Vol. 61

MTERE2 61（11）723 〜 824 （2022）

No.11
2022

表彰

受賞者紹介（秋）・ 金属素描〜亜鉛〜

特 集

異分野融合・材料横断による
生体・医療材料研究

・ SIMS のいろは

―SIMS の基礎と TOF-SIMS による無機材料の測定事例―

講義
ノート

平面波基底の第一原理計算法（第三回）

・ 思い出の教科書，この一冊！
・ スポットライト
https://jimm.jp/

https://www.jim.or.jp/journal/m/ ［ オンラインジャーナル ］

日本金属学会会報 2022年11月1日発行（毎月1回1日発行）Vol.61 No.11 ISSN 1340-2625

https://www.jim.or.jp/journal/m/2022
Vol.61No.11

亜鉛(Zinc)

金属素描

No.25

表彰

第19回村上記念賞受賞者 ………………………724
第19回村上奨励賞受賞者 ………………………724
第32回奨励賞受賞者 ……………………………725
第45回技術開発賞受賞記事 ……………………726

谷ノ内勇樹 ……………………………………………………………………723
第70回論文賞受賞論文 …………………………727
第 2 回新進論文賞受賞者 ………………………728
第12回まてりあ賞受賞論文・記事 ……………730

特集「異分野融合・材料横断による生体医療材料研究」
企画にあたって
山中謙太

堤

祐介

李

誠鎬

植木洸輔

松垣あいら

趙

研

池尾直子

袴田昌高………731

生体親和性塑性加工と金属積層造形条件最適化の事例 吉田佳典 ……………………733
加工の視点で考える歯科材料の高機能化・多機能化の可能性 水谷正義……………739
アパタイト核を用いた界面制御による生体活性機能材料の創成 薮塚武史 ………744
層状構造をもつ無機化合物を応用した医用機能材料の創製 中村 仁 ………………750
医療器具用金属材料における抗菌表面処理技術の研究開発―ナノピラー形成による抗菌機能化― 平野満大 大津直史 ……………………………………………………………755
生体軟組織に瞬間接着するチタン―自己接着性インプラントの開発―
岡田正弘

松本卓也………………………………………………………………………………………760

表面・界面・情報科学の融合による抗付着性コーティング材料の設計
林

智広……………………………………………………………………………………………………765

有機デバイスの生体・医療応用横田知之 ……………………………………………………769

SIMS のいろは―SIMS の基礎と TOFSIMS による無機材料の測定事例―

解説

源馬智香……………………………………………………………………………………………………774
TOFSIMS の分析手法を中心に鉄鋼，ハードディスク，電池材料の分析事例を紹介．

平面波基底の第一原理計算法(第三回)講義ノート

香山正憲 ……………………………………………782

第一原理計算の汎用コードで用いられる「平面波基底の第一原理計算法」の原理，概要，計算技術をわかりやす
く講義(四回連載)．第三回は，平面波展開によるハミルトニアンや全エネルギーの表現式を詳しく紹介．

思い出の教科書，この一冊

“材料における拡散格子上のランダム・ウオーク” 小岩昌宏・中嶋英雄(著)
山\由勝 ……………………………………………………………………………………………………792

スポットライトアルギン酸酸化チタン系光触媒材料の活性評価
喜多島悠暉

藤田

耀

佐藤琉生………………………………………………………………………793

マイクロ波加熱と脱・炭素化 中島 克 …………………………………………………………795
炭酸カルシウム系廃棄物を用いた金属イオンの回収 中居佑太 ………………………797
本会記事

会告 ………………………………………………799
支部行事 …………………………………………816
掲示板 ……………………………………………816
新入会員 …………………………………………818

会誌・欧文誌11号目次 …………………………819
次号予告 …………………………………………819
行事カレンダー …………………………………820
追悼 ………………………………………………823

会誌・欧文誌・まてりあの投稿規定・投稿の手引・執筆要領，入会申込書，刊行案内はホームページを参照下さい．
https://jimm.jp/
今月の表紙写真

ウェアラブル型有機イメージャーを用いて撮像した手首の静脈像.（横田知之

著

772頁

図 6 より掲載）

表紙デザインビーコン コミュニケーションズ株式会社 グラフィックスタジオ
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6
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O

1

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2

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3

No. 25

亜鉛(Zinc)
九州大学

谷ノ内

勇

樹

元素名Zinc，原子番号30，原子量65.409，電子配置［Ar］3d104s2，密度7.13 Mg･m－3(293 K)，結晶構造最密六方晶，
融点 692.7 K ，沸点 1179 K(1) ，地殻存在量 72 mg･g－1 (2)【写真】(a ) 製錬所での亜鉛の溶解鋳造(融体温度 約 500 °C)，(b)
亜鉛インゴット(純度99.995以上)．(写真提供 三井金属鉱業株式会社)

金属生産量は鉄，アルミニウム，銅に次いで多く，コモン

亜鉛地金の生産の 9 割かそれ以上を占める)．

メタル(汎用金属，ベースメタル)に分類される．亜鉛の最大

湿式製錬法の基礎は， 1881 年にフランスのルトランジュの用途はめっきである(3)(4)．特に，鋼材の防食のための溶融が築いた(4)．その後，より高品位な粗酸化亜鉛を得る技術や亜鉛めっきと電気亜鉛めっきの需要は大きい．建材やガード

浄液技術の発達，電力の安定的な確保などを背景に， 1910

レール，自動車，家電製品など亜鉛めっき鋼板を使用したも年代末には湿式法による金属亜鉛の生産が世界各地で広がっのが私たちの身の回りにはあふれている．また，銅との合金

た．日本国内では，現在 4 か所で湿式法による亜鉛製錬がである真鍮(黄銅)は，亜鉛単体よりずっと古くから利用され行われている．また，国内には，乾式法によって亜鉛と鉛をてきたが，現在も亜鉛の需要のうち大きな割合を占めてい同時に製錬している工場もある．これら国内の亜鉛製錬所

る．他にも，亜鉛ダイカストや乾電池用の需要も大きい．まは，廃乾電池や鉄鋼ダストからの亜鉛リサイクルにも重要なた，化合物としては酸化亜鉛(亜鉛華)が顔料やゴムの硫化促役割を果たしている．また，銅製錬所・鉛製錬所との協力に進剤，医薬品，化粧品などに使用されている．世間一般でよって，多様な有価元素が効率良く回収されており，金属資

は，亜鉛というとドラッグストアで販売されている栄養サプ

源確保や廃棄物処理において不可欠な存在となっている．

リメントの印象が強いようである．亜鉛は，その用途別需要

亜鉛は大学での金属工学教育においても活躍している元素

量や重要性と比べると，世間一般での“金属材料”としてのである．電気化学の講義では，「水素よりイオン化傾向は大認知度が低い元素と言えるかもしれない．

きいのに，亜鉛は水溶液中から電析できる」ということを導亜鉛の主な鉱物は，閃亜鉛鉱(ZnS)や菱亜鉛鉱(ZnCO3)で入題材として，電極反応速度論を学んだ方が多いのではない

ある．製錬の基本的な流れは次の通りである．まず，浮遊選だろうか．亜鉛は，派手で押し出しの強い金属ではないが，鉱にて得られた精鉱を酸化焙焼して粗酸化亜鉛に変換し，そ

私たちの豊かな生活や金属材料分野の後進の育成に堅実に貢の後，乾式法あるいは湿式法により高純度な金属へと製錬す献している元素である．

る．乾式法では，酸化亜鉛を炭素によって還元し，生成した

文

亜鉛蒸気を分離回収して金属亜鉛(蒸留亜鉛)を得る．一方，
湿式法では，粗酸化亜鉛から亜鉛を硫酸溶液で浸出し，浄液
後，得られた硫酸亜鉛溶液から電解採取によって金属亜鉛(電気亜鉛)を得る．乾式法に比べると湿式法は歴史が浅い．
しかし，高純度な地金が効率的に得られることや閉回路型操業(浸出工程で使用された硫酸を電解採取工程で再生)が可能であることから，湿式法が現在の主流となっている(現在，

ま て り あ 第61巻 第11号(2022)
Materia Japan献( 1 ) 金属データブック改訂 4 版日本金属学会，丸善，(2004).
( 2 ) R. L. Rundnick and S. Gao: ``The Crust'', Elsevier Ltd.,(2004), 1
64.
( 3 ) 石油天然ガス・金属資源機構金属資源情報，鉱物資源マテ
リアルフロー(2020), 3.亜鉛(Zn).
( 4 ) 元素大百科事典渡辺 正(監訳)，朝倉書店，(2007).

次号

金属なんでもランキング No. 20

純金属液体の粘度表彰 (日本金属学会)(2022 年 9 月 21 日)～2022 年 9 月 21 日(水)，福岡工業大学において，下記の方々が本会の賞を受賞されました．
おめでとうございます．～

第 19 回

日本金属学会村上記念賞受賞者(1 名)［ナノ・メゾ構造を制御した先進構造材料の創製］
京都大学大学院工学研究科

教授

乾

晴行 君

受賞者は，一貫して先進構造材料の格子欠陥と力学特性に関する研究に取り組み，数々の優れた業績を挙げてきた．TiAl 系アルミナイドにおける強度・延性の異方性の発現機構の解明およびそれを活用した高強度・高延性を具備する異方性組織制御法の提案，溶融亜鉛めっき鋼板の FeZn 系金属間化合物の低温変形能の発見とその利用法の提案，ハイエ
ントロピー合金の固溶体強度の新規予測法の開発など，材料物性学の幅広い分野にわたる
研究成果は国内外において高く評価されており，その学術の発展に貢献した．

第 19 回

日本金属学会村上奨励賞受賞者(3 名)(50 音順)［機能性カルコゲナイド薄膜の材料評価とデバイス応用に関する研究］
産業技術総合研究所デバイス技術研究部門 主任研究員

齊藤

雄太 君

受賞者は，テルル系カルコゲナイド材料の作製・評価・デバイス応用まで広範な研究を推進し，次世代エレクトロニクスの実現を見据えた材料開発に取り組んできた．代表的な成果として，スパッタ法による層状カルコゲナイドの高配向成膜技術の確立，超格子カル
コゲナイドの抵抗変化機構の解明，遷移金属含有カルコゲナイドのデバイス応用等が挙げられる．これらは，カルコゲナイドを用いた新規電子デバイス開発を大きく促進するものとして国内外で高く評価されており，今後益々の飛躍が期待される．

［表面原子・ナノ構造制御による電極触媒材料の高機能化に関する研究］
東北大学大学院環境科学研究科 准教授

轟

直人 君

受賞者は，燃料電池や水電解などの電気化学エネルギー変換デバイスに用いる電極触媒について，表面構造制御に基づく高機能な触媒材料設計指針の提示，およびナノ構造触媒の開発に取り組んできた．表面構造が原子レベルで規制された単結晶モデル触媒を用い，表面原子配列やコアシェル型構造のシェル厚など，触媒特性に影響する様々な構造因子を解明した．また，これらの表面科学的知見を生かし，特異なナノ構造を有する高活性触媒材料の開発にも成功しており，今後の更なる発展が期待される．

［金属材料を対象とした Additive Manufacturing に関する研究］
東北大学金属材料研究所 准教授

山中

謙太 君

受賞者は，Additive Manufacturing を用いた金属材料・部材の高機能化に取り組んできた．相安定性や原料粉末に立脚した独自の材料設計とプロセス最適化により構造用金属材
料の特性改善と実用化に成功している．また，放射光や中性子を用いた組織形成・特性発
現メカニズムの解明や粉末特性と溶融凝固挙動・欠陥形成の関係について先駆的な研究成果を上げ，国内外で高く評価されている．最近ではマルチマテリアルへの応用にも研究を展開するなど，今後のさらなる発展が期待される．



表

彰

第 32 回

日本金属学会奨励賞受賞者(8 名)(部門別 50 音順)［学術部門］［金属材料の組織および機械特性に関する研究］
東北大学金属材料研究所

助教

魏

代

修 君

受賞者は，合金の組織制御および機械特性に関する研究を行った．主な業績として，(1)チタンアルミ合金におけるナノスケール相変態の制御とナノ層状組織の形成機構の解明，(2)電子ビーム積層造形されたコバルト合金の組織制御による機械特性の向上，(3)第一原理計算と熱力学計算を用いて，強度と延性に優れた準安定ハイエントロピー合金の開発等が挙げられる．現在は，マルチスケール組織制御によるハイエントロピー合金の高性能化に取り組んでおり，今後の更なる発展が期待される．

［デジタル画像相関法を用いた金属材料の変形・破壊に関する研究］
金沢大学理工研究域機械工学系 准教授

古賀

紀光 君

受賞者は，デジタル画像相関法を用いて種々の金属材料(パーライト鋼，フェライト＋マルテンサイト積層材，窒化鋼，銅鉄合金など)の変形・破壊挙動を研究してきた．金属
材料の変形中に導入されるひずみは，金属組織に依存してミクロスケールで不均一に分布することを明らかとした．現在では，レプリカ法をデジタル画像相関法に応用することに
よって破壊と不均一ひずみ分布の相関を研究しており，金属材料の変形・破壊メカニズムの解明に今後更なる貢献が期待できる．

