資源戦略学講座

Resources Strategies

環境素材設計学分野

Design of Environment-Friendly Materials

Design of materials harmonizing with environment and life

教授 松原 秀彰

教授 上高原 理暢

Professor

ProfessorHideaki Matsubaraある。本分野では、材料と自然・生命現象の相互作用についての基礎学術に立脚し、環境科学の観点から、生命や環境と調和し、さらには積極的に生命や自然に働きかけて新しい調和を生み出す材料のデザインの探求を行っている。具体的には、省エネルギーのための材料、生体を修復するための材料、環境を浄化するための材料の開発、コンピューターシミュレーションの研究を行っている。
Nowadays, we are using many materials to live our daily life. From the viewpoint of environmental science, materials design is required in order to build
a sustainable society. In this laboratory, based on the fundamental science of the relationship between materials and phenomena of nature and life, thedesign of materials that produce harmony with the environment and life is studied from the viewpoint of environmental science. We are developing
materials for energy saving, biomaterials to repair our bodies, and materials to clean the environment and are studying computer simulations.

省エネのための断熱・蓄熱システムの開発
エネルギー消費を抑え、化石燃料に依存しない暮らしへ移行するた
めには、自然・未利用熱 ( 地中熱、太陽熱、雪氷、工場排熱等 ) の利用が重要となる。種々の熱源と蓄熱槽を組み合わせることにより、最小限のエネルギー消費で自然・未利用熱を有効利用するためのシステム構築が可能となる。特に夏の温熱を冬に、冬の冷熱を夏に利用した
い場合には、これらの熱を長期間に蓄えておく断熱性能がそのまま利用可能熱量に直結する。本研究室では、季節間の熱利用を行うことを想定し、高性能の新規断熱材料を開発し、断熱（熱保存）性能を評価するとともに、熱を蓄えつつ一定温度で放出可能な槽と複数の熱源を組み合わせた回路によって熱利用システムの効率等を評価している。

材料プロセスと組織形成のシミュレーション
モンテカルロ法、有限要素法、分子動力学法などを用いて、セラミックスや複合材料の組織形成のシミュレーションの研究を行っている。
複数の固相、液相、気孔を含む材料の組織変化を、温度と時間との関係で追うことのできるシミュレーションを開発した。最近、粉末成形と焼結を連続させたプロセスのシミュレーションを研究している。

Masanobu Kamitakahara

セラミックスコーティングや焼結複合材料の特性・性能のシミュレーション
本研究では、セラミックスコーティングの組織形成、組織変化、損傷・剥離のシミュレーションを、モンテカルロ法と有限要素法を用いて行っている。最近では、焼結複合材料の強度や破壊に関してのシミュレーション研究を進めている。

生体に調和する材料の創製
代謝に組み込まれて生体機能に働きかける骨修復材料の創製を行っ

Preparation of materials that harmonize
with life

医療の実現に貢献できると考えている。

受賞や学会等での活動

Awards and Activities in academic societies＜受賞＞< Awards>ている。これまでに、生体内で吸収され骨の代謝に組み込まれるリン

In order to reduce energy consumption and shift to a life independent fromfossil fuels, it is important to use natural and unutilized heat. By combining
heat sources and storage, it is possible to construct a system to utilize
natural and unutilized heat effectively with minimum energy consumption.
In this laboratory, assuming that heat is used across seasons (summer andwinter), we developed a new high-performance insulation material andevaluated its insulation performance. The heat utilization efficiency of theheat utilization system was evaluated by using a circuit combining heatstorage and several heat sources.

ン酸カルシウム骨セメントに組み込むことにより、細胞や骨組織の進We are studying the simulation of material processing and microstructuredevelopment of ceramics and composites using the Monte Carlo method, thefinite element method, the molecular dynamics method, etc. We havedeveloped a simulation that can calculate the change in a material’s structure,including several solid phases, liquid phases, and pores, from the perspectiveof the relationship between temperature and time. Recently, simulation ofprocess powder compaction followed by sintering has been studied.

