳せ、物性との関係について考えると、どのようなアプローチで新しい特性を持つ材料を作っ
図 1. 当研究室から生まれた成果の例と発展たらよいか、アイデアがでてきます。
材料探索研究は、既にある材料の改良に終始してしまいがちで超伝導は数ある固体物性の中でも最も劇的でかつ明快な現象ですが、これまでに創り出された画期的な新材料、例えばナイロン、 す。また、超伝導臨界温度 (Tc ) の高い新物質が見つかれば、その社
カーボンファイバー、高温超伝導体などは、そのような改良研究 会的インパクトの大きさは比類ないほど大きなものです。私たちのからは決して生まれません。ただ試料を作るだけではなく、計算 研究室では、2006 年にまずこれまで磁性原子である鉄の化合物は超と実験の両面から電子状態を調べ、物質のイメージを作り、他人 伝導にならないという常識を覆し、そして 2008 年には Tc = 26 K のとは違った発想とアプローチにより、世界で「初めての」「、最高の」、 LaFeAsO を報告し、その後世界的ブームを巻き起こしました。現在、あるいは「唯一の」結果が出せるよう、研究を進めています。
最高の Tc は 55 K に達し、銅系材料以外では一番高くなっています。
私たちが目的としているのは、このような独自のアプローチに どこまで Tc が上がるか世界中で競争になっています（図 2）。
より新しい物質と機能を創り出し、それらを人の役に立つ「材料」
本家である当研究室も秘策を持って新規物質探索を頑張っておへと進化させることです。
り、最近では、新しいタイプの超伝導体 CeNi0.8Bi2 や、鉄と同様磁40Department of Materials Science & Engineering
TOKYO INSTITUTE OF TECHNOLOGY

薄膜成長チャンバー 3 台（PLD,
MBE, スパッタ）と角度分解光
電子分光 (ARPES) をすべて超高真空一貫でフロア一面に接続。試料を大気暴露することなく測定できる（S8 棟 3F）

助教

飯村壮史

性元素であるコバルトを有するにもかかわらず超伝導を示す新物質
LaCo2B2 を発見しました。
鉄系超伝導体の物性研究だけでなく、高磁場発生超伝導マグネッ
ト・超電導送電線などへの応用面で特に重要となる薄膜作製・デバ
イス化にも注力しています。図 3 は、私たちが鉄系超伝導体薄膜分野ではすべて世界に先駆けて実現してきた、エピタキシャル薄膜と超伝導量子干渉素子（SQUID）の例です。最近、高品質化した薄膜を利用して、銅酸化物超伝導体よりも優れた粒界特性を明らかにして（Nature Commun. 誌）、高磁場発生マグネット応用に期待できる
高性能線材を開発しました（図 4）。

図 5. ( 左 ) 空気中の窒素からアンモニアを合成する際に優れた触媒作用を示す Ru 担持エレクトライド C12A7:e －。これまでの触媒の 10 倍の活性を示す。 ( 右 ) 金属の銀に匹敵する伝導度を示す 2 次元
エレクトライド物質 Ca2N。電子は [Ca2N] 層の間に存在。

導を示します。また、この物質にルテニウム（Ru）を担持すると、優れたアンモニア合成触媒になることを見いだし（Nature Chem.
誌 , 図 5 左）
、最近大きな感心を集めています。さらに、アモルファ
ス C12A7 エレクトライドは、IGZO-TFT で駆動する有機 EL の電子注入材料として重要度が増しています。
2011 年 に は、1600 ℃ で 融 解 し た C12A7:e– の 中 に も 電 子 が安定に存在し、液体金属として振舞うことを明らかにしました（Science 誌）。これによって「電子の高温溶液」という新しい分野が生まれました。2013 年には、Ca2N では層間に電子が存在し、金属の銀に匹敵する高い伝導度を示すことを見いだしました（Nature 誌 , 図 5 右）。これによって 2 次元エレクトライドという図 2. 超伝導の歴史。当研究室が発見した鉄系の超伝導臨界温度がどこまで上がるか、世界中が注目しています。

図 6. MEM/Rietveld 解析で観測した電子密度と第一原理計算で求めた「かご」構造の電子密度。

新領域が誕生しました。学問的にも応用の面でもこれからの飛躍が期待できるフェーズになりつつあります。
(3) 新材料・機能を創るために : 理論と実験による電子状態の解析
やみくもに実験をしていても、新しい材料を見つけることはほ
図 3. 世界初の鉄系超伝導薄膜 Co 添加 SrFe2As2 の超伝導特性と試料の写
とんど不可能です。私たちは、光電子分光法、パルス電子スピン
真（左）。それをさらに高品質化した BaFe2As2 薄膜を利用して作製した超共鳴法や X 線回折法などを用いて、物質や欠陥の電子状態を直接伝導量子干渉素子（SQUID, 右）。
的に実験で観察しています。さらに第一原理計算を併用すること
で物質のイメージを作り、物質探索や材料設計の指針をたてて開拓研究を進めています。図 6 は、C12A7 の中でかご構造のひずみを X 線構造解析と第一原理計算で調べた結果です。C12A7 中の電子数が増えるにしたがってかごの形がきれいになり、電子の通り道である波動関数が拡がっていく様子が見えます。
(4) 高性能透明トランジスタ
1997 年に、世界で初めて P 型透明酸化物半導体の設計法と具体例を Nature 誌に報告し、透明酸化物エレクトロニクスという図 4. 高品質 BaFe2As2:Co 薄膜により明らかになった鉄系超伝導体の銅酸
新分野を私たちは開拓しました。2004 年にはアモルファス酸化化物よりも優れた粒界特性（左）と、開発した超伝導薄膜線材の写真（右）。
物半導体（IGZO）の特長を活かして、高性能 TFT を実現しまし(2) ユビキタス ( ありふれた ) 元素戦略 : 新コンセプト物質 エレクト た。2012 年から新型 iPad やスマートフォーンへの搭載が始まり、ライド
自分たちの創った新材料で世界を席巻する例になりつつあります
電子が陰イオンとして振舞う物質を「エレクトライド」と称します。 （図 7）。
12CaO・7Al2O3 (C12A7) は、酸化カルシウムと酸化アルミニウムというありふれた酸化物から構成されている、何の変哲もない物質と考えられてきました。ところが、原子レベルで結晶構造を見直してみると、陰イオン ( 通常は O2– イオン ) を包接できるナノかご構造を持っています。私たちは、合成法を工夫することで、ナノかご構
造中に、電子を包接させることで、世界初の室温で安定なエレクト 図 7. アモルファス酸化物半導体ＩＧＺＯを用いた薄膜トランジスタ（TFT）
は、これからのディスプレイを駆動する本命と目されている（左 : TFT の
ライド C12A7:e– を実現しました（Science 誌）。この物質は絶縁体 構造 , 中央 : プラスチック基板上に作製した TFT の写真）。右の写真は、こではなく、透明で金属のようによく電気が流れ、低温にすると超伝 れを使うことで実現した４Ｋ大型有機ＥＬテレビ。