［非定常な温度場を利用したマルチスケールにわたる金属材料の高機能化に関する研究］名古屋大学大学院工学研究科 助教 鈴木 飛鳥 君
受賞者は，反応焼結や金属積層造形などの粉末冶金プロセスに関する研究を遂行している．反応焼結による多孔質構造制御では，状態図計算やその場観察を活用することで，多孔質構造の制御指針を見出し，それを金属/樹脂接合や蓄熱材との複合化に応用した．金属積層造形では，レーザ照射中の非定常熱伝導を考慮した理論モデルにより，造形体組織を良く整理できることを明らかにした．現在はデータ科学を活用したプロセス最適化やラティス構造設計に取り組んでおり，今後の更なる展開が期待される．

［各種金属材料の組織制御による強度・機能性向上に関する研究］
名古屋工業大学大学院工学研究科 助教

徳永

透子 君

受賞者は，軽量，高強度，高耐熱性，高耐食性といった複数の機能を併せ持つ「先進的高機能構造材料」の創成を，種々の手法による金属組織制御により実現している．主な業
績として， Al/ Mg 合金複合薄板材の開発とその超塑性特性の解明，数値解析による押出プロセスの最適化手法の確立などが挙げられる．現在は，Mg 基 LPSO 合金における中性子を用いた高力学特性発現機構の解明・制御や，微細層状組織制御による Al 基，Ti 基の新奇高強度材料の創成，そして“高強度・高靭性・高延性”鉄鋼材料の開発といった課題に取り組んでおり，今後の更なる活躍が期待される．

［ボトムアップ型材料設計のための格子欠陥構造機能相関の解明と新物質探索］大阪大学大学院工学研究科 助教 藤井

進 君

受賞者は，材料の微視的構造から機能を引き出すボトムアップ型材料設計を目指し，計算科学やデータ科学を駆使して，格子欠陥の構造機能相関の解明やエネルギー材料の網
羅探索を実施してきた．主な業績として，(1)粒界の原子構造に基づく熱伝導度の予測モ
デル構築，(2)新規固体電解質の発見とフォノンによるイオン伝導促進機構の解明が挙げられる．現在，粒界機能予測モデルの汎用化や，点欠陥を考慮したエネルギー材料探索手法の構築に取り組んでおり，今後の更なる発展が期待される．

ま て り あ 第61巻 第11号(2022)
Materia Japan［熱力学過剰量に基づいた金属溶液論に関する研究］
東京工業大学物質理工学院

渡邉

助教

学 君

受賞者は，熱物性と熱力学関数を組み合わせ，革新的な金属溶液モデルを提唱するなど，金属融体物性分野において新進気鋭の研究者である．受賞者は，従来溶液モデルでは溶融金属の構造の反映には不十分であるとし，原子間相互作用と原子配置を考慮できる過剰ギブズエネルギーと過剰体積の相関関係に基づく新たな金属溶液モデルを構築した．現
在は，溶融金属の電子状態が熱物性および熱力学関数を制御していると考え，溶融金属の電子状態解明を目指し研究を行っており，今後の融体研究分野の発展が期待される．

［技術部門］［レーザ粉末床溶融結合法における雰囲気ガスを用いた金属組織と機能制御に関する研究］
大陽日酸(株)イノベーションユニット 天野 宏紀 君
受賞者は，金属材料工学的立場から，金属レーザ粉末床溶融結合法の雰囲気ガスがスパ
ッタ・ヒュームの除去のみならず，造形体の結晶集合組織をはじめとする材料組織や力学特性の重要な支配因子であることを見出し，同時に，雰囲気ガスを利用した造形体の高機能化について新規手法と概念を提唱している．この成果は，雰囲気ガスを積極的に活用した金属造形体の機能性向上への新たな指針を与えるものであり，金属材料工学の発展に寄与するところが大きく，今後のさらなる成果の創出が期待される．
［鉄鋼材料における粒界偏析及び粒界脆化に関する研究］
日本製鉄(株)技術開発本部 主幹研究員

伊藤

一真 君

受賞者は，第一原理計算や分子動力学等の計算科学手法を活用し，鉄鋼材料における粒界偏析及び粒界脆化に関する研究を行ってきた．主な業績として，(1)Mn による aFe 粒
界脆化機構の電子論的起源の解明，(2)常磁性 gFe 粒界における遷移金属合金元素の粒界
偏析傾向の明確化，及びその物理的起源の解明，(3)多結晶における粒界偏析予測手法の構築，が挙げられる．現在，計算科学手法の高度化と，それらを活用した高強度鋼の開発に取り組んでおり，今後の更なる展開が期待される．

第 45 回日本金属学会技術開発賞

受賞記事(1 件 5 名)

高速モータの高効率化に寄与する Si 傾斜磁性材料 JNRF の開発

JFE スチール(株)スチール研究所

JFE スチール(株)スチール研究所

JFE スチール(株)スチール研究所

主任研究員

部長

主任研究員

財前

善彰

君

尾田

善彦

君

大久保

智幸

JFE スチール(株)東日本製鉄所

JFE スチール(株)東日本製鉄所

部長

主任部員

笠井


(まてりあ 61 巻 1 号)

勝司

君

戸部

輝彦

君

君
表

彰

第 70 回

日本金属学会論文賞

受賞論文(4 編 13 名)(部門別)［物性部門］1 編(3 名)Classical and Quantum Magnetic Ground States on an Icosahedral Cluster(Materials Transactions Vol.62 No.3)

東京理科大学先進工学部
マテリアル創成工学科

東京理科大学先進工学部
マテリアル創成工学科

大阪大学量子情報・量子生命研究センター

助教

教授

特任准教授

鈴木

慎太郎

君

田村

隆治

君

杉本

貴則

君

［力学特性部門］1 編(4 名)
ナノインデンテーション法を用いた粒界強度の評価(日本金属学会誌

85 巻 1 号)

日本製鉄(株)
技術開発本部

日本製鉄(株)
技術開発本部

物質・材料研究機構
構造材料研究拠点

物質・材料研究機構
構造材料研究拠点

主任研究員

課長

主幹研究員

副拠点長

中野

克哉

君

竹田

健悟

君

井

誠一郎

君

大村

孝仁

君

［材料化学部門］1 編(2 名)
A Uniˆed Geometrical Framework for FaceCentered Icosahedral Approximants in AlPdTM (TM ＝ Transition
Metal) Systems(Materials Transactions Vol.62 No.3)

東北大学
多元物質科学研究所

東北大学大学院
工学研究科

講師(現(株)日産自動車)

藤田

ま て り あ 第61巻 第11号(2022)
Materia Japan

伸尚

君

小柏

真

君




［材料プロセシング部門］1 編(4 名)TimeResolved Observation of Phase Transformation in FeC System during Cooling via Xray Absorption Spec-(Materials Transactions Vol.62 No.2)

troscopy

高エネルギー加速器研
究機構
物質構造科学研究所

高エネルギー加速器研
究機構
物質構造科学研究所

高エネルギー加速器研
究機構
物質構造科学研究所

高エネルギー加速器研
究機構
物質構造科学研究所

特別助教

博士研究員
(現(一財)計量計画研
究所)

研究員(現高輝度光科学研究
センター)

教授

丹羽

尉博

君

高橋

第2回

慧

君

一柳

光平

日本金属学会新進論文賞

木村

正雄

君

君

受賞者(6 名)(部門別掲載号順)［日本金属学会誌部門］
1.

CyclicHPT 加工により得られる定常結晶粒径に及ぼす 1 パスひずみの影響(日本金属学会誌 85 巻 2 号)(株)ハイドロネクスト技術部 ○佐藤宏和
豊橋技術科学大学機械工学系 助教 足立 望
豊橋技術科学大学機械工学系 教授 戸高 義一

2.

君
君
君

aMg/C14Mg2Ca 共晶合金のクリープ強度に及ぼすラメラ間隔の影響(日本金属学会誌 85 巻 6 号)
東京工業大学物質理工学院

大学院生(現 :JFE スチール(株)) ○大石
大学院生 荒木東京工業大学物質理工学院
東京工業大学物質理工学院

3.

君
君
君

ナノ多結晶粒界モデルを用いた粒界偏析予測の遷移金属溶質元素への適用bccFe 多結晶における Mn 及び Cr の粒界
偏析予測(日本金属学会誌 85 巻 12 号)
日本製鉄(株)技術開発本部
日本製鉄(株)技術開発本部
日本製鉄(株)技術開発本部



准教授 寺田航司
聡司
芳弘

主幹研究員 ○伊藤

(現ENEOS(株)) 田中

上席主幹研究員(現日鉄総研(株)) 澤田

一真
悠太
英明

君
君
君

表

彰

［Materials Transactions 部門］
1.

Possibility of Semiconducting Electronic Structure on AlPdCo 1/1 Cubic Quasicrystalline Approximant(Materials Transactions Vol.62 No.3)
物質・材料研究機構エネルギー・環境材料研究拠点
東京大学工学部マテリアル工学科

研究員 ○岩o

学生(現三井不動産(株)) 樫村

東京大学大学院新領域創成科学研究科物質系専攻(現防衛大学校電気情報学群機能材料工学科講師) 北原

功一

君

薫

君

教授

(現物質・材料研究機構エネルギー・環境材料研究拠点 NIMS 特別研究員) 木村

Tensile Deformation of Si Single Crystals with Easy Glide Orientation

君
君

助教

東京大学大学院新領域創成科学研究科物質系専攻

2.

祐昂
知之

(Materials Transactions Vol.62 No.7)

飛翔九州大学大学院工学研究院 教授 田中 將己
九州大学大学院工学研究院 助教 森川 龍哉(株)SUMCO 評価・基盤技術部 課長補佐 藤瀬 淳
(株)SUMCO 評価・基盤技術部 部長 小野 敏昭

九州大学大学院工学府

3.

大学院生(現(株)SUMCO) ○鈴木

君
君
君
君
君

Improving the Pitting Corrosion Resistance of AA1050 Aluminum by Removing Intermetallic Particles during(Materials Transactions Vol.62 No.8)

Conversion Treatments

東北大学大学院工学研究科

洋泉(株)UACJ R&D センター 大谷 良行(株)UACJ R&D センター 籾井 隆宏
東北大学大学院工学研究科 准教授 菅原 優
東北大学 参与，名誉教授 原 信義

大学院生(現東北大学金属材料研究所

学術研究員) ○柿沼

東北大学大学院工学研究科



教授 武藤

君
君
君
君
君
君



◇日本金属学会秋賞の概要◇（英語表記はホームページ 表彰関係 ご覧下さい）
技術開発賞

まてりあ“新技術・新製品”の著者で，創意あふれる開発研究を推奨する目的で，金属工学ならびにこれに関連する新技術・新製品などの独創的な技術開発に携わった技術者に対して授賞する．

奨励賞

金属材料工学ならびに関連分野で卓越した業績を挙げつつある 5 月末時点で33歳以下の次世代を託する優れた若手研究者(工業技術部門は企業の研究者または技術者)に授賞する．
部門物性，組織，力学特性，材料化学，材料プロセシング，工業材料，工業技術

まてりあ論文賞

日本金属学会会報「まてりあ」に掲載した論文で，学術または科学技術上優秀で且つ金属及びその周辺材料に係る分野の進歩発展に顕著な貢献をした論文に対し授賞する．

まてりあ啓発・教育賞

日本金属学会会報「まてりあ」に掲載した記事で，まてりあ記事の特徴を活かし，金属及びその周辺材料に係る啓発や教育に顕著な貢献をした記事に対し授賞する．

村上記念賞

村上記念会からの寄付を基に金属工学の分野における先駆的研究および開発に格段の功績を挙げた方に授賞する．

村上奨励賞

村上記念会からの寄付を基に金属工学の分野で卓越した業績をあげつつある 5 月末時点で 40歳以下の若手研究者に授賞する．

論文賞

前年 1 ヵ年の会誌または Materials Transactions に掲載された論文の中から特に優秀な論文に対して授賞する．
部門物性，組織，力学特性，材料化学，材料プロセシング，工業材料

新進論文賞

前年 1 ヵ年の会誌または Materials Transactions に掲載された35歳以下の若手による論文中，学術上または技術上特に優秀な論文に対して授賞する．

優秀ポスター賞

ポスターセッション発表者を対象に，優秀なポスターおよび発表者に対して授賞する．本賞の贈呈は各大学，研究所に委託しこれを行う．

高校・高専ポスター賞

高校生・高専(3 年生以下)学生の優秀なポスターおよび発表者に対して授賞する．本賞の贈呈は各学校に委託しこれを行う．

ま て り あ 第61巻 第11号(2022)
Materia Japan

第 12 回

日本金属学会まてりあ賞受賞論文・記事(3 編 6 名)

(部門別掲載号順)［まてりあ論文賞］(2 編 5 名)
1.

人工股関節用 bTi 合金ステムの研究開発(まてりあ 60 巻 11 号)

東北大学
名誉教授

花田
2.