This study aims at developing a simulation technique for microstructureformation and change, as well as delamination/fracture in ceramic coatings
by using the Monte Carlo and Finite element methods. Recently, we havestudied the simulation for strength and fracture of sintered composite(cermet) by using the finite element and discrete element methods.

We have designed bone-repairing materials that can be incorporated intobone metabolism and activate biological functions. We have successfully
prepared spherical porous calcium phosphate granules that are resorbed invivo and are incorporated into bone metabolism. We are preparing thecalcium phosphate bone cement with macropores and micropores. Cells
and bone tissues enter the macropores, and body fluids and proteins enter
the micropores. The development of these materials will contribute not
only to the treatment of patients, but also to the realization of medicine
with a low environmental impact.

Development of a thermal insulation/storage system for energy conservation

Simulation of material processing andmicrostructure development

Simulation for property and performance ofceramics coating and sintered composite

酸カルシウム球状多孔体の作製に成功している。この球状多孔体をリ入可能なマクロ気孔と体液やタンパク質の進入可能なミクロ気孔の両方を有する新規な多孔質リン酸カルシウム骨セメントの開発を進めている。これらの材料の開発は、患者の治療だけでなく、環境低負荷(1) 松原秀彰：粉体および粉末冶金論文賞（2020 年 6 月）
「分子動力学法によるアルミナ－ガラス系における界面エネルギーと拡散の解析」(2) 加藤大夢（M1）：粉体粉末冶金協会 2020 年度秋季大会 優秀講演発表賞＜学会等での活動＞
松原秀彰：粉体粉末冶金協会理事、同協会硬質材料分科会主査、粉体および粉末冶金編集委員長、日本セラミックス協会エンジニアリングセラミックス部会委員、無機マテリアル学会北部支部長、賢材研究会幹事等
上高原理暢：Associate Editor of Journal of the Ceramic Society ofJapan、日本バイオマテリアル学会評議員、日本セラミックス協会生体関連材料部会幹事等

Department of Environmental Studies for Advanced Society

現在、我々は様々な材料を利用して生活を営んでいる。持続可能な社会を構築するためには、環境科学の観点からの材料のデザインが必要で先進社会環境学専攻

環境や生命に調和する材料デザインを求めて(1) Hideaki Matsubara: Japan Society of Powder and Powder Metallurgy
Distinguished Paper Award, “Analysis of Interfacial Energy and Diffusion
for Alumina-Glass System by Molecular Dynamics”, June 2020.
(2) Hiromu Kato (M1): Best Presentation Award, Autumn meeting ofJapan Society of Powder and Powder Metallurgy 2020

<Activities in academic societies>Hideaki Matsubara: Director of Japan Society of Powder and PowderMetallurgy, Chairperson of Technical Division of Hard Materials Committeeof Japan Society of Powder and Powder Metallurgy, Chief Editor of theJournal of the Japan Society of Powder and Powder Metallurgy, Committee
Member of the Engineering Ceramics Division of the Ceramic Society ofJapan, etc.
Masanobu Kamitakahara: Associate Editor of the Journal of the CeramicSociety of Japan, Committee Member of the Japanese Society for
Biomaterials, etc.

Fig.1 Study on the heat system using porous silica for thermal insulation and erythritolfor thermal storage. (a) vessel, (b) model, where heat storage material (A), thermalinsulation in the vacuum space (B), thermal insulation board (C), foamed styrene (D), (c)simulation of 0h, (d) 10h, (e) 20h, (f) experiment and simulation for wall temperature
while phase changing.

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Coexistence Activity Report 2020

Fig.2 FEM simulation of powder compaction (a, b) andsintering of b (c, d).

Fig.3 Study on FEM simulation of thermal stress in WC-Co cemented
carbide. (a) model, (b) tensile stress, (c) direction of principal stress.

Fig.4 Calcium phosphate cement with macropores and micropores. (a) appearance,(b) model, (c) porous spherical calcium phosphate granules in cement, (d)microstructure of spherical calcium phosphate granules.
Coexistence Activity Report 20209