Department of Materials Science & Engineering
TOKYO INSTITUTE OF TECHNOLOGY41

舟窪研究室
新しい環境適応型高機能、高効率な薄膜材料の創成－ナノプロセスで環境適用材料実用化を目指す !! －URL: http://f-lab.iem.titech.ac.jp /

教授

舟窪

浩

博士 ( 工学 )(1) 研究目標とそのアプローチ
電子およびエネルギーデバイスでは 新材料の時代 がやってきています。我々は 単に高機能なだけでなく、環境低負荷であることが不可欠 との信念から、新しい環境適応型の グリーン材料 の創成を目指しています。

(2) 研究テーマ：[ キーワード：グリーン材料、元素戦略、電子材料、エネルギー ]①環境適応型圧電体、強誘電体の研究
我々のグループは、特性発現に不可欠と考えられてきた環境汚染元素を含まない グリーン圧
電体 を世界に先駆けて発見しました。
（図 1) 現在、
アクチュエータや超音波健康診断装置等、幅広い用途で用いられる圧電体は、有害な元素を多く含んでいるため、その代替材料の開発が迫られています。十分な特性を有する代替材料の開発に成功すれば、体内のセンサ等といった医療エレクトロニクス用途に展開することが可能であり、様々な分野へ貢献できる可能性を秘めています。現在も、様々なアプローチからこの グリーン圧電体 の開発に取り組ん
図 1. Bi 系強誘電体とそのモデル図でいます。
（2012 年新聞発表 )② 夢のメモリー ━ 極薄膜強誘電体の研究
強誘電体メモリーは USB メモリーのように電源を切ってもデーターが保存でき、USB メモ
リーより高速で動作できることから 夢のメモリー として IC カードなどで実用化されています。しかし多くの情報を入力して管理することを可能にする大容量のメモリーは現在までできていません。これを実現させるためには、非常に薄い強誘電体膜が必要不可欠になるのですが、薄くすると特性が著しく低下するサイズ効果の影響により、この問題は過去 50 年以 図 2. 作製に成功した単結晶 HfO2 基強誘
上にわたって解決されていません。我々のグループは、薄膜化するほど強誘電性が向上する 電体の高分解能像とそのイオンの配列
逆サイズ効果 をもつ物質を利用し、15 nm まで薄くても特性が劣化しない強誘電体単結晶 （2015 年新聞発表 )膜の作製に世界で初めて成功しました。( 図 2) これからも、この 夢のメモリー の実現を目指し、研究に取り組んでいきます。
③ 振動発電材料の研究
環境のどこにもある 振動 を発電に使い、トンネル内で発電とセンシングを同時に行う バッテリーレススマートセンサー の研究に取り組んでいます。
④ グリーン熱電材料の研究
身の回りの廃熱を利用して発電するための 熱電材料 の開発を行なっています。Mg や Si など毒性が無く地球上に豊富に存在する
ユビキタス元素 を用いて高い発電効率を実現することを目指しています。

(3) 研究室について
本研究室では、作る、測る、考えるという一連の研究のプロセスを一貫して行うことができ、そのための十分な設備が整っています。SPring-8 等 ( 図 3) 外部の研究機関や海外研究者と連携し、研究を行うことができ、実際にその経験を積むことが出来ます。また、他大学との勉強会 ( 図 4) や学会発表 ( 図 5) も行っており、また旅行などのアクティビティ ( 図 6) も積極的に行っています。見学はいつでも可能です。是非一度お越しください。

42 TOKYO INSTITUTE OF TECHNOLOGY

Department of Materials Science & Engineering

真島研究室次世代ナノ材料を用いた分子デバイス・
単電子デバイスの創製
URL: http://www.msl.titech.ac.jp /~majima

教授

真島

助教

豊

東

博士（工学）

康男

博士（工学）

Department of Materials Science & Engineering
TOKYO INSTITUTE OF TECHNOLOGY43

松石研究室アニオンの化学による新物質・新電子機能探索
URL: http://www.mces.titech.ac.jp/authors/matsuishi

准教授

松石

聡

博士 ( 工学 )
はじめに

研究体制

近年、測定や解析方法の発展により、機能性材料の電子構

本研究室は平成 24 年 10 月に発足した元素戦略研究センター造が明らかになると同時に、量子化学計算によって、材料をに設置された研究室です。文部科学省 元素戦略プロジェクト＜