修治

君

炭素鋼のミクロ組織の電気化学特性解明と組織制御による高耐食化(まてりあ 60 巻 12 号)

物質・材料研究機構
構造材料研究拠点東北大学大学院
工学研究科

東北大学大学院
工学研究科

東北大学

研究員

教授

准教授

参与，名誉教授

門脇

万里子

君

武藤

泉

君

菅原

優

君

原

信義

君

［まてりあ啓発・教育賞］(1 編 1 名)
金属材料の手引き

1 ．組織観察1 3

走査型電子顕微鏡を用いた分析手法

1 3 1

エネルギー分散形 X 線分光法

(EDS)による元素分析(まてりあ 60 巻 8 号，10 号)(一財)ファインセラミ
ックスセンター
ナノ構造研究所
上級技師

横江

大作

君

第 37 回優秀ポスター賞受賞者，第 8 回高校・高専学生ポスター賞受賞者のご報告は次号(12 号)にて会告いたします．



表

彰

企画にあたって
山 中 謙 太1
松垣あいら5

堤
趙

祐 介2
研5

李
誠 鎬3
池 尾 直 子6植 木 洸 輔4
袴 田 昌 高7

超高齢社会を迎えた我が国では医療技術の発展と相俟ってだいた．薮塚武史先生(京都大学)には，「アパタイト核を用

インプラントや人工臓器を用いた治療がより身近なものにな

いた界面制御による生体活性機能材料の創成」と題して，アっている．疾患等により喪失した身体機能を代替するためのパタイト核の析出による界面制御と様々な硬組織代替材料や生体医療材料には使用される箇所や対象とする機能に応じて微粒子を対象とした生体活性付与について解説していただい様々な特性が求められ，構造材料と機能材料の両方の側面をた．中村仁先生(九州工業大学)には，「層状構造をもつ無機有するユニークな材料系である．したがって，金属材料，セ化合物を応用した医用機能材料の創製」と題して，無機層状

ラミックス，高分子材料が目的に応じて使い分けられ，それ化合物の有機装飾により作製した無機イオン種の徐放機能やらを複合化することでインプラントの開発と臨床応用が行わ

細胞親和性を有する複合材料について解説していただいた．

れてきた．さらに，生体組織と材料の界面反応や親和性に関

平野満大先生(香川大学)と大津直史先生(北見工業大学)にする学術的理解が高まり，生体組織と調和する「ハーモニッ

は，「医療器具用金属材料における抗菌表面処理技術の研究

クバイオマテリアル」，最近では生体との相互作用を積極的開発―ナノピラー形成による抗菌機能化―」と題して，物理に活用して能動的に制御する「バイオアダプティブ材料」と的プロセスによるナノピラーの形成と抗菌機能表面の作製にいった新たな概念が提案されている．

ついて解説していただいた．岡田正弘先生，松本卓也先生

この よ う な 背景 か ら， 第 7 分 野 (生 体 ・医 療 ・福 祉 )で(岡山大学)には，「生体軟組織に瞬間接着するチタン―自己は，生体医療材料の材料科学・工学としての多様性・学際性

接着性インプラントの開発―」と題して，酸処理によるチタを強く意識し，他分野や他学協会との連携を通した研究活動

ンの生体軟組織接着性の発現と新しい金属製固体接着材としを展開している．そこで本特集では，「異分野融合」「材料横ての可能性について解説していただいた．林 智広先生(東京断」をキーワードに，様々なバックグラウンドを持つ執筆者

工業大学)には，「表面・界面・情報科学の融合による抗付着に最近の生体医療材料に関する研究成果をご紹介いただいた．

性コーティング材料の設計」と題して，コンビナトリアル的吉田佳典先生(岐阜大学)には，「生体親和性塑性加工と金な実験的手法と機械学習を組み合わせた抗付着性自己組織化

属積層造形条件最適化の事例」と題して，塑性加工と陽極酸

単分子膜の開発を例に，生体材料開発における情報科学的手化処理を組み合わせた表面生体活性制御技術，カスタムメイ法の応用について課題を含めて解説していただいた．最後

ドインプラントの製造技術として期待の大きい金属積層造形に，横田知之先生(東京大学)には，「有機デバイスの生体・における未溶融欠陥発生予測モデルについて解説していただ

医療応用」と題して，高解像度かつ高速撮像が可能なフレキ

いた．水谷正義先生(東北大学)には，「加工の視点で考える

シブル有機イメージャーの開発について，作製プロセス・基

歯科材料の高機能化・多機能化の可能性」と題して，金属積

礎特性からウェアラブル医療機器への応用まで幅広く解説し

層造形やレーザープロセスによる表面構造・機能付与と歯科ていただいた．

治療への応用について加工プロセスの観点から解説していた
1

東北大学金属材料研究所(〒9808577 仙台市青葉区片平 211)
物質・材料研究機構 構造材料研究拠点
3 産業技術総合研究所マルチマテリアル研究部門
4 近畿大学理工学部機械工学科
5 大阪大学大学院工学研究科
6 神戸大学大学院工学研究科
7 京都大学大学院エネルギー科学研究科
Preface to Special Issne on Interdisciplinary Biomaterials Research
Keywords: biomaterials, additive manufacturing, laser processing, apatite, layered compound, antibacterial surface treatment, soft tissueadhesion, machine learning, flexible organic electronics
2022年10月 3 日受理[doi:10.2320/materia.61.731]
2

ま て り あ 第61巻 第11号(2022)
Materia Japan本特集にてご紹介したように，生体医療材料研究において異種材料の複合化や表面処理・構造制御による新材料開発や既存材料の高機能化が大きく進展している．また，生物工学
的アプローチに留まらず，塑性加工や金属積層造形等の加工技術，情報科学，エレクトロニクスへと研究の裾野を広げ，生活の質の維持・向上という社会的重要性の高い課題に取り

山中謙太

堤

祐介

松垣あいら

趙

研

李

誠鎬

植木洸輔

池尾直子

袴田昌高

組んでいる．自動車や航空機の分野ではマルチマテリアル化が注目を集めているように，材料の複合化や機能付与，そのためのプロセス開発は材料研究全般において重要であり，多様な学術的視点や分野を超えた連携が必要不可欠である．
生体医療分野における先行例を紹介した本特集の内容が本学会会員の皆様の今後の研究の参考となれば幸いである．



特

集

生体親和性塑性加工と金属積層造形条件最適化の事例
吉

田

佳

典

することで生体活性を制御可能な骨ねじの創製技術の研究事

.

はじめに

例を紹介する．また，カスタムメイド化対応に必須となる金属積層造形においては，造形物の形状自由度が高い一方で，我が国の人口は 1973 年の第二次ベビーブームを境に減少

内部欠陥および造形時間が長い点が問題となる．そこで，未している．我が国における将来推計人口推移(1) において，溶融欠陥発生予測モデルを提案し，簡易な実験によって造形

15 歳から 64 歳のいわゆる生産年齢人口は減少の一途をたど

パラメータを同定することで，欠陥が発生しない最適造形条

り，40年後においては約3,000万人の減少が予測されている．

件予測技術を開発した事例について紹介する．

65 歳以上の高齢者および生産年齢人口の比は 2022 年現在の

.

ところほぼ 1 2 であるが， 2060 年においては 1  1.25であ

生体親和性塑性加工法の開発

り，1 人の高齢者をほぼ 1 人の現役世代が支える構図が予想されている．

本研究においては転造によって純チタン丸棒の表面に微小加えて，団塊の世代と呼ばれる第一次ベビーブーム世代

凹凸分布を傾斜付与し，さらに陽極酸化によって表面にチタ(19471949年生にかけて約 806万人が出生(2))が2025年ごろ

ニアを成膜した．これらをラット脛骨に埋植し，チタン丸棒に 75 歳以上の後期高齢者となる．このいわゆる「 2025 年問および骨ねじ表面の生体活性ならびに抜去トルクを評価し題」においては，体力低下や寝たきりの状態にある高齢者のた．以下にその実験方法および結果を示す．

介護や医療のニーズ需要増に対する，生産年齢人口減による医療サービス供給のバランスの崩壊が予想される．認知症に加え，骨粗鬆症を含む外科的疾患の増加も予想される．この

Ti 骨ねじ微小凹凸表面創成実験(3)(4)

全長 8 mm ，呼び径 M2 の純 Ti 骨ねじを 2 段階の転造にような超高齢化社会に突き進む我が国においては，今後さらよって製造した(図)．第一プロセスにおいて，純 Ti 丸棒

なる高度医療技術の開発が求められている．

を M2 のねじに成形する．金型全域の表面粗さを平滑にし体内で使用される人工インプラントに目を向けると，我がており，これが被加工材に転写されることによって表面が平国はその多くを輸入に頼っており，その形や大きさは必ずし滑なねじが製造される．第二プロセスにおいては 3 組の転も日本人の体型に合っているとは限らず，患者の体型に合わ

造ダイスを用意し，その表面を( a)全域にわたって平滑( Ra

せたインプラントのカスタムメイド化が重要である．また超≒0.05 mm)にしたもの，(b)ねじ山に接触する箇所を平滑と高齢化社会において使用量が増加することを考慮すると，生し て 谷 に 接 触 す る 箇 所 を 粗 く ( Ra ≒ 1.5 mm ) し た も の ( 図

産性向上およびコスト削減によって価格を安定化させること)，(c)ねじ山を粗くして谷を平滑にしたものの 3 種類を準で広く普及させる必要がある．すなわち，我が国における医備した．第一プロセスで転造された平滑ねじを本プロセスに療材料加工技術の高度化は，国産化による形状最適化，短納て軽圧下条件下で再度転造することによって，3 種類の表面期化および低コスト化にもつながる重要な役割を有している．

凹凸分布を有する骨ねじを作製した．またこれにチタニア成

本稿では，量産化および規格化が容易な塑性加工法の一種膜を施したものとそうでないものとの 2 種類を作り分けたである転造プロセスに着目し，種々のミクロ表面凹凸を付与(表)．骨ねじの一端は，抜去トルク計測時にトルクドライ

東海国立大学機構岐阜大学 地域連携スマート金型技術研究センター教授(〒5011193 岐阜市柳戸 11)Development of Bioactive Metal Forming Technology and Optimization of Metal Additive Manufacturing Process; Yoshinori Yoshida(Center for Advanced Die Engineering and Technology (GCADET), Gifu University, Tokai National Higher Education and Research
System, Gifu)
Keywords: biomaterials processing, metal forming, additive manufacturing, bioactive surface processing
2022年 9 月25日受理[doi:10.2320/materia.61.733]

ま て り あ 第61巻 第11号(2022)
Materia Japan




図3

陽極酸化の模式図．(オンラインカラー)て，高温気相中で表面酸化する気相中高温酸化法や酸性水溶液中で Ti をアノード電解する陽極酸化法がよく用いられる．過去の報告(4)では，後者がより高生体活性であったことが示されており，本研究でも陽極酸化法を採用した． Ti を適当な酸性水溶液中でアノード電解すると， Ti 表面には酸の種類や pH，温度や電位に応じた膜厚や表面形態を持つチ
タニアが生成する．本研究においてはリン酸を用いて陽極酸化を行った(図)．前述の転造ねじおよび Pt コイルをそれ
ぞれ陽極および陰極とし，両極間電位は 0.1 V/s で上昇させ
図1

動物実験用骨ねじ創成プロセスの模式図．

てこれが 100 V に達した段階(1000秒後)で実験を終了した．


ラット脛骨埋植実験および生体活性評価

ラット脛骨に転造骨ねじを埋植し，生体活性を評価した．
9 週齢のラット脛骨骨幹部(両足)に，転造骨ねじを埋植し，2 週間生育した．その後，埋植骨ねじ試験片およびその周辺の骨組織を含む箇所を切り出し，厚さ 20 mm に研磨加工し試料とした．同一製造条件について 5 サンプル採取し，平均値を用いた．
図2

動物実験用骨ねじの模式図．

生体活性評価方法について，上記試料をトルイジンブルー
にて染色し，試料表面上に骨組織が生成した領域を定量し

表1

骨ねじ表面凹凸分布条件．

た．また，試料の埋植部分の長さに対する試料上に骨組織が生成した部分の長さの比によって「骨インプラント接触比(RBI)」を定義し，生体活性を評価した．試料ならびに定量の例を図に示す．骨の構造は皮質骨部(骨表面において硬バーを設置することができるように，放電加工によってキー構造に加工した．


チタニア成膜チタニア( TiO2 )は骨親和性ならびに伝導性に優れた生体活性物質である． Ti 表面にチタニアを形成する手法とし



図4

インプラント試料骨界面の組織写真．(オンラインカラー)

特

集

図5

転造骨ねじを埋植した骨サンプル．

図7

骨ねじの抜去トルクと生体活性の関係．

骨ねじ谷部の表面粗さをコントロールすることによって抜去トルクを効果的に変化させることが可能である．

.