構成する物質の電子構造と物性を高精度に予測することが可研究拠点形成型＞（期間：2012 〜 2021）のもと、応用セラミッ能になってきました。将来的には、欲しい機能から出発して、 クス研究所の細野・平松研究室と連携して研究を行なっています。
それを実現しうる電子構造をデザインし、さらに、それを内包する結晶構造を探すといった形で新しい機能性物質が見つけられるようになるともいわれています。しかしながら、将来の持続可能社会の実現のための材料には、その機能性だけ
でなく、環境負荷が小さく豊富な元素から構成されているな
どの様々な要求があり、それらを満たすには既成の概念にとらわれず、結晶構造と元素の組み合わせる新しいマテリアル
デザインが必要です。
変わり種のアニオンを操る
金属酸化物などのイオン性固体をターゲットとして機能性物質を探索する場合、その構成元素のうち、陽イオン ( カチオン ) になりやすい金属元素の働きが重視されます。例えば
多くの超伝導体や磁性体であれば遷移金属の d 軌道が、透明
電子伝導体であればインジウムとスズなどが重金属の s 軌道
が重要な役割を果たしています。一方、陰イオン ( アニオン )となる酸素などの典型元素は陽イオンに配位しているだけで、何もしていないように見えます。しかし、カチオンに配位す
るアニオンの種類を変えたり、多種にすると、多彩な結合状
態や結晶構造をつくることが可能になり、元素の隠された性質を引き出すことができます。
そこで、私たちの研究グループでは水素などの通常ではカチオンになりやすい元素がアニオンとなっている物質、空隙に捕捉された電子がアニオンとして振る舞う物質 ( エレクトライド ) および混合アニオン系物質に注目し、超伝導体や新奇の電子伝導体・磁性体など固体中の電子の動きを利用した、新機能の探索を行っています。
研究テーマについて
現代的な材料研究では、化学的知見に基づいてうち立てた
設計指針に、量子化学計算を用いて肉付けしていくことが重要です。ドーピングの効果など、設計の妥当性を調べた上で、実際の合成を行います。所望の組成に調整した原料を反応させることで、多結晶体および単結晶試料を合成しますが、通常の条件では狙った物質が合成できるとは限りません。そこ
で、原料を試料セル内に閉じ込めたうえで、合成に有利な高温・高圧状態にする高圧合成法を利用します。合成した試料に対して構造解析や基礎物性の評価を行うと同時に、酸素や水素といった軽元素も含めた組成分析も行います。さらに各種分光学的手法を駆使することで合成した試料の電子状態を明らかすることを目的に研究を行っています。

44 TOKYO INSTITUTE OF TECHNOLOGY

Department of Materials Science & Engineering

安田研究室材料の破壊と変形，そして，それに関係する組織形成を力学的，確率論的な観点から研究しています
URL: http://www.cmc.ceram.titech.ac.jp/index.html/
E-mail: kyasuda@ceram.titech.ac.jp

准教授

安田公一
博士 ( 工学 )材料の破壊や変形を科学してみま 小粒ながら，ぴりりと辛い，独自の世
せんか？
界観を持った，将来，有望な研究者になってみようとは思いませんか？

角砂糖を圧縮すると，圧縮しているのに教員一人の小さな研究室ですが，その分，も関わらず，縦に割れて，いくつかの破片に分かれてしまいます．どうして，こうい 装置は使い放題，研究指導もマンツーマンでうことが起きるのでしょうか？ 考えてみ 十分受けられます．そのメリットがわかるあると不思議です．実は，それにもちゃんと なたは，将来，有望な研究者です．
した理由があるのです．よくよく見渡してみると，世界は不思議なことに溢れています．

研究キーワード
エンジニアリングセラミックス，複合材
料，破壊と変形，材料力学，統計力学，信頼性，成形と焼結，航空宇宙，エネルギー変換

国際会議で学生が表彰された研究ポスター

Department of Materials Science & Engineering
TOKYO INSTITUTE OF TECHNOLOGY45

矢野( 哲)・松下（伸）研究室
先進機能性ガラスを中心としたセラミックス材料・プロセスのフロントランナーです
URL: http://www.garaken.com/

教授

准教授

博士 ( 工学 )博士 ( 工学 )

矢野哲司

松下伸広

変幻自在 !! プロセスで引き出すガラスとセラミックスの魅力
ガラスや有機無機ハイブリッド材料，無機化合物ナノ構造体の作製を通して、光−光・エネルギー変換，ケミカルセン
シングなどの高い機能を持つ材料・素子の創成を目指した研究を行っています。ガラス・非晶質材料の製造・合成に関する基礎科学・技術の構築、液相合成技術を用いたナノメート
ルレベルの構造制御法の確立を通して、性能を高め、材料特性を最大限に引き出すことを研究の柱としています。
基礎研究として、ガラスの構造解析、ガラス中のイオンの存在状態、高温ガラス融体の物性などを対象として、高温ラマン散乱や高温 X 線 CT などを用いた解析手法の開発を進めています。また、放射性廃棄物固化体に向けた新規ガラス組成探索を行っています。応用研究としては、ガラスのナノイオン交換法、インクジェットパターニング、スピンスプレー法や水熱電気化学法などの新規溶液プロセス、レーザー局所
加熱によるガラス微小球成形法といった独自技術を開発し、ナノメートルからマイクロメートルサイズの形状・形態制御により，特異な光学・電気・磁気特性を発現する機能性素子を作製しています。
高温ガラス融体の構造・化学反応の解明
高温で熔融し急冷して作られるガラスは、身の回りのあらゆるところに使われていますが、まだまだ未解明のことが多くあります。
矢野・松下研では、世界唯一の、または世界に数台しかない装置群を駆使して、ガラスの物理・化学を探求しています。
その知見を活かして、省エネルギーガラス熔融技術や放射性廃棄物用ガラス固化技術の開発、といった世界のために役立
つ材料や技術の研究を進めています。

図1

研究室の日常。

ガラス中のイオンを自在に動かすイオン交換
ガラス中のイオンは移動させたり、外部のイオンと入れ替えたりすることができます。スマートフォンのタッチパネルに使われているガラスには、このイオン交換によって実現された割れにくいガラスが用いられています。
当研究室では、電界を使ってガラス中のイオンを自在に動かし、もっと割れにくいガラスや、特異な光物性を持つガラスの実現を目指しています。下の図は、微小な針を使ってガラス中の Ag を引き出し、微小なサイズの構造を作ったものです。このような構造体は、特異な光の屈折や散乱を起こす新しい光学材料として応用することができます。

図3

ナノイオン交換リソグラフィ（左）によりガラスから引き出した Ag の細線（右）新しいプロセスによる新規非晶質材料の開発
ゾルゲル法やナフテン酸化合物を用いた溶液プロセス、キャピラ
リー電気泳動法といった手法で、これまでになかった非晶質材料を開発しています。新し図 4 キャピラリー電気泳動法
い蛍光体など光機能性材料としての応用を目指しています。

46

Department of Materials Science & Engineering
TOKYO INSTITUTE OF TECHNOLOGY

助教

岸

哲生

博士 ( 工学 )留学生を囲んで低環境負荷溶液プロセスの開拓と応用−ｲﾝｸｼﾞｪｯﾄ・ｽﾋﾟﾝｽﾌﾟﾚｰ・水熱合成・高周波誘導加熱−①前駆体溶液の作製、②化学反応や③光触媒反応の活用による機能性材料用のプロセス開拓を行っています。これらのプロセスにより、蛍光パターニング ( 図 5(a))、中空ナノ粒子、ナノワイヤーアレイ光電極 ( 図 5(b))、透明導電膜 ( 図 5(c))、モバイルツール内のノイズを抑制する強磁性材料 ( 図 5(d)) などの作製に成功しています。

図5(a) 蛍光 CaWO4 の文字、(b) ナノロッドアレイ型光電極、(c) 透明導電性 ZnO 膜、(d) 電磁ノイズ抑制フェライト膜

ナノ構造制御とバイオ / エネルギー応用
機能性材料はナノ粒子化によって触媒活性の向上や超常磁性化など、ユニークな性質が得られます。それはバルクと異なる量子的性質が現れるからです。
これまで高結晶性・高分散性のナノ粒子やナノ構造を形成
可能な低環境負荷溶液プロセスを開発してきました。
現在はコア−シェルナノ粒子、ナノロッドアレイ、自己組織化、磁性ナノシート、について研究を進めており、固体酸
化物型燃料電池 (SOFC)、バイオセンサ、ドラッグ・デリバリー・システム (DDS) 等への応用を目指しています。
レーザー局所加熱によるガラスの成形・加工
高出力レーザーでガラスを加熱・熔融し、ガラスを成形したり、ガラスの内部を加工したりすることで、得られる形状
や組成・構造変化を利用した光機能性素子の開発を行ってい
ます。

(a)
図8

ゼミ旅行にて

ナノ表面構造の形成とインプラント応用
金属ガラスや Ti-Nb-Ta-Zr 合金は高靭性、高比強度、高耐食性に優れ、次世代インプラント材料として期待されています。
しかし、生体活性が不十分で、骨の主成分であるアパタイトを誘導し難いという問題点がありました。
水熱電気化学法により表面ナノ構造を制御することで、骨や歯肉等に適した表面状態創製を目指しています。

図6(a) 水熱電気化学処理後の表面ナノ構造(b) ラットの脛骨埋入後の組織観察

図7

磁性ナノ粒子を用いた DDS ビーズ、バイオセンサ、SOFC 用ナノ粒子

超低閾値で動作するガラス微小球レーザー
真球状に成形したガラスは、とても小さなレーザー光源になります。さらに、ガラス微小球に光の入出力口として気泡やナノ構造を付与することで、太陽光のような自然光を有効に利用できる構造となります。とても低いパワーで動作する
光機能性素子を実現できます。

(b)(a) レーザー局所加熱によるガラス球の作製 (b)CW レー
ザー背面照射法によるガラス内部への金属球の導入と移動

図9(a) 気泡含有ガラス微小球の発光強度マッピング(b) レーザー発振スペクトル

Department of Materials Science & Engineering
TOKYO INSTITUTE OF TECHNOLOGY47

矢野（豊）・吉田研究室
マテリアルは安心を支える大黒柱〜苛酷環境に耐える高性能セラミック材料を創製する〜
URL: http://www.nr.titech.ac.jp/~tyano/

教授

准教授

工学博士

博士 ( 工学 )

矢野豊彦

吉田克己

矢野 豊彦 教授
研究の特徴
高温ガス炉や高速増殖炉・核融合炉などで使用される材料は，高エネルギー中性子をはじめとする多量の粒子線に照射され，なおかつ高温や高熱勾配，腐食性雰囲気という苛酷な環境で使用される．本研究室では，これらのエネルギーシステムが安全に機能するために必要となる，複合した苛酷環境におかれたときの材料の振舞いを明らかにし，さらにそれらに耐える材料の開発を行っている．
研究の概要
1. 原子炉・核融合炉用セラミックスの中性子照射損傷の研究
セラミックスは発電用原子炉や高速増殖炉では核燃料をはじめ制御材などに，また開発中の高温ガス炉では，燃料や燃料被覆材に使用されている．さらに夢のエネルギー源として 21 世紀中旬以降の実現を目指して研究開発途上の核融合炉においては，第一壁材料，トリチウム増殖材，各種電気絶縁材などにセラミックスが必要不可欠となる．また，セラミックスは金属材料に比べ長寿命の放射性物質の生成が極めて少なく，この意味でも原子力分野へのセラミックスの適用が求められている．セラミッ
クスに限らないが，材料が高速中性子の照射を受けると，原子のはじき出しなどが起こり，微細構造が変化して種々の物性に大きな影響を与えるので，この変化をあらかじめ予測し制御する必要がある．この研究では，炭化ケイ素や炭化ホウ素，窒化
アルミニウム，スピネル，アルミナ，ダイヤモンドなどの物質を実際に中性子照射して，原子配列を直接見ることのできる高分解能電子顕微鏡をはじめ，X 線回折法などにより微構造の変化を明らかにし，さらに熱伝導率，電気抵抗，機械的強度などの物性変化との関連を調べている．固体物性論や材料科学の知識が主な研究基盤となる．
2. 耐苛酷環境材料の開発
放射線照射下をはじめ，
超高温，高熱勾配下あるいは腐食性環境で使用可能な新規材料の作製を目標に，長繊維 SiC 強化セラミッ
クス複合材，全酸化物繊維強化複合材などのいくつかの候補物質を取り上げ，合成とその物性評価を行っている．この研究には，
放射線照射によってその物性をより良くすること，あるいは，新規な機能性をもたせる試みも含まれている．
キーワード
原子炉・核融合炉材料、苛酷環境下の材料物性、セラミックスの中性子照射損傷、低放射化材料、欠陥と固体物性、材料科学
中性子を重照射した窒化ケイ素 (Si3N4) の高分
解能電子顕微鏡写真