金属積層造形未溶融欠陥予測モデルの構築

金属積層造形は複雑な立体形状を 3 次元 CAD データから直接造形することができ，医療分野や航空機分野での活用が
図6

表面凹凸分布およびチタニア成膜が骨ねじの抜去トルクに及ぼす影響．

期待されている．一方で，材料が熱源の走査による局所的溶
融・急冷プロセスであるため，造形条件の組み合せによっては，溶融された金属が連続しないボーリング(図)，メルト
プール内に溶融時に生じる欠陥が残留するキーホール(図組織で構成され力学的支持を担う)と，海綿骨部(骨内部にお)，不適切なハッチングピッチ設定による未溶融欠陥(図)

いて骨代謝が速く，硬組織が約 3 割)で構成されており，そが生じることで延性の低下につながる．そこで，造形条件のれぞれ RBI を評価した．
さらに，転造骨ねじの埋植試料(図)において骨表面から突出した Ti 材先端キー部にトルクドライバーをセットして回転させることで抜去トルクを測定した．回転量は角度計によって測定した．ここで，回転の初期に生じる最大トルク値
をもって抜去トルクを定義した．



実験結果

骨ねじの抜去トルク測定結果を図に示す．全ての条件において陽極酸化によって抜去トルクが向上した．また，陽極酸化を施した 2B において，最大抜去トルク(2.27 N ･cm )が発現した．この条件においては，ねじ山および谷ともに平滑

図8

ボーリング欠陥．(オンラインカラー)

図9

キーホール欠陥．(オンラインカラー)

な 1B の結果(1.22 N･cm)と比較して，2B においてはねじ谷
部分の表面凹凸がトルクに寄与した．また陽極酸化を施さな
い 1A および 2A の結果を比較しても，それほど大きなアン° )と表面
カー効果は得られておらず，ねじの谷形状(角度60
凹凸ならびに陽極酸化の効果によって大きな生体活性向上が得られたものと考えられる．
次に，骨ねじの抜去トルクと生体活性の関係を図に示す．チタニア成膜表面処理の優位性は，これまでの結果と同様に明確に示されている．抜去トルクが最大であった 2B に着目すると，谷部における硬組織生成量が，皮質骨および海綿骨のいずれにおいても他の条件と比して最大となっている．巨視的なねじ谷部形状とその表面粗さの組み合わせが硬組織形成に影響を及ぼしている．

ま て り あ 第61巻 第11号(2022)
Materia Japan




図10

図11

溶融部オーバーラップモデルの概念図．

図12

シングルトラック断面楕円近似モデル．

未溶融欠陥．(オンラインカラー)

組み合せを最適化する手法の登場が望まれる．造形条件が造形品質に及ぼす影響を実験的に調査する方法としては，種々の造形パラメータの組み合せでブロックを造形し，その空孔率や機械的特性を求めることで造形条件を評価する方法が広く行われている．しかしながらこの場合，大量のブロックを造形・評価しなければならず，より簡易な方法で造形条件の最適化を行う方法が求められる．また，金属積層造形法は鍛造や切削に比べて造形時間が長いため，生産性の観点からより短い時間で造形する造形条件の組み合せを求める必要がある．
本研究では選択的レーザ溶融法(Selective Laser MeltingSLM)による金属積層造形において，レーザ照射によって投入されるエネルギー密度一定の条件下で，レーザ照射条件が造形後のマルエージング鋼の未溶融欠陥生成に及ぼす影響を調査した．エネルギー密度を一定とすることは，すなわち 1

条件では未溶融欠陥が生成するものと考えられる．すなわち層あたりの造形時間を一定とすることと等しく，投入エネル

未溶融欠陥が発生しない必要条件は次式で表される．

ギーおよび生産速度を一定とした条件で機械的特性を評価す

a＋ b＞ t(1)

ることができる．レーザ照射条件を変更して造形したブロッシングルトラックの溶融部形状に影響を与えるパラメータ

クから微小な試験片を切り出し，引張試験に供し，引張強さ

として，主にレーザパワー，レーザパワーの吸収率，スポッおよび破断相当ひずみの評価を行った．また，レーザ走査線

ト径，走査速度，積層厚さが考えられる．ここでは吸収率をに垂直な断面のミクロ組織観察を行い，空孔率を評価すると一定と仮定し，また，スポット径および積層厚さを固定しともに，1 本のビード断面形状とハッチングピッチの関係かて，レーザパワー P および走査速度 v が溶融部形状に及ぼら幾何学的に未溶融部が生成せず，なおかつ溶融部オーバーす影響を検討した．

ラップが最大となる最適条件を検討した．


溶融部オーバーラップモデル(5)

シングルトラック断面形状のモデル化

ビード上面形状(溶融部上面形状，図(a)の上部実線部)

未溶融欠陥生成予測モデルである溶融部オーバーラップモ

ならびにメルトプール境界形状(溶融部下面境界線，図 12

デルの模式図を図に示す．レーザの走査方向に垂直な断面( b )の下部実線部)それぞれの楕円弧での近似を試みた．パ

において，シングルトラックの上面およびメルトプール境界

スを 1 本のみ造形したビードの断面において，前の層の表の輪郭で囲まれた領域を溶融部とする．前層で造形した造形

面に平行に x 軸を，積層高さ方向に y 軸をとる．楕円弧は左物の上面に平行に x 軸をとり，溶融部形状の中心，積層高さ

右対称と仮定し，溶融部中心に原点をとると次式で表される．

方向に y 軸をとる．左右対称と仮定した溶融部断面形状が，x 方向にハッチングピッチ h の間隔で， y 方向には積層厚さx 2 ( y－ p ) 2
＋
＝1
a2
b2

(2)

t の間隔で繰り返されることで立体形状が造形されると仮定

ここで， a および b は x および y 方向の形状因子， p は楕円する．隣り合うトラックおよび層の間で溶融部形状がオーバ

中心の y 座標である．

ーラップしていない領域が生じた場合，未溶融欠陥が生成す上下楕円弧で囲まれた断面を持つ溶融部の生成がハッチンることを示す．すなわち， x ＝ h /2 における溶融部がオーバ

グピッチ h および積層厚さ t の間隔で左右上下方向に繰り返ーラップする高さ(図 11 中の a ＋ b )が積層厚さ t を超えないされることで造形される．ここで，隣り合う溶融部がオーバ



特

集

ーラップする境界，すなわち x＝h/2 におけるビードの高さ

ラップ長さの予測結果と，実験結果(図 13 )の比較を示す．

を a ，メルトプールの深さを b とすると， a ＋ b で溶融部オ

これらは良い一致を示している．また，同条件で造形したブーバーラップ高さを定義できる．式( 2 )から，a および b は

ロック断面の空孔率を図に示す．溶融部オーバーラップと次式で表される．

空孔率は対応しており，モデルの有効性が示された．また条

a＝ b U1－b＝ b L

1－

h2

＋ pU
4a 2U

(3)

h2
－ pL
4a 2L

(4)

件 2 が最適造形条件である．

シングルトラック実験およびモデルパラメータ同定

積 層 造 形 装 置 に は 金 属 光 造 形 複 合 加 工 機 LUMEX
Avance 25 (松 浦 機 械 製 作 所 )を 用 い た ．本 装 置 は 粉 末 床
SLM を採用している．対象材はマルエージング鋼とし，粉末 粒 径 は 45 mm 以 下 で ， S50C ベ ー ス プ レ ー ト ( 板 厚 10mm )上に窒素雰囲気内でシングルトラックおよびブロック

造形を行なった．またレーザ照射によって投入されるエネル
ギー密度 E[J/mm3]は次式で表される(6)．
E＝

P
vht

(5)

ビードおよびメルトプールの形状および寸法はレーザのパワ
ー，スポット径，走査速度，レーザの吸収率の関数である．
本研究ではレーザパワー，スポット径が一定であり，レーザの吸収率も一定と仮定した．つまり，ビードおよびメルトプール形状は走査速度で決まるものと考える．ここでレーザ照射 に よ る 1 秒 あ た り の 造 形 面 積 を 塗 り つ ぶ す 速 度 を Vh
[mm2/s]とすると， Vh ＝v ・h となる．造形物への投入エネ
ルギー量を一定にするため，塗りつぶし速度 Vh が一定となるように走査速度 v とハッチングピッチ h の組み合せを 4

図13

ビードおよびメルトプール断面．(オンラインカラー)

水準設定した．積層造形条件を表に示す．レーザ走査パス
は一方向で区間分割(セル分割)は行なわず，また各層ごとの走査パターンは変化させず，なおかつパスをずらすことはしなかった．図に 4 種のシングルトラック断面および寸法評価結果を示す．ビード上面ならびにメルトプール境界線の各輪郭上の 11 点の座標を測定し，最小二乗法を用いて楕円を同定することで式( 3 )および( 4 )のパラメータを h の一次関数として同定した．



実験結果

図に式( 3 )および( 4 )の和で表される溶融部オーバー

表2

図14

溶融部オーバーラップ長さとハッチングピッチの関係．

シングルトラック積層条件．

図15

ま て り あ 第61巻 第11号(2022)
Materia Japan

造形ブロックの空孔面積率．




.

ま と

め

転造によって純 Ti 骨ねじ表面に微小凹凸傾斜分布をコン
トロールすることによって抜去トルクを制御する塑性加工技術を紹介した．また，金属積層造形における未溶融欠陥発生を溶融部オーバーラップモデルと簡易なシングルトラック実
験によって予測する技術を紹介した．今後は塑性加工と金属積層造形を融合することで，造形物の強度および伸びを向上
し，生体親和性および安全性の高い人工インプラント製造技術の開発を目指す．
骨ねじ抜去トルク制御技術開発は，名古屋大学黒田健介博

文献( 1 ) 国立社会保障・人口問題研究所日本の将来推計人口，人口問題研究資料，336(2017).
( 2 ) 厚生労働省平成 21年( 2009 )人口動態統計(確定数)の概況，(2010)，厚生労働省ホームページ．
( 3 ) Y. Yoshida, K. Kuroda, R. Ichino, N. Hayashi and N. Ogihara,
Y. Nonaka: Procedia Engineering, 81(2014), 340.
( 4 ) Y. Yoshida, K. Kuroda, R. Ichino, N. Hayashi, N. Ogihara and
Y. Nonaka: CIRP Annals Manufacturing Technology, 61(2012), 579582.
( 5 ) 沓掛あすか，吉田佳典，児嶋 彬，岡島琢磨塑性と加工，
61(2020), 211216.
( 6 ) A. Simchi and H. Pohl: Mater. Sci. Eng. Ser. A, 359(2003),
119128.

株 三明製作所との共同研究におい士，市野良一博士ならびに★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★

て開発された．また金属積層造形最適条件予測モデルの構築
株 との共同研
は，島根大学沓掛あすか博士および大同特殊鋼究の成果である．ここに，各位へ深甚なる謝意を表す．

吉田佳典

1998年 3 月 名古屋大学大学院工学研究科修士課程修了
1998年 8 月 名古屋大学大学院 助手
2009年 4 月 岐阜大学工学部機械工学科 准教授
2021年 4 月 島根大学次世代たたら協創センター 教
授
2022年 4 月 現職
専門分野塑性加工学・積層造形学◎生体親和性塑性加工技術および塑性変形付加積層造形技術開発に従事．

★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★



特

集

加工の視点で考える歯科材料の高機能化・多機能化の可能性
水

谷

正

義

克服すべきいくつかの課題が存在しており，その中の一つが

.

は じ

め

に

力学的応力遮蔽( Stress shielding )と呼ばれる現象により引き起こされる骨脆化問題である(2)．応力遮蔽現象はインプラ

我が国は今まさに超高齢社会にあり，今後も総人口の減少

ントに使用される材料(例として Ti6Al4V 合金(弾性率

と高齢化の進行が予想されている．少子高齢化が進む中，厚110 GPa )(3) と生体骨(弾性率 10 ～ 30 GPa )(4) )との弾性率

生労働省は 2000 年から推進する国民健康づくり対策「 21 世の乖離に起因して生じる．すなわち弾性率の大きなインプラ紀における国民健康づくり運動(健康日本 21 )」で健康寿命

ントを生体骨内部に埋入した場合，インプラントが荷重を負の延伸及び生活の質(Quality of life，以後 QOL)の向上を目担するため周囲の骨に荷重が伝達されなくなる．その結果，的の一つとしており，その目的達成のために掲げられた目標

骨吸収が誘起されるために骨成長が阻害され，もともと正常の一つが「歯・口腔の健康」である．歯・口腔の健康は，食な骨が脆化してしまう．このような観点から，インプラント

物の咀嚼・摂取や構音などを良好に保つために重要であり，に使用される材料に空孔を導入することで弾性率を低下させ

食事や会話を楽しむなどの QOL 向上に大きく寄与する．まる試みが数多く報告されており(5)(6)，多孔質構造(ラティス

た，生涯にわたり自分の歯でものを噛むことを目的とした構造)に注目が集まっている．

「8020運動」も提唱されている．しかしながら，歯はうや多孔質構造を有する新たなインプラント作製手法として歯周病により損失する可能性があり，歯を損失した場合の3D 金属積層造形法が注目されている．本手法は極めて高い

QOL 低下は避けられないのが現状である．

形状設計自由度を有することから，外形上の最適化や，応力

こうした中で，近年では加工や表面処理により材料あるい遮蔽の緩和を目的とした内部多孔質構造の創成に有効である

は生体組織自体に複数の機能性を持たせ QOL を維持する取と考えられている．また，造形物の特異な金属組織(7)や機械り組みが注目されている．それらの取り組みは著者らがまと的性質(8)を利用したインプラントの多機能化に関する研究もめたもの(1)も含めて数多くの論文，記事が執筆されているの精力的に行われおり，同手法によりカスタマイズされた，長でぜひ参考にされたい．本稿では表面の高機能化を目的とし寿命かつ高機能なインプラントの実用化が期待されている．