炭化ケイ素繊維強化炭化ケイ素基 (SiCf/SiC) 複合材料の微構造 SEM 写真

その場粒成長炭化ケイ素 (SiC）多孔体の微構造
SEM 写真材料のナノ構造解析に威力を発揮する高分解能
電子顕微鏡（研究室保有）

48

Department of Materials Science & Engineering
TOKYO INSTITUTE OF TECHNOLOGY吉田 克己 准教授
研究の特徴
セラミック材料は，耐熱性，耐食性，耐摩耗性等の優れた特性を有するため，金属材料の適用が困難とされる苛酷環境下での適用が期待できる魅力的な材料である．セラミック材料を部材として適用するためには，部材としての信頼性の向上に加えて，それぞれの用途に応じた特性・機能付与を図る必要がある．ナノ，ミクロあるいはマクロレベルでの微構造制御に基づく信頼性の向上や特性・機能付与に注目し，原子力・核融合分野，エネルギー・環境分野，宇宙航空分野等の苛酷な環境下での適用を目指した先進セラミック材料の開発を行っている．
研究の概要
1. 先進セラミックス基複合材料に関する研究
セラミックスを部材としての適用を考えた場合，脆性という材料としての信頼性の低さに問題がある．そのため，セラミック繊維を複合化し，信頼性の向上を目指した繊維強化セラミックス基複合材料が注目されている．例えば，セラミックス繊維を強化材とした先進セラミックス基複合材料は，原子力・核融合炉，高温ガスタービンや宇宙航空産業等の苛酷環境下での適用が期待されている．本研究では，界面・微構造制御に基づいた繊維強化セラミックス基複合材料の創製とその特性評価や様々な機能・特性の付与を目指した特異な構造を有する先進セラミックス基複合材料の研究を行っている．
2. 高機能セラミック多孔材に関する研究
環境負荷低減や省資源・エネルギー化を図る上で，セラミック多孔材の活用が有効であると考えられる．本研究では，高機能セ
ラミック多孔材の創製に関する研究を行っている．現在，独自に提案した「その場結晶成長・粒子配向」等を利用した機能付与や，用途に応じたナノ〜マクロレベルでの気孔径制御を軸とした基礎研究を行っている．また，放射能汚染水の浄化及び固定化が可能な多孔質セラミック材料の開発も行っている．
3. 耐苛酷環境性セラミックスに関する研究
セラミックスは，高温，高熱勾配，腐食性雰囲気，放射線・粒子線照射等の苛酷環境下での使用が期待されている．本研究では，苛酷環境下に曝された材料の特性・微構造変化を明らかにし，得られた結果をもとに，苛酷環境に耐えるセラミック材料の開発を目指している．原子力・核融合炉分野での適用を目指した材料開発として，微構造制御及び高次構造制御による事故耐性燃料への適用を目指した新規セラミック材料の開発，高速炉用革新的セラミック制御材の開発や長寿命放射性核種核変換用セラミッ
クマトリックスの開発を行っている．
キーワード
セラミックス基複合材料，耐苛酷環境性材料，高機能セラミック多孔体，原子力・核融合炉用材料，微構造制御，セラミックプロセ
シング◆矢野・吉田研在籍学生（H27 年 12 月現在）
D3：1 名（留学生），D2：1 名（留学生）
M2：5 名（留学生 1 名）
，M1：2 名（留学生 1 名）研究生：1 名（留学生）◆研究室 OB 就職状況：京都大学，九州大学，産業技術総合研究所，電力会社各社，日立，東芝，三菱重工，IHI などの総合電気，
プラント関連会社，日本原子力開発機構，原子力規制庁などが多いが，三菱総研，野村総研，ソフトウエア関連もいる．無機材料修了生が就職しているところにプラスして原子力関連の会社があると考えればよい．
◆共同研究：日本原子力研究開発機構 (JAEA)，宇宙航空研究開発機構 (JAXA)，物質・材料研究機構 (NIMS) 企業と共同研究をしている．また，海外の大学とも共同研究を行っている．
◆学生に望むこと■自主性（規制は少なく自由である．やりたいことができる．受け身の姿勢から自ら行う姿勢に変わる時）■協調性（研究室は 1 つの社会，家族のようなもの．そこから学ぶこと，生まれることが多い）◇研究室希望者へ本研究室の研究環境は恵まれています（ニュークリアセラミックス実験室が使える）ので，やる気次第でどんどん進んでいけます．外国で開催される国際会議で発表することも夢ではありません．21 世紀を支える材料研究を一緒にやりましょう！

Department of Materials Science & Engineering
TOKYO INSTITUTE OF TECHNOLOGY49

吉本・松田研究室
ナノ・原子スケール現象から拓く電子・エネルギー材料
ガラス・ポリマーと結晶の融合から新しいエレクトロニクスと代替エネルギー源へ

URL: http://www.yoshimoto.iem.titech.ac.jp/

教授

吉本

護

工学博士

講師

松田晃史
博士 ( 工学 )研究目標
これからの我々の暮らしには、エレクトロニクスの活用と、安全なエネルギーがますます重要になり、多彩な電子・エネルギー材料がつくるウェアラブル・代替エネルギー・バイオ医療
デバイスが支えていきます。そのなかで、ナノサイズの材料はとても大きな役割を果たしており、ユニークな現象がどのように生じるのか、私たちも大きな興味を抱いています。
ナノ・原子スケールの材料や物性を「創り、観察・解析し、メカニズムを考える」ことに注
目して、新しい未来の電子・エネルギー材料とプロセスを創り出そうとしています。私たちは、定石に囚われない材料・プロセス創製研究を通じて社会に貢献することを目指しています。