たもののうち，「加工」と「歯科治療」をキーワードとした

この金属積層造形法を「加工」の視点から考えると，既存著者らの研究について 3 つの具体的な事例を挙げながら概の技術においてインプラントの機能発現に期待が持てる多孔説する．

質構造を造形できる手法は現時点では Powder Bed Fusion(PBF)法であるといえる．ただし，この PBF 法による造形

. 3D 金属積層造形を応用した微細ラティスコーテ
ィングの開発体は，平坦な面での造形に限定されるとともに，レーザある
いは電子ビーム照射によって金属粉末には高いエネルギが投入されることから，造形条件によっては造形体内部に欠陥が現在普及しているインプラント(歯科インプラント)には，生じる，あるいは熱ひずみや残留応力が発生するといった問

東北大学大学院工学研究科准教授(〒980
8579 仙台市青葉区荒巻字青葉 6601)
High Functionalization and Multifunctionalization of Dental Materials from the Viewpoint of Manufacturing; Masayoshi Mizutani(Graduate School of Engineering, Tohoku University, Sendai)
Keywords: additive manufacturing, laser processing, PJD (powder jet deposition), bioimplants, biomaterials, surface texturing, LIPSS (laser
induced periodic surface structure), multifunction, antibacteria
2022年 7 月13日受理[doi:10.2320/materia.61.739]

ま て り あ 第61巻 第11号(2022)
Materia Japan題もある．また，高価な粉末を多量に使うことや，長い造形
時間など，解消すべき課題も残されている．
一方，金属積層造形法の 1 つである Direct Energy Deposition(DED)法では，PBF 法とは異なり，粉末を平坦に敷き詰める必要がないため，曲面をもつような素材上にも造形することができることが大きな利点である．また PBF 法では製品すべてを粉末の溶融によって得る必要があったが，本手法ではある程度出来上がった製品(バルク材)の表面に，必要

図1

微細ラティスコーティングによる造形例．

な分だけ造形(コーティング)することができる．このような特徴を生かすことで，金型やタービンブレードなど高額部品の欠損補修に用いられている．ただしこの手法の場合，加工点に対する強いガス流の影響などにより，ラティス構造のよ
うな任意の形状の多孔質構造体をサポート体なしで造形することは極めて難しい．
そこで著者らは，機能を持つ 3D 構造を製品表面に付与するというコンセプトのもと， PBF 法が得意とする微細なラティス構造を， DED 法のように曲面などの形状表面へ造形(コーティング)可能とする新たな技術の開発を行っている．
本技術を著者らは『微細ラティスコーティング』と名付けている．なお，詳細については参考文献を参照された
図2

い(9)(11)．微細ラティスコーティングの概念を示した造形サ

デンタルインプラント模式図(12)．

ンプルを図に示す，同図は市販品の直径 6 mm の純チタン
製丸棒の円周部表面に対して，純チタン粉末とレーザによるラティス構造を形成したものであり，各部材構造(梁，柱構てインプラント体の形状を作り，その表面の一部，つまり低造)の幅は約 0.1 mm を達成している．微細ラティスコーテ

弾性率化やオッセオインテグレーションなどの機能が必要な

ィングの特徴は次の 4 点でまとめることができる．(I)機能ところにのみ，ラティス構造を始めとする特徴的な構造を造発現のために必要な微細性を有するラティス構造を造形でき形することが可能になる．これによりインプラントの必要なること，(II)任意の自由曲面上に造形できること，(III)機能部位に，望むべく機能を付与することが可能になる．

発現に必要な部位に必要な量だけ造形できること，( IV )母
材への入熱が少なく，熱変形が限定的であることである．なお( IV )の熱変形に関して，積層造形はあくまで金属粉末を.

超短パルスレーザによる自己組織的微細構造の創成と材料の多機能化

用いた溶接技術であるので，母材に対する熱ひずみは避けては通れない．ただし，本技術ではラティス構造の微細性を前歯科インプラント治療の著しい普及に伴い，インプラント

提としているため，母材への入熱は通常の造形手法よりも抑周囲に炎症を起こす「インプラント周囲炎」の罹患率も増加

制されることを意味している．

している．具体的には，インプラント治療を受けた患者の微細ラティスコーティングの具体的な適用先の一つとし11 ～ 47 が 5 ～ 10 年でインプラント周囲炎に罹患することて，歯科インプラントを考えている(図(12) )．歯科インプが報告されている．インプラント周囲炎は機能的に骨結合がラントの人工歯根部は冒頭で述べた低弾性率化に加えて，埋得られたインプラント体周囲に生じた炎症によって，インプ入後の早期オッセオインテグレーションが必要である．このラント周囲の支持骨が消失する病態を示しており，いわゆるためにインプラントをポーラス金属で作り，気孔内部への骨インプラントと骨との境界面の破壊といえる．インプラント

成長によるアンカー効果を狙った事例がある．しかしながら

周囲炎は天然歯の歯周病と比べ，進行は速いが症状が出にく

この場合，インプラント自体の疲労破壊の懸念があるこ

いため，重度になるまで気づきにくい．そのため，治療の遅と(13)や，人工歯根上部の表面には口腔内の雑菌を歯肉や皮れによるインプラントの動揺・脱落の危険性がある．このよ

質骨の密着によって封鎖することが必要不可欠なことから，

うなインプラントと骨との界面での“破壊”をもたらすイン

平滑面もしくは規則正しい円周溝が作られていることが多い

プラント周囲炎であるが，現時点ではその発症を防止する，こと(14)(15)を考えると，ポーラス金属から削り出した人工歯

あるいは治療する適切な方法は確立されていない．

根の実用化は難しいのがわかる．同様に PBF 法で作った人

インプラント体周囲の疾患は細菌の付着に始まる．そこ

工歯根でも，少なからず内部欠陥が発生しており，その欠陥で，インプラント表面に抗菌性を付与することが予防策としが表面に現れることは避けようがない．これに対して著者らて有効であり，数多くの研究がなされている．中でも表面のが提案する微細ラティスコーティングでは，従来工法によっ

幾何学的な構造によって細菌の付着を防ぐ手法では，細菌付



特

集

着抑制の機序が基材表面の構造による作用であり，薬剤を用る(図)(22)．

いることなく長期的効果が期待できるため，生体に対する安

ただし同研究により骨との生着には成功したものの，それ全性を維持しつつ効果が得られる手法として研究，開発が進らと被処理面との生着には少なくとも数日を要し，その間にめられている．すなわち，細菌付着抑制表面の達成には表面

インプラント周囲に不具合をもたらす細菌の侵入を許してしの幾何学的な構造の制御が鍵となる．そうした中で著者らまう可能性が懸念され始めている．そのため最近では細胞とは，歯科インプラントの素材として広く用いられるチタン材の親和性と抗菌性を両立するインプラント(デュアル(マルを対象とし，レーザ加工により表面に機能性を付与する研究チ)ファンクションを有するインプラント)の開発が注目されを行っている．

ている．このためには，細胞に比べてサイズの小さい(サブレーザ加工を利用してインプラントに機能を付与する研究の根幹は，その表面にナノからマイクロオーダの表面構造を

ミクロンオーダの)細菌に対して効果的に抗菌作用(付着抑制作用)を発現させる幾何学的構造の創成が必須である．

創り，細胞や組織の接着・接合を制御する発想にある．このこの点に対して著者らは，超短パルスレーザ加工の適用を方法で創り出される構造は，ある一定の間隔で周期的に配列進めている．超短パルスレーザ(フェムト秒レーザ，ピコ秒されたものである場合がほとんどであり，接着・接合した細レーザ)と呼ばれるレーザでは，そのパルスの短さから非熱胞や組織の配向性まで議論できる点において特徴的である．

的な加工が可能になるため，マイクロオーダの微細かつスム

また，使用するレーザの種類によって創り出される構造のサースな構造を得ることが可能である．さらに，ある特定の条

イズや周期，形態は様々であり，求められる機能によって使件でレーザを照射すると，LIPSS(Laser Induced Periodic

い分けがなされている．

Surface Structure)と呼ばれるレーザ波長に依存した(ナノオ

例えば，熱的現象を利用して材料を加工する汎用レーザにおいても表面機能に関連する研究が進められている(16)(17)．

ーダの)間隔の周期的な構造を自己組織的に創り出すことが可能になる(23)(27)．

一般的なレーザ加工では入熱現象に伴う材料除去が行われ

著者らは，この LIPSS (レーザ誘起微細周期構造)と呼ばる．この過程において，蒸発した被処理材や，周囲の気体がれる特殊な構造の自己組織的創成現象を応用して，任意の領加工中にさらに加熱されることによってプラズマ化した結域に異なる構造を創成することに成功している．この構造は果，被処理材が飛散し，周囲に付着するといった現象が生じ通常のサブミクロンオーダの微細かつ周期的な溝はもちろる．これをうまく利用すると，通常のレーザ加工で生じるマん，条件によってはピラー状の形状を有する構造を創成する

イクロメートルオーダの溝構造の中に，粒状の微細な凹凸がことも可能になる(図)(28)(29)．また，もともと溝形状を有存在する特徴的な表面の創成(図)が可能になる(18)(21)．産する面(30)や，粒子上の凹凸が存在する面(31)にレーザを照射

業用途でレーザ加工を利用する場合，加工によって得られる

した場合には，これまで報告されてきた LIPSS の創成理論

溝構造の粗化を招くため，シールドガスなどによってこのよ
うな被処理材の付着現象が起きないような工夫がなされる
が，インプラントの表面ではこの特徴的な表面構造がアドバ
ンテージとなる．
現に著者らはこれまで，歯科インプラントの歯根部に対してナノ秒レーザ加工を用いた表面改質を行い，細胞や軟組織との親和性を向上させる研究を行ってきた．具体的には，加工時に被処理材表面に熱が加わることで生じる酸化反応を利用して，「幾何学的構造」と「表面性状(結晶構造)」を同時に制御するという研究を行い，その結果として骨芽細胞との親和性を向上させることに成功している．さらに同手法によ

図4ナノ秒レーザによる骨形成能向上(22)．(オンラインカラー)

図5

レーザ照射条件や経路に応じたレーザ誘起微細周期構造(LIPSS)の変化．(オンラインカラー)

り，ラットへの埋入試験による病理組織学的な評価においても良好な「骨との生着」を獲得できることを明らかにしてい図3

ナノ秒レーザによって創成される微細構造(21)．

ま て り あ 第61巻 第11号(2022)
Materia Japan




図7

図6

積層造形面に創成されたナノピラー構造．

成膜前後の抜去歯の色調変化．(オンラインカラー)

用であることがすでに臨床試験により実証されている(41)．
一方で，審美機能の観点では純粋な HA 膜では下地の隠とは異なる構造が創成されることも実験的，解析的に解明し蔽性に乏しく， PJD 法の審美歯科治療への応用は現時点でている．例えばこの現象を踏まえ，2 章で述べた積層造形技は実現されていない．そこで著者らは， PJD 法による新た術と超短パルスレーザ照射を組み合わせると，図に示すよな機能発現を期待し，インプラント材として利用が拡大してうなマイクロサイズの凹凸の中にサブミクロンからナノサイ

いる ZrO2 の粒子を HA 粒子と複合し成膜することで歯面・ズの微細なピラー状の構造が存在する特徴的な構造を創成す

歯冠の色調を制御し，審美性を兼ね備えた膜の形成に取り組ることも可能になる(31)．

んでいる．

こうして得られた構造上では，その構造に合わせて細胞の図がその結果の一例であるが，成膜後の抜去歯面には成配向性が変化するとともに，細胞の分化が促進されるなどの膜前には認められない白色膜が観察されている．また，膜周知見も得られている(32)(35) ．また，ピラー状の構造では抗囲の歯面には成膜によるエナメル質の破損やクラックは観察

菌性が発現されるといった知見も得られていること(36) からされなかった．本研究に関する紹介は，本稿では以上に留め

も，著者が創成した種々の構造の可能性が期待できる．

るが，この結果は PJD 法がうや予防歯科治療だけでな
く，審美歯科へも適用できる可能性を示すものであり，新た.

PJD(パウダージェットデポジション)法による歯面・歯冠の審美機能制御(37)な歯科治療法としても期待できる．

.

お

わ

り

に

近年，歯科医療分野では生体機能の回復・改善に加え，審美歯科治療の需要が高まっている(38) ．従来の審美歯科治療

本稿では，「歯科治療」に対して「加工」によって機能をでは，コンポジットレジンやセラミックスなどの歯科修復材付与する，あるいは追加する方法について，著者らの最新の料を，接着性材料を介して歯面や歯冠に直接的に充填・被覆

研究成果をもとに概説した．本稿で挙げた 3 つの加工プロする治療法が一般的である(38)(39)．一方，現行の歯科修復材

セスは，いずれも産業界では広く知られた技術ではあるが，料と歯質の化学的・機械的特性が大きく異なることから，前医療分野への適用はまだまだ多くの可能性を秘めている．詳者に微小漏洩や疲労破壊，溶解が生じ，結果として修復物が細は本稿で述べた通りであるが，プロセス中に生じる物理現脱離したり齲が発生したりすることが問題となってい象と化学反応を積極的に活用することにより，生体・医療材る(40)．そこで，接着性材料を介さず直接的に歯質と同等の料として求められる複数の機能を同時に発現させることも可

材料で歯冠を修復する新たな審美歯科治療法が求められてい能になる．現時点では安全性も含めて未解明の部分が多く残る．この点に対して著者らは，常温大気圧下での膜形成手法

されているが，新材料開発分野，あるいは医歯学分野の専門で あ る パ ウ ダ ー ジ ェ ッ ト デ ポ ジ シ ョ ン ( PJD: Powder Jet

家とも連携し，実用的な視点で評価を進める必要がある．

Deposition )法を提案しており，本手法を歯科治療に適用することを考えている． PJD 法については，著者らがまとめ文献たもの(37) も含めてこれまでに数多くの論文，書籍が発行されているので詳細は省くが， PJD 法における成膜は粒子の衝突界面近傍の材料のみが衝突作用により数 ns 以内に塑性変形して対象物に付着し，その繰り返しにより膜が形成される現象を利用している．このとき粒子と基板との間では化学的な結合が形成されており，基板に高強度で付着していることも明らかとなっている． PJD 法を利用してヒト歯の主成分であるハイドロキシアパタイト(Ca10( PO4)6(OH)2，以下HA )膜を形成する技術は，補綴および予防歯科の分野で有( 1 ) 水谷正義，大塚雄市，菊池将一材料，68(2019)，723729.
( 2 ) 塙 隆夫防錆管理，46(2002)，286292.
( 3 ) 岸 輝雄チタンテクニカルガイド―基礎から実務まで―，
内田老鶴圃，(1993)，202.
( 4 ) 中野貴由スマートプロセス学会誌，3(2014)，167174.
( 5 ) I. H. Oh, N. Nomura, N. Masahashi and S. Hanada: Scr.
Mater., 49(2003), 11971202.
( 6 ) Q. Ye, G. He: Materials & Design, 83(2015), 295330.
( 7 ) C. Qiu, C. Panwisawas, M. Ward, H. C. Basoalto, J. W. Brooks
and M. M. Attallah: Acta Mater., 96(2015), 7279.

特集

( 8 ) 京極秀樹，池庄司敏孝，図解 金属 3D 積層造形のきそ，日刊工業新聞社，(2017)，133137.
( 9 ) 前花英一，石橋信治，嶋田慶太，水谷正義，厨川常元砥粒加工学会誌，61(2017)，40
46.
( 10 ) 前花英一，長森亜弓，石橋信治，溝井琢巳，嶋田慶太，水谷正義，厨川常元砥粒加工学会誌，62(2018)，527534.
( 11 ) 前花英一，臼沢太一，石橋信治，嶋田慶太，水谷正義，厨川常元砥粒加工学会誌，64(2020)，39
46.
( 12 ) Nobel Biocare 社ウェブサイト https: // cellcode.us / quotes /nobelbiocare locatorsdenture.html，(参照日 2018年 5 月
1 日)．
(13) H. Noriyuki: J. Soc. Mater. Sci., 63(2014), 417423.
(14) K. Horiuchi: J. Japanese Soc. Oral Implantol., 29(2016), 208
218.
(15) 船登彰芳他The Fabric of the Modern Implantology 近代インプラント治療のテクニックとサイエンス，(2017)，4359.
(16) J. L. Ricci and L. Terracio: Inter. Dentarl Journal, 61(2011),
210.
(17) R. Guamieri, G. Rappelli, M. Piemontese, M. Procaccini and A.
Quaranta: Inter. J. Oral & Maxillofacial Implants, 31(2016),
11171125.
(18) M. Mizutani, R. Honda, Y. Kurashina, J. Komotori and H.
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(19) M. Mizutani, N. Masuko, R. Honda, R. Murakami, J. Komotori
and T. Kuriyagawa: J. J. Society for Abrasive Technology, 59(2015), 1722.
(20) M. Mizutani, A. Yuda, J. Komotori K. Shimada and T.
Kuriyagawa: J. J. Society for Abrasive Technology, 61(2016),
3539.
(21) Y. Kurashina, A. Ezura, R. Murakami, M. Mizutani and J.
Komotori: Inter. J. Materials Science: Materials in Medicine,30(2019), Article 57(19).
(22) Y. Fukayo, T. Amemiya, K. Nakaoka, M. Mizutani, J.
Komotori, Y. Hamada, and T. Hayakawa: J. Hard Tissue Biology, 25(2016), 181194.
(23) S. Sawada, K. Kawahara, T. Ninomiya, K. Kurosawa and A.
Yokotani: J. J. Society for Precision Engineering, 69(2003),
554558.
(24) S. Kodama, A. Shibata, S. Suzuki, K. Shimada, M. Mizutani
and T. Kuriyagawa: Inter. J. Automation Technology, 10(2016), 639646.
(25) S. Kodama, S. Suzuki, A. Shibata, K. Shimada, M. Mizutani
and T. Kuriyagawa: Inter. J. Automation Technology, 12(2018), 868875.
(26) S. Kodama, S. Suzuki, K. Hayashibe, K. Shimada, M. Mizutani
and T. Kuriyagawa: Precision Eng., 55(2019), 433438.
(27) S. Kodama, K. Shimada, M. Mizutani, and T. Kuriyagawa: In-

ま て り あ 第61巻 第11号(2022)
Materia Japanter. J. Automation Technology, 14(2020), 552559.
(28) L. Chen, Y. Zhang, S. Kodama, S. Xu, K. Shimada, M. Mizutani, T. Kuriyagawa: Precision Eng., 72(2021), 556567.
(29) L. Chen, Z. Chen, K. Shimada, M. Mizutani, T. Kuriyagawa: J.
Materials Processing Technology, 305 (2022), 117601.
(30) R. Takase, S. Kodama, K. Shimada, H. Mescheder, K. Winands, J. Piepe, K. Arntz, M. Mizutani, T. Kuriyagawa: Inter.
J. Automation Technology, 14(2020), 601613.
(31) L. Chen, Z. Chen, K. Shimada, M. Mizutani, T. Kuriyagawa:Appl. Surf. Sci., 572(2021), 151453.
(32) T. Shinonaga, M. Tsukamoto, T. Kawa, P. Chen, A. Nagai and
T. Hanawa: Appl. Phys. B: Laser and Opt., 119(2015), 493
496.
(33) A. Matsugaki, G. Aramoto, T. Ninomiya, H. Sawada, S. Hata,
and T. Nakano: Biomaterials, 37(2016), 134143.
(34) M. MartáƒnezCalderon, M. MansoSilv áan, A. Rodráƒguez, M.
G áomezAranzadi, J. P. GarcáƒaRuiz, S. M. Olaizola and R. J.
MartáƒnPalma: Sci. Rep., 6(2016) 110.
(35) P. Chen, T. Aso, R. Sasaki, M. Ashida, Y. Tsutsumi, H. Doi
and T. Hanawa: J. Biomedical Materials Research Part A, 106(2018), 27352743.
(36) A. H. A. Lutey, L. Gemini, L. Romoli, G. Lazzini, F. Fuso, M.
Faucon, R. Kling: Sci. Rep., 8(2018), 110.
( 37 ) 水谷正義，久慈千栄子，大久洋幸，西村俊亮，水谷公一，赤塚亮，佐々木啓一，徐少林，嶋田慶太，厨川常元砥粒加工学会誌，61(2017)，28
33.
( 38 ) 田上順次，千田 彰，奈良陽一郎，桃井保子，水末摩美第四版 保存修復学21，永末書店，(2011)．
(39) M. Fukushima: Niigata Dent. J., 39(2009), 1
15.
(40) K. Izumita: Interface Oral Health Science, Tohoku University
School of Dentistry, C21 (2016), 257.
(41) R. Akatsuka, K. Izumita, A. Nishiyama, C. Kayaba, S. Kadota,
T. Hoshi, K. Ikeda, T. Kuriyagawa, K. Sasaki: Open J.
Stomatology, 5(2015), 281286.
★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★
水谷正義
2006 年 慶應義塾大学大学院理工学研究科後期博士
課程修了
2006
2009年 理化学研究所 協力研究員
2009
2012年 理化学研究所 基礎科学特別研究員
2012年10月 現職
専門分野生産・加工学，材料科学◎加工による材料界面制御技術の開発に従事．
機械加工から特殊加工，積層造形など複数の加工プ
ロセスを利用・援用し，材料界面(バイオインター
フェースを含む)の機能を制御する研究が中心．

★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★

アパタイト核を用いた界面制御による生体活性機能材料の創成
薮

塚

武

史

替材料の開発につながる．すなわち，生体環境において表面.

生体活性硬組織代替材料の設計指針にアパタイトの層が形成する性質を材料に付与する界面制御技術の構築が，臨床応用へ向けた課題解決策の候補となると超高齢社会の今日，疾患等で損傷した骨や関節等の運動器考えられる．

の治療を支援する硬組織代替材料の需要が高まっている．一

生体環境における生体活性材料表面でのアパタイト層の形

般に，人工材料を生体環境で用いる場合，埋入後に想定され成は， Kokubo らによって提案された擬似体液( Simulated

る炎症反応やアレルギー反応の発現の有無等，物質の安全性

body fluid; SBF)中で再現できる(7)(8)．SBF はヒトの血漿とを考慮することが必要不可欠である．しかし，たとえ生体環

ほぼ等しい無機イオン濃度に調整した水溶液である．生体活

境に埋入する物質が無害であっても，生体は通常，生体環境性セラミックスの多くは生体環境と同様の反応により，SBFに埋入された材料を防御反応によって周辺組織から隔離する中で表面にアパタイトを常温常圧で形成する． SBF 浸漬にように働くため，材料と骨組織との界面で緩みが生じ，骨欠よる材料の生体活性評価は，いくつかの例外が指摘されてい損部での材料の固定が妨げられてしまう(1)．したがって，人るものの，動物実験を実施する前段階で材料の骨結合能をあ工関節等の多くは交換手術が必要とされ，患者への侵襲性のる程度予測できることから有用であり，国際標準規格( ISO

点で課題が残されている．

23317)に定められている(9)．

1970 年代， Hench らによって，骨と結合するセラミック

ス( Bioglass)(2) が世界に先駆けて発明された．その後，水.

アパタイト核を用いた生体活性機能設計

酸アパタイト( Ca10 ( PO4 )6 ( OH )2 )焼結体(3) ，結晶化ガラス
A W ( Cerabone)(4) 等，生体環境で骨組織とセメントレス

生体活性セラミックスは優れた臨床成績を収めたが，耐衝で一体化する生体活性セラミックスが開発され，実用化に至撃性に乏しいという課題があり，生体活性セラミックス単独った．これら生体活性セラミックスの多くは，生体環境で材からなる硬組織代替材料は適用可能な損傷部位が限定的であ料表面に骨組織の主要な無機成分であるアパタイトの層を形る．とりわけ，大荷重のかかる股関節，膝関節等への生体活

成し，材料骨組織界面に繊維組織が介在することなく材料

性セラミックス単独での適用は困難である．したがって，機が骨組織と結合することが明らかにされている(5)(6)．生体内

械的強度に優れる金属材料や，圧縮強度に優れるジルコニア

環境下において材料表面にアパタイトの層が形成されると，等の高強度セラミックス，さらには軽量かつ耐衝撃性に優れアパタイトは骨の主成分であることから，細胞は材料を異物る有機高分子材料への生体活性付与が可能となれば，材料科として認識せず，材料が骨欠損部で固定される(1)．

学のみならず臨床医学への大きな波及効果が期待される．

上述の生体活性発現メカニズムを，硬組織代替材料を対象

SBF の調製では，ISO 23317で規定された無機物質を純水用途とした材料機能設計指針の一つとして捉えることで，生に溶解して作製した水溶液に，トリス緩衝剤を用いて水溶液

体環境で自然に骨組織と一体化する新たな生体活性硬組織代の pH を上昇させた後，塩酸を用いて最終的な生理的 pH に

京都大学大学院エネルギー科学研究科エネルギー基礎科学専攻講師(〒606
8501 京都市左京区吉田本町)
Development of Bioactive Functional Materials by Interfacial Control Using Apatite Nuclei; Takeshi Yabutsuka(Department of Fundamental Energy Science, Graduate School of Energy Science, Kyoto University, Kyoto)
Keywords: apatite nuclei, bioactivity, interfacial control, zirconium alloy, yttriastabilized zirconia, carbon fiberreinforced polyetheretherketone,
apatite capsules
2022年 7 月 1 日受理[doi:10.2320/materia.61.744]



特

集

の展開が有望視されている．
ジルコニウムはチタンと同様に，表面に不動態を形成する
性質を有する．しかし，ジルコニウムは生体内でその表面にリン酸ジルコニウムを優先的に形成すると報告されており，
オッセオインテグレーション(光学顕微鏡レベルで骨と密着する性質)を示さない(28)．そこで筆者らは，細孔を形成させたジルコニウム合金の細孔にアパタイト核を析出させ，ジル
図1