ガラスを使った新しいエネルギー・エレクトロニクス材料
車や工場はもちろん、人などあらゆる場所から熱が排出されています。
ペルチェ・ゼーベック効果を利用した熱電変換技術は、熱と電気エネルギーを直接変換するデバイスへの応用発展が期待されています。
我々の研究グループでは、熱伝導率が低く、様々な元素を溶かし込むことで機能を制御できるガラスに着目しています。ガラスの組成やプロセスを工夫して、含有元素の価数制御や、ナノ結晶との複合化を行い、ゼーベッ
ク係数や導電率をコントロールして、エネルギー・電子材料を創製しています。

自己組織化ナノ周期構造と超機能ポリマー表面を創る原子レベル 3D パターン転写トロニクス材料
原子からナノ周期構造を自発的に構築する自己組織化現象により作られたナノ構造を鋳型にした
3D パターン転写技術（ナノインプリント加工）を発展・応用し、光回折格子ガラスやフォトニック
結晶等を作製しています。
また、ガラス表面の原子レベル挙動に関する分子動力学解析（共同研究）や、世界初 0.3nm の原子ステップポリマー基板開発に成功しました。

50

Department of Materials Science & Engineering
TOKYO INSTITUTE OF TECHNOLOGY非平衡プロセスによる材料のナノ・原子スケール合成と制御
エレクトロニクス・エネルギーの発展を支える材料は世界中で盛んに研究開発が進められています。なかには、通常の方法では得られないような形態・構造をもつ非平衡・準安定なナノ・原子スケー
ル材料や、特性も未知のものが、まだまだ隠れています。そうした材料を創り、解き明かすことで、持続的な社会の発展に役立ることができます。
単結晶やセラミックス、ポリマーなど様々な物質で創るナノ材料のアスペクト比や結晶配向性による物性制御や量子効果による電子
構造・光学特性の変化などの、ユニークな現象の起源に迫る研究を進めています。
レーザーやプラズマなどの非平衡なプロセスも含めて工夫し、結晶の核形成や成長をコントロールすることで、極薄膜やナノワイヤ・
ナノドットなど微細スケールの材料を創り、その特性やナノ・原子
スケールの挙動の解明にチャレンジしています。

研究活動
研究・指導方針 吉本・松田グループは材料科学と応用をつなぐ境界領域で、材料・化学・物理〜電気・電子と幅広いバックグ
ランドを持つ研究者や学生が入り交じって切磋琢磨する環境をつくり、多くのグループと協力して研究を推進しています。材料科学をベースに電気・電子、バイオメディカルなど多彩な分野、世界の様々な場面で活躍する意欲的で、思考力・行動力・語学を含めた
理系コミュニケーション能力を備えた人材の育成を目指しています。我々の研究室では目標に向かい研究の PDCA サイクルを上手に回して、レクリエーションとのバランスを大事にしています。

学生の受賞など 日本学術振興会 (JSPS) 特別研究員採用（2015 年，2013 年，2012 年）、日本セラミックス協会シンポ賞：2015 年，
2013 年／優秀ポスター賞：2012 年）、東工大博士進学エンカレッジ奨学金：2012 年／土肥賞：2011 年，2009 年）

学会活動 研究に関する理解を深め、成果を社会に還元するために毎年、材料・応用・エネルギー関連の国内学会や国際会議で積極的に発表し、学術論文にまとめています。頑張った研究成果を日本語・英語でプレゼンテーションして伝える経験は社会に出てからもきっと大きな力と自信になります。 ※ 関連学会：日本セラミックス協会、応用物理学会、電気学会、日本熱電学会、米国材料学会 (MRS)…

Department of Materials Science & Engineering
TOKYO INSTITUTE OF TECHNOLOGY51

若井研究室エンジニアリングセラミックスの構造設計、プロセス、物性URL: http://www.msl.titech.ac.jp/~dfc/ /

教授

若井史博
博士 ( 工学 )地球を構成する主要元素であるケイ素、アルミニウムなど

私たちはドイツ電子シンクロトロンと共同で、この高靭性のの酸化物、窒化物、炭化物であるセラミックスは、硬い、化起源が「破壊誘起アモルファス化」にあることを明らかにし学的に安定、高温で使用できる、という特長があります。地ました。さらに、集束イオンビーム (FIB) で加工した微小試験

球温暖化ガスによる温室効果の削減のための高効率発電シス片を用いて、き裂が１µm 以下のわずかな距離をすすむだけでテム部材、耐摩耗・高温構造部材、マイクロマシンデバイス

破壊抵抗が急激に増加することを見出しました ( 図 3)。これなど、エネルギー、輸送、製造システムの要素部品として、までに知られていたセラミックスの靭性強化の仕組みはミク

多様な未来産業の基盤となる材料です。反面、本質的に脆く、ロスケールで働くものでしたが、ナノメートル領域で働く新巨視的強度はミクロ欠陥に支配されます。安全・安心なシス

しいタイプの機構が存在することがわかりました。この技術

テムの実現に向けて、エンジニアリングセラミックスの脆性を応用すれば、他のさまざまなセラミックスにおいても新しの克服と部材の信頼性の確保は挑戦すべき重要な課題です。

い靭性強化機構を見つけることができるようになります。高脆いセラミックスに室温で延性を付与することは未だ夢です

強度と高靭性を両立したセラミックスの実現に大きく近づくが、私たちはセラミックスが高温でチューインガムのように巨と考えています。

大に伸びる超塑性という現象を世界で最初に発見しました ( 図1)。結晶粒の大きさがナノメートルスケールになったナノ材料
は通常の多結晶材料の常識を超えた不思議な性質を示します。
ナノ材料の背後にはまだまだ未知の物性がたくさん隠されていそうです。私たちは、ナノ・ミクロ構造デザインによって、超高硬度・高靭性から超塑性まで幅広く物性を制御し、画期的な