アパタイト核機能による界面制御に着目した生体活性
硬組織代替材料の開発．

コニウム合金に生体活性を付与する試みを行った(22)．
ここでは，汎用ジルコニウム合金の一種である Zr Sn 合金への適用例を紹介する．はじめに，ZrSn 合金表面に細孔を形成するため，ZrSn 合金の硫酸処理を行った．電界放出調整される(8)(9)．一方，過剰なトリス緩衝剤を SBF に溶解型走査電子顕微鏡( FE SEM )，レーザー顕微鏡を用いて表させると， SBF がリン酸カルシウムに対してより過飽和に面性状を分析したところ，硫酸処理の効果により試験片表面なるため， SBF 中にリン酸カルシウムの微粒子が析出す

全体に細孔が形成され，表面粗さが顕著に増加することがわ

る．八尾らは，この微粒子が生理的条件に調整した SBF 中

かった．硫酸処理により細孔を形成した Zr Sn 合金には，で早期にアパタイト形成を誘起することを見出し，この微粒

下記に示すアパタイト核処理によりアパタイト形成能の付与

子をアパタイト核(Apatite nuclei)と名付けた(10)．さらに筆が可能である．まず，通常の SBF 調製に使用するリン酸水

者らはこの現象を応用し，前もって表面に細孔を形成させた

素二カリウム三水和物，塩化マグネシウム六水和物，塩化カ

基材の孔内にアパタイト核を析出させることで，金属，セラルシウムを用いてヒトの血漿と等しいカルシウムイオン濃ミックスからポリマーにいたる多種多様な材料に高いアパタ

度，リン酸水素イオン濃度，およびマグネシウムイオン濃度

イト形成能を付与できることを見出した(図)(11) ．筆者らに調節した水溶液を調製し，塩酸とトリス緩衝剤を用いてはこの界面制御技術を用いることで，純チタン(12) ，チタン

pH＝8.20, 25.0°
Cに調整した反応溶液を調製した．以後，こ合金(13)(14)等の，生体活性の発現に長期間を要する硬組織代の水溶液を modified SBF と称する．硫酸処理後の Zr Sn

替材料のアパタイト形成能が大幅に向上されること，さらに合金を modifiedSBF に浸漬し，70°
Cで10時間保持した．以は SUS316L 鋼(15)， Co Cr 合金(16) ，超高分子量ポリエチレ

上の操作を行うことで，ZrSn 合金表面および細孔にアパタン(17) ，ポリエーテルエーテルケトン( PEEK )(18)(21) 等の，イ ト 核 が 析 出 し ( 図( a ) ) ， エ ネ ル ギ ー 分 散 型 X 線 分 析

骨と結合しない生体不活性な硬組織代替材料へのアパタイト(EDX)ではアパタイト核に含まれる Ca のピークが検出され形成能付与も可能になることを見出した．本稿では，この界た(図 2(b))．さらに，フーリエ変換赤外分光分析(FTIR)

面制御技術の各種生体不活性硬組織代替材料への適用例としではリン酸塩の形成を示唆する P O 伸縮の吸収バンドが検て ， ジ ル コ ニ ウ ム 合 金(22) ， イ ッ ト リ ア 安 定 化 ジ ル コ ニ出された．

ア(23)，炭素繊維強化 PEEK(24)へのアパタイト形成能付与に得られた生体活性 Zr Sn 合金の生体模倣環境下におけるついて概説するとともに，アパタイト核を用いたアパタイト

アパタイト形成能を SBF 浸漬試験により調べた．SBF 浸漬

カプセル(25)(27)の開発についても紹介する．

.

ジルコニウム合金へのアパタイト形成能付与―金属を対象として整形外科領域では，硬組織代替材料の大部分が金属で占められている．金属がセラミックスやポリマーと比較して優れている点は，強度，延性，靭性等の力学特性であり，金属は人工股関節や人工膝関節のような大荷重のかかる患部の代替に欠かすことのできない材料である．
ジルコニウムはチタンと同族であり，チタンと同様に生体適合性に優れている．硬組織代替材料におけるジルコニウムの特筆すべき点はその低い磁化率にある．一般に，金属はMRI や CT などの強磁場環境下において磁化されやすく，

アーチファクトが生じ造影を妨げるという課題がある．ジルコニウムの磁化率はチタンの磁化率の 1 / 3 程度と低く，磁気共鳴画像診断(MRI)やコンピューター断層撮影(CT)における金属アーチファクトを抑制する次世代医療用金属として

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Materia Japan

図2

生 体 活 性 Zr Sn 合 金 表 面 の ( a ) FE SEM 写 真 ， ( b )EDX スペクトルならびに (c) SBF 浸漬 1 日後におけるFE SEM 写真．( d ) 未処理，硫酸処理後，アパタイト
核処理後，SBF 浸漬 1 日後の薄膜 X 線回折パターン．



1 日後の生体活性 ZrSn 合金表面を FESEM で観察したところ， SBF 中で形成されるアパタイトに特徴的な鱗片状結晶が ZrSn 合金表面全体を被覆していることがわかった(図2(c))．さらに，SBF 浸漬 1 日後の試験片表面においてアパ

タイトの X 線回折ピークが検出されたことから(図 2(d))，
ZnSn 合金表面において SBF 浸漬後 1 日以内にアパタイトの形成が誘起されたことがわかった．以上のことから，硫酸処理により細孔を形成させた Zr Sn 合金をアパタイト核処理することで， SBF 中で早期に発現するアパタイト形成能が ZrSn 合金に付与されることがわかった．
ZrSn 合金に対するアパタイト層の接着を評価するため，上述の生体活性 ZrSn 合金を SBF に14日間浸漬してアパタ
イト層を表面全体に形成し，引張試験を行ったところ，破断時の最大点応力は 6.9±2.6 MPa であった．一方，硫酸処理による細孔形成を行わずに同様の操作を行った場合の値は4.3±1.4 MPa であった．両者の値は，t 検定において有意水

準 0.05 で 有 意 な 差 が 認 め ら れ た ． 引 張 試 験 後 の 破 断 面 を

図3

生体活性イットリア安定化ジルコニア表面の ( a ) FE 
SEM 写真，( b ) EDX スペクトルならびに ( c ) SBF 浸
漬 1 日後における FE SEM 写真．( d) アパタイト核処
理後，SBF 浸漬 1 日後，SBF 浸漬 7 日後の薄膜 X 線回折パターン．

FE SEM, EDX を用いて調べたところ，硫酸処理を行わなかった合金とアパタイト層の界面ではアパタイト層が概ね剥離したのに対し，硫酸処理を行った合金では広範囲でアパタ
イト層内部での破断が認められた．合金母材の破断は観察さ環境下におけるアパタイト形成能を SBF 浸漬試験により調れなかった．以上の知見から，硫酸処理により合金の表面粗

べた． SBF 浸漬 1 日後の生体活性イットリア安定化ジルコ

さが増大し，表面に形成したアパタイト層との間に生じるイ

ニア表面を FESEM で観察したところ，イットリア安定化

ンターロッキング効果が大きくなったことが示唆された．

ジルコニア表面全体をアパタイトの鱗片状結晶が被覆していることがわかった(図 3(c))．さらに，SBF 浸漬 1 日後の試.

イットリア安定化ジルコニアへのアパタイト形成
能付与―セラミックスを対象としてたことから(図 3( d))，イットリア安定化ジルコニア表面にジルコニアは，アルミナと並ぶ代表的な高強度硬組織代替れたことがわかった．以上のことから，フッ化水素酸処理にセラミックスであり，整形外科における人工股関節の摺動部より細孔を形成させたイットリア安定化ジルコニアをアパタのほか，機械的強度と審美性を両立することから，歯科領域

イト核処理することで，金属と同様に SBF 中で早期に発現においても最も重要な材料の一つとして挙げられる．しかするアパタイト形成能がイットリア安定化ジルコニアに付与

し，ジルコニアも生体不活性な材料であり，骨と結合しなされ，本界面制御技術が生体不活性セラミックスへのアパタい．そこで筆者らは，酸エッチングによりミクロな凹凸を形イト形成能付与にも有効であることが示された．

験片表面においてアパタイトの X 線回折ピークが検出されおいても SBF 浸漬後 1 日以内にアパタイトの形成が誘起さ成させたイットリア安定化ジルコニアの表面および細孔内にイットリア安定化ジルコニアに対するアパタイト層の接着

アパタイト核を析出させ，イットリア安定化ジルコニアにアを評価するため，上述の生体活性イットリア安定化ジルコニ

パタイト形成能を付与する研究を行った(23)．

アを SBF に 14日間浸漬してアパタイト層を表面全体に形成

まず，イットリア安定化ジルコニア表面に細孔を形成する

し，引張試験を行ったところ，破断時の最大点応力は 8.0±

ため，イットリア安定化ジルコニアのフッ化水素酸処理を行

1.7 MPa であった．一方，フッ化水素酸処理による細孔形った． FE SEM ，レーザープローブ式非接触三次元測定装成を行わずに同様の操作を行った場合の値は 4.5 ± 1.2 MPa

置を用いて表面性状を分析したところ，フッ化水素酸処理のであった．両者の値は，t 検定において有意水準 0.01で有意効果により試験片表面全体に細孔が形成され，表面粗さが顕な差が認められた．先述の生体活性 Zr Sn 合金の場合と同著に増加することがわかった．フッ化水素酸処理後のイット

様に，フッ化水素酸処理を行ったイットリア安定化ジルコニ

リア安定化ジルコニアを modifiedSBF に浸漬し，70°
Cで24

アでは，引張応力によりアパタイト層内部で破断したことが時間保持させたところ，ZrSn 合金と同様に，試験片表面おわかった．イットリア安定化ジルコニア母材の破断は観察さよび細孔にアパタイト核が析出し(図( a ))， EDX では Caれなかった．以上の知見から，フッ化水素酸処理によりイッのピークが検出された(図 3 ( b ))． FT IR においても， Zr 

トリア安定化ジルコニアの表面粗さが増大し，表面に形成しSn 合金と同様にアパタイト核の形成を示す PO 伸縮の吸収たアパタイト層との間に生じるインターロッキング効果が大バンドが検出された．

きくなったことが示唆された．

得られた生体活性イットリア安定化ジルコニアの生体模倣



特

集

.

炭素繊維強化 PEEK へのアパタイト形成能付与―ポリマーを対象として骨組織の弾性率は，緻密骨で約 20 GPa ，海綿骨で 4 ～ 10
GPa 程度であるとされる(29)．それに対し，金属製硬組織代

替 材 料 と し て 広 く 使 用 さ れ て い る Ti 6Al 4V 合 金 ，SUS316L 鋼 ， Co Cr 合 金 の 弾 性 率 は 100 MPa 以 上 で あり(28)，生体骨とかけ離れた高い値を有している．弾性率の高すぎる材料を骨欠損部に長期的に埋入した場合，材料周囲の骨には通常の骨よりも適切な荷重が掛かりにくいため骨代謝が妨げられ，材料周囲の骨が吸収される懸念がある．この現象はストレスシールディングと呼ばれ，硬組織代替材料の骨欠損部における緩みや再置換時の再骨折の懸念が指摘されている(30)．
スーパーエンジニアリングプラスチックの一種であるポリ
エーテルエーテルケトン(PEEK)は，優れた機械的強度，耐図4

生体活性炭素繊維強化 PEEK 表面の ( a ) FE SEM 写真，( b) EDX スペクトルならびに ( c) SBF 浸漬 1 日後
における FE SEM 写真．( d) 未処理，アパタイト核処
理後，SBF 浸漬 1 日後の薄膜 X 線回折パターン．

衝撃性，耐摩耗性，耐疲労性を有している．整形外科において， PEEK は脊椎ケージとして実用化に至っており，最近
ではその軽量性を活かした歯科補綴部材としての応用も検討( c ))．さらに， SBF 浸漬 1 日後の試験片表面においてアパされている．さらに， PEEK を同量の炭素繊維で補強した

タイトの X 線回折ピークが検出されたことから(図 4(d))，

炭素繊維強化 PEEK のヤング率は皮質骨と類似の値を有す

炭素繊維強化 PEEK 表面においても SBF 浸漬後 1 日以内にるため(約 18 GPa )，ストレスシールディングの課題を克服

アパタイトの形成が誘起されたことがわかった．以上のことすることが可能であり，既存の金属製硬組織代替材料に代わから，硫酸処理により細孔を形成させ，酸素プラズマ処理にるバイオマテリアルとして期待される．

より親水化した炭素繊維強化 PEEK をアパタイト核処理す

しかし PEEK も生体不活性であるため，骨組織と結合することで，炭素繊維強化 PEEK においても SBF 中で早期にることができない．そのため PEEK 製脊椎ケージでは，周発現するアパタイト形成能が付与されたことがわかった．こ辺の骨組織と癒合させるために自家骨を充填するための孔がの結果は，本界面制御技術が金属，セラミックスのみならず設けられている． PEEK の材料自体に高いアパタイト形成

ポリマーへのアパタイト形成能付与にも有効であることを示

能を付与することで， PEEK を用いた自家骨の移植に頼らしており，基材の幅広い種類選択性を示している．

ない低侵襲治療が可能になる．そこで筆者らは，アパタイト

上述の各処理段階における炭素繊維強化 PEEK 表面の親核を用いた生体活性処理を炭素繊維強化 PEEK にも適用

水性を水の接触角測定により調べた．その結果，未処理およし，細孔を形成させた炭素繊維強化 PEEK の表面および孔び硫酸処理後の炭素繊維強化 PEEK は疎水性を示したのに内にアパタイト核を析出させ，アパタイト形成能を付与する