図 3 微小試験片によるき裂進展抵抗測定 (Sci.Rep. 2015)

特性をもつセラミックスの創製を目指します。

焼結の科学と技術の新展開
セラミックス分野は部材産業であり、焼結技術を軸として発展してきました。焼結は成形した粉体を加熱して複雑形状部品を製造する技術です。セラミックス部材の付加価値の源
泉は精密な形状と内部構造設計の中に組み込まれた機能にあり、それを効率よく製造する焼結技術には長い時間をかけて蓄積された技術思想が集約されています。
図１ 窒化ケイ素／炭化ケイ素複合材料の超塑性 (Nature 1990)

焼結の古典論が完成したのは 20 世紀半ばですが、近年は連セラミックスの脆性の克服と新しい靭性強化機構の探求

続体力学モデルの導入、コンピューターシミュレーション技

砂や岩石の主成分である二酸化ケイ素 (SiO2) は、ありふれ術の発達、放射光 X 線マイクロトモグラフィーによる複雑なた物質であり、水晶やガラスとして利用されていますが、脆く、３次元気孔構造の観察など、焼結の科学は現在も進歩し続け割れやすいという欠点があります。SiO2 の高圧相であるスティています。複雑な焼結現象の背後には、ち密化の熱力学的駆

ショバイトは酸化物の中で最も硬さが高いのですが、一般に動力である「焼結応力」が存在し、その起源は粒子間に作用

硬いものは割れやすいという問題がありました（図 2)。しかし、する力であることがわかってきました。もし力を知り、自在

ナノ多結晶スティショバイトがセラミックスとして最高の破に操ることができるのなら、思いのままに微視的な構造を制壊靭性（割れにくさの指標）をもつことが最近発見されました。

御する道が開けるでしょう。このような可能性の探求は始まったばかりで、複雑な焼結現象の理解と制御にはまだ不明な点が多いのです。原理・原則に基づいた新しい発想には大きな未来があります。
May the force be with you!

図 2 硬さと破壊靭性の関係

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図 4 放射光 X 線トモグラフィーによる焼結中の気孔構造観察 (Acta Mat. 2015)

阿部研究室
環境負荷低減化を目指した高分子材料の設計
http://www.csrs.riken.jp/jp/labs/brt/index.html
habe@riken.jp

連携教授

阿部英喜
博士 ( 工学 )研究目的
これまでの高分子設計の考え方は、物質・材料の性能を最大化し、コストを最小化するという２つの目標を同時に達成することにありました。しかしながら、循環型の人間社会の形成が世界の課題となるにつれ、低コスト化と高性能化に加えて、環境負荷を低減するように高分子設計するという考え方が必要となっています。再生可能なバイオマス資源を原料として、高性能・高機能なバイオマスポリマーを創製することは、持続可能な高分子物質生産社会の構築の鍵となる技術開発であると考えられます。
研究テーマ（１）バイオポリエステルの高性能化材料技
術の開発
微生物のつくるバイオポリエステル（PHA)
をターゲットとして、本来の性能・機能ポテ
ンシャルを最大限に発現し、実材料としての利用を可能にする高度材料化技術の開発に取り組んでいます。
また、新たな PHA 素材の創製を目指し、モノマーの連鎖構造を精密に制御した新規ポリマー合成技術の開発も進めています。液晶状態や高融点を示す新規 ポリマー素材を見つけ出すことに成功しています。
（２）バイオマス化合物群からの新規高分子
素材の合成研究
PHA に続く新たなバイオプラスチック素材の創成を目指し、生物有機酸を原料とした新規ポリマーの合成技術の開発にも取り組んでいます。透明性に優れたバイオマス由来アク
リル樹脂の開発もその成果の一つです。
リグニンは、セルロースやヘミセルロー
スとともに植物の 20 〜 30％を占める主要構
成分子です。バイオマス由来含芳香族分子資源として、その有効利用が期待されています。リグニンの構造を活かしつつ、高性能・高機能なプラスチック材料へ、あるいは、その原料であるモノマーへと変換する技術を開発する必要があると考えています。リグニンの骨格構造を保持しまま、有用化学物質へとリグニンを分解する技術開発とともに、分解によって生成する芳香族系化合物を原料とした、新規芳香族ポリマーの創製を目指しています。
以上のような研究課題を、理化学研究所のバイオプラスチック研究チームにおいて研究室のメンバーとともに精力的に推進しています。研究室には、理化学研究所のスタッフ、大学院生、学部生など約 10 名が在籍しています。
関連学会・研究会：高分子学会、日本化学会、エコマテリアル研究会、グリーン・サステイナブルケミストリーネットワーク

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坂田研究室シンクロトロン放射光を使って環境材料の創成につなげる
連携教授

URL: http://www.nims.go.jp/webram/index.html
e-mail SAKATA.Osami@nims.go.jp

坂田修身
博士 ( 工学 )[ 研究目的 ] アトミックスケールの構造解析による構造情報のフィードバックと電子構造の解明による材料情報の蓄積とを通じ、新材料の創成、機能向上や材料の産業への技術移転に貢献することを目指します。
[ 研究活動の舞台 ] 兵庫県の大型放射光施設 SPring-8 にある物質材料研究機構（NIMS）高輝度放射光ステーションです。さらに、共用ビームラインも利活用しています。最先端の回折・散乱や分光を駆使し非破壊で新材料を調べています。

図 1 高速に運動している電子を磁石により蛇行させるとその接線方向に発生する高輝度 X 線（シンクロトロン X 線）が材料科学などに利活用されています。

[ 研究テーマ例 ] 高分子薄膜の機能向上、ナノ合金中の原子配列構造や電子状態と触媒機能の相関、金属有機構造体超薄膜材料の構造解析、薄膜の結晶性評価法の提案、強誘電体の電場印加 in-situ 構造解析、２次電池電極の特性向上のためのオペランド構
造評価。
[ 学生さんへ ] 世界最先端の量子ビーム施設のひとつである SPring-8 の高輝度放射光を使って、新材料を解析しましょう。 社
会人博士課程学生さんへ、企業の研究開発にも高輝度 X 線は利用されております。専攻の他の研究室と共同研究を進めています。

学生さんが筆頭の論文である高分子薄膜に関する研究
酸素透過性の向上に関する研究：Polymer 55,

研究紹介

エネルギー変換薄膜材料の構造評価

ガス吸着性やガス分子の分離や貯蔵機能を有するナノメートルスケールの空間を内部に有する金属有機構造体が注目されています。これまで粉末結5843 (2014).

晶でしたが、基板上にその超薄結晶を作製し、燃料電池などのエネルギー

ナノファイバーを用いた結晶構造の制御に関関連素子の開発が活発になっています。2 次元構造が積み重なった薄層（図する研究：Polymer 55, 4401 (2014).

3）や 2 次元レーヤを柱状配位子でつなげた 3 次元型ナノ超薄膜（図 4）の原子配列構造をシンクロトロン X 線回折で評価しました。

触媒材料のナノ合金粒子の電子構造解析
実験室の光電子分光法では、物質のごく表面しか調べることができません。しかしシンク
ロトロン X 線の硬 X 線光電子分光を用いると、
約 20 ナノメートルまでの埋もれた部分にあるナノ粒子や触媒の価数などの化学結合状態や電子構造を解析できます。水素吸蔵特性をもつ Ag0.5Rh0.5 合金ナノ粒子の高輝度放射光光電子分光スペクトルを初めて測定
（図 2）
しました。

図 2 Ag0.5Rh0.5 合金ナノ粒子と Pd ナノ粒子の高輝度放射光光電子分光ス
ペクトルの比較。占有準位である価電子帯の形状の類似性が初めて明らかにされ、占有準位の形状も水素吸蔵に寄与していると推定。
Appl. Phys. Lett. 105, 153109 (2014).

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図 3 コバルトポルフィリンが銅イオンで架橋された 2 次元構造が積み重なった薄層。
Nature Materials 9, 565 (2010).

図 4 基板に「杭」を打ち、配位子の柱で 2 次元レーヤを積み重ねたナノアーキテクチャー。
J. Am. Chem. Soc. 134, 9605 (2012).

薄膜の結晶性評価法の提案

強誘電体の電場印加 in-situ 構

NiO 薄膜と Li を高ドープした

造解析

Li0.5Ni0.5O 薄膜をシンクロトロ

強誘電体薄膜に電場を印加し、ン回折で調べました。固有の

逆ピエゾ効果で変形した格子

物理定数であるデバイ温度を

歪をシンクロトロン X 線回折求めました。デバイ・ワラー

により求めるとともに、電気因子に注目し、結晶性を定量

分極を同時に求める測定をし的に示す新しいパラメータをています。この結果、電歪係

提案しました。

数も決定できました。舟窪研

吉本研との共同研究の成果。

との共同研究の成果。

J. Appl. Cryst. 48, 1896 (2015).

AIP conf. proc. 1234, 151(2019).

瀬川研究室機能性ガラス・アモルファスの研究をつくばでやっています！！
URL: http://samurai.nims.go.jp/SEGAWA_Hiroyo-j.html

連携教授

瀬川浩代
博士 ( 工学 )ガラスやアモルファス材料の研究を国立研究開発法人物質・材料研究機構（NIMS）でやっています。NIMS は国の政策に基づいて幅広く材料研究を行っている研究所です。材料評価のための設備や、専門家がそろっている環境で研究をすることが出来ます。研究所では唯一のガラスの研究室です。研究室では、ガラスの作製や加工、評価はもちろんのこと、陽極酸化を用いた非晶質アルミナ膜の作製もできるようになっています。他の大学院からの学生も一緒に研究を進めています。最近のテーマとしては、
SiAlON 蛍光体分散ガラスの作製、プロトン伝導ガラスの作製、Ti3+ 発光ガラスの作製、交流陽極酸化による積層アルミナ膜の作製をやっています。
SiAlON 蛍光体分散ガラスの作製

プロトン伝導性ガラスの作製

高い耐熱性を有する酸窒化物蛍光体が NIMS で開発されま

ガラス中へ水素イオンを導入することによってプロトン伝した。ガラス中に分散することによって、ハイパワーの LED導体となることが古くから知られています。しかしながら溶への応用が期待されます。特に、黄色蛍光体である Ca: α融法で作製したガラスでは、プロトンがあまり導入できませ-SiAlON:Eu2+ は、青色 LED で照射することによって疑似白色んでした。しかし、ガラスを高圧高温の水蒸気下で処理する

光を得ることが出来ます。このような黄色蛍光体を中心としことにより、ガラス中にナノ結晶が析出し、高い電気伝導をて、ガラス中への分散方法の開発を行っています。

示すことを明らかにすることが出来ました。
図 ガラスの水熱処理時間と電気伝導度の関係。挿入写真
は 100℃、10 分処理した結晶化ガラス。

図 ゾル - ゲル法によって作製した蛍光体分散シリカガラス。
右は青色 LED を露光したもの。厚さや濃度を変えることで白色を得ることに成功。

交流陽極酸化アルミナ膜の作製
交流で陽極酸化を行うと、図のような積層構造が形成されることを見いだしました。これらの構造は貝殻の真珠層の構造と類似しています。膜厚などを調整することによって構造に由来する色のついた膜を作製することが出来ました。条件
図 溶融法により低融点ガラス中へ各色の蛍光体を分散したもの。蛍光体が失活することなくガラス中に分散している。青色
LED を露光することで、各蛍光体の発光がはっきりと観察出来る。

NIMS の最寄り駅はつくば駅。3 つの研
究地区があります。
研究室は並木地区にあります。

によっては真珠のような光沢を持った膜を作ることも可能です。
上：硫酸浴中で作製したアルミナ膜の断面 SEM 像
下：シュウ酸浴中で作製したアルミナ膜の外観。電圧を変えて作製すると色が変化する。“ 右側ほど高電圧 ”を印加。

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