対し，硫酸処理後に酸素プラズマ処理を施すと接触角の顕著試みを行った(24)．

な減少が観察された．このことから，酸素プラズマ処理によ

まず，炭素繊維強化 PEEK 表面に細孔を形成するため，り硫酸処理 PEEK の表面が超親水性へと変化し，それに次炭素繊維強化 PEEK の硫酸処理を行った．FESEM を用いぐアパタイト核処理後においても超親水性が保たれているこて表面性状を分析したところ，硫酸処理の効果により試験片とがわかった．そこで，各処理段階における炭素繊維強化

表面全体に孔径 500 nm 程度の細孔で構成される網目状構造

PEEK 表面の X 線光電子分光分析( XPS )を行った(図)．

が形成された．次いで，硫酸処理後の炭素繊維強化 PEEK

硫酸処理後の炭素繊維強化 PEEK 表面では，スルホ基由来を酸素プラズマで処理したのちに modifiedSBF に浸漬し，のピークが検出された．これは，芳香族環のスルホン化に由70 °C で 24 時間保持したところ，先述の Zr Sn 合金，イット

来すると考えられる．それに次ぐ酸素プラズマ処理後では，リア安定化ジルコニアと同様に，試験片表面および細孔にア

新たにカルボキシ基の形成に由来するピークがわずかに検出

パタイト核が析出し(図(a))，EDX ではアパタイト核に含され，スルホ基由来のピーク強度が顕著に増加していること

まれる Ca のピークが検出された(図 4(b))．

がわかった．このことから，酸素プラズマ処理後に炭素繊維得られた生体活性炭素繊維強化 PEEK の生体模倣環境下

強化 PEEK 表面が疎水性から超親水性へと変化したのは，におけるアパタイト形成能を SBF 浸漬試験により調べた．

カルボキシ基の新たな形成に加え，スルホ基の数の顕著な増SBF 浸漬 1 日後の生体活性炭素繊維強化 PEEK 表面を FE

加にも起因している可能性が示唆された．アパタイト核処理

SEM で観察したところ，炭素繊維強化 PEEK 表面全体をア後においては，炭素繊維強化 PEEK 表面がアパタイト核でパタイトの鱗片状結晶が被覆していることがわかった(図 4

覆われたため，スルホ基由来のピーク強度は顕著に減少し，

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Materia Japan




図5

未処理，硫酸処理後，酸素プラズマ処理後，アパタイ
ト核処理後における炭素繊維強化 PEEK 表面の XPS ス
ペクトル．

アパタイト核に含まれる Ca, P 由来のピークが明瞭に検出された．
また，高岡らは，上述の生体活性炭素繊維強化 PEEK を

図6

アパタイト核機能による界面制御に着目したアパタイ
トカプセルの開発．

図7(a) アガロースゲル内包アパタイトカプセルおよび (b)gFe2O4 微粒子内包アパタイトカプセルの FE SEM 写真．( c ) ウレアーゼ 0 mg ，ウレアーゼ 10 mg ，もしくはウレアーゼ 10 mg を固定化した g Fe2O4 微粒子内包
アパタイトカプセルを分散した尿素水溶液中における，ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドリン酸(NADPH)の吸光度変化．吸光度が低いほど尿素分解が進行していることを示している．

日本白色家兎の脛骨に埋入し，骨結合能を調べた(31)．その結果，生体活性炭素繊維強化 PEEK 表面における骨インプ
ラント接触率および骨との接着強度は未処理炭素繊維強化

ゲルを調製し，その表面にアパタイト核を付着させ，次いでPEEK の値を有意に上回り，生体活性炭素繊維強化 PEEK

このアガロースゲルを SBF に浸漬した．濾別されたアガロがきわめて良好な骨結合能を示すことが明らかとなった．

ースゲルを吸引濾過により回収し， FE SEM で観察したところ，無数の鱗片状結晶で構成されるマイクロレベルの微小.

アパタイトカプセルの開発―微粒子を対象として球が観察された(図(a))．また，粉末 X 線回折により，この微小球が低結晶性のアパタイトを含むことが明らかとなっアパタイト核を用いた界面制御は，バラエティーに富む材

た．粒子状のアガロースゲル表面でアパタイト核がアパタイ質の基材に適用可能であるだけでなく，様々な形状の基材にトの形成を誘起し，その結果，アガロースゲル表面がアパタも適用が可能であり，微粒子へのアパタイト形成能付与にもイトで被覆されたと考えられる．アガロースゲルおよびアパ有効である．微粒子の表面にアパタイト核を付着させ，さらタイトは生体に対する安全性がきわめて高いため，ドラッグにこの微粒子を SBF に浸漬することにより，微粒子表面のデリバリーシステムキャリア等への応用が期待される．

アパタイト核によりアパタイト形成が誘起される．その結また筆者らは，アパタイトを高効率な固定化酵素担体とし果，微粒子をアパタイトで被覆したコアシェル型のアパタイて用いることを目的として，gFe2O3 微粒子をアパタイトにトカプセルを作製することができる(図)．本手法は高温熱内包した磁性アパタイトカプセルの作製に着手してい処理を必要としないため，医薬品や遺伝子等，熱で変性してる(26)(27) (図 7 ( b ))．酵素と高い親和性を有するアパタイト

しまう物質を常温常圧でアパタイトに内包することも可能でのカプセルが磁性を示すことにより，アパタイトカプセルのある(32)．

表面に固定化した酵素を磁場により水溶液中から回収するこ一例として筆者らは，アガロースゲルを内包したアパタイとが可能である．磁性アパタイトカプセルの酵素回収能を検トカプセルの開発に着手している(25) ．粒子状のアガロース

証するため，磁性アパタイトカプセルをウレアーゼ溶液に分



特

集

散させてウレアーゼを表面に固定化後，カプセルをネオジム磁石で回収し，ウレアーゼ回収量を調べた．その結果，添加
カプセル量の増加に伴ってウレアーゼ回収量は増加し，ほぼ全量のウレアーゼが回収されることがわかった．さらに，カプセルに固定化したウレアーゼの酵素活性を調べるため，ウ
レアーゼ・ L グルタミン酸脱水素酵素法により尿素分解試験を行ったところ，時間経過に伴いほぼ完全に尿素を分解し，固定化後においてもウレアーゼは良好な尿素分解能を示
すことがわかった(図 7(c))．

.

結

語

骨と結合する材料は一部のセラミックスに限られるため，生体不活性な材料に高い生体活性を付与する試みはこれまでにも数多く試みられてきた．しかし，これまで報告されてきた手法の多くは対象材料が限られているケースがほとんどであり，ジルコニウム合金やイットリア安定化ジルコニア，炭
素繊維強化 PEEK 等の多種多様な材料への生体活性処理法の研究例は，純チタンやチタン合金と比較するとまだまだ少ない．本稿で提案した，アパタイト核を用いる界面制御技術
は，硬組織代替材料として魅力的な物性を有する各種マテリ
アルに生体活性を付与することで，新たな息吹を吹き込むことが可能である．また，アパタイト核を用いた生体活性処理
は微粒子にも適用が可能であるため，製剤化技術や遺伝子工学，環境科学等への波及効果も期待される．今後，優れた生
体機能を有するアパタイト核と様々な機能性材料を融合する
本手法をさらに発展させ，次世代型バイオマテリアルの設計
指針構築に貢献することが期待される．
本稿で紹介した研究の一部は，科学研究費補助金基盤研究
B ( 19H02442, 22H01791 )，京都発革新的医療技術研究開発

助成事業，イオン工学振興財団，関西エネルギー・リサイク
ル科学研究振興財団，京都大学創立125周年記念事業くすのき・125，生体医歯工学共同研究拠点，京都大学エネルギー
理工学研究所ゼロエミッションエネルギー研究拠点のご支援により遂行した．

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2009 年

薮塚武史

京都大学大学院エネルギー科学研究科エネルギー基礎科学専攻博士後期課程修了
2009年11月 京都大学大学院エネルギー科学研究科
エネルギー基礎科学専攻助教
2021年 8 月 現職
専門分野無機材料化学◎生物の営みに学んだセラミックス合成プロセスであるバイオミメティック法に着目し，生体内で多様な機能を発現するバイオマテリアルの開発に取り組んでいる．

★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★



層状構造をもつ無機化合物を応用した
医用機能材料の創製
中

.

は じ

め

に

.

村

仁

有機修飾された層状ケイ酸カルシウムからのイオ
ン徐放制御

骨組織は運動機能の中枢を担う臓器であり，損傷した骨組織を速やかに修復する材料の創出はとくに超高齢社会におけ

ケ イ 酸 カ ル シ ウ ム を 主 要 成 分 と す る ガ ラ ス ( Bioglass

る健康寿命の延長に直結する．事故や疾病に伴う自己治癒の45S5，組成45 wt SiO2, 24.5 wt CaO, 24.5 wt Na2O,

困難な骨損傷は，骨移植によって修復される．自家骨が主な

6.0 wt P2O5)がヒトの骨組織と結合する現象が見出されて移植片であるが，採取による健常部の損傷や採取量の制限が以来，ケイ酸カルシウム化合物は人工骨の重要な構成要素とあり人工の骨修復材料が併用されている．リン酸やケイ酸をなっている(3)．この種の化合物は生体内で体液と反応し，ハ含む化合物には骨と化学的に結合するものがあり，骨修復材

イドロキシアパタイトを形成する特性をもつ(4)．これらのハ料として用いられる．しかしながら，宿主由来の組織からな

イドロキシアパタイトを介して，骨組織との結合が生じる．

る自家骨に比べて組織再生を誘引する能力が乏しい．そのた

これは，カルシウムイオンが周囲の体液に溶け出し，ハイド

め，積極的な組織再生の誘引や細菌感染の抑止などの機能を

ロキシアパタイトに対する過飽和度を高めることで実現でき備えた骨修復材料が求められている．人工材料に骨組織再生る．さらに，ケイ酸カルシウム化合物と体液との反応によりを導く機能を与える因子として，骨形成を促すタンパク質や溶出される水溶性のイオン種は，骨芽細胞を遺伝的に刺激

薬剤，生命機能を司る無機イオンが注目されてきた．無機イ

し，増殖，分化，石灰化をもたらすことが知られている(5)(6)．

オンの例としては水溶性のケイ酸イオン種やコバルトイオン

ケイ酸カルシウム水和物( CSH, CaxSiyOx＋2y･zH2O)は，があり，これらは特定の元素濃度域において細胞の骨組織形

CaO 多面体と直鎖状のケイ酸からなる数原子分の厚さを持成に向けた成熟(分化)や低酸素応答に寄与し組織再生を促

つ層(図)が，イオンとの静電相互作用や水素結合により積す(1)(2)．

み重なった異方性の結晶構造をもつ(7)． CSH の層間には筆者らは，これらの因子を組織再生に好適な濃度と期間でシラノール基が存在し，層間のナノ構造の形成に寄与する．

徐放する骨修復材料を創ることで，生体の自己治癒に呼応しさらに，任意のオルガノシランを出発原料に用いることで，た組織修復の促進が可能になるとの考えから，ケイ酸やリン層間距離が柔軟に変化し，有機官能基を層間に組み込むこと

酸を含む無機化合物を骨格構造として，生体内での活動に必が可能である．従来，1 種類の有機官能基を修飾した層状ケ

要な無機イオンを複合化した材料の構築に取り組んできた．

イ酸カルシウム(有機修飾 LCS )を沈殿プロセスにより合成

ここではその一端をご紹介する．

できることが報告されており(8)(9)，層状カルシウムケイ酸塩の層間距離は，オルガノシラン分子の有機鎖長に伴って直線的に増加することが報告されている．しかし，これまで 2
種類の有機官能基を用いて有機修飾 LCS を合成した報告は

九州工業大学大学院生命体工学研究科准教授(〒8080196 北九州市若松区ひびきの 2
4)Preparation of Medical Functional Materials Using Inorganic Compounds With Layered Structures; Jin Nakamura(Kyushu Institute ofTechnology, Kitakyushu)
Keywords: medical functional material, layered compound, organicinorganic hybrid, therapeutic inorganic ions, ion release, calcium silicate, zirconium phosphate
2022年 9 月17日受理[doi:10.2320/materia.61.750]



特

集

ル(図( a ))よりアミノプロピル基の N H と CH 結合，およびフェニル基の C H 結合に由来するピークが検出された．さらに，全オルガノシラン中の PhS の仕込み比率を 0～ 100 molで増大させると，PhS 由来のピーク比強度も増大する傾向がみられた．元素分析からもこれらの有機官能基の含有比率がほぼ仕込み組成に従うことが分かった．試料のおよび粉末 XRD パターンを図 3 ( b )に示す． C S H の 29 °の回折ピークは APS および PhS を用いて作製した複合
51 °図1

ケイ酸カルシウム層の構造．(オンラインカラー)

材料においても検出された．これらは層の周期構造に起因す
る回折であり，両者が同様の構造の層を含むことを示す．さの回折ピーク(※印)は層状化合物の層間距離らに， 2 ～ 10 °ない．筆者らは，層状ケイ酸カルシウムを 2 種の有機官能に起因する回折であり，複合材料の層間距離(1.5～ 1.9 nm )基で修飾し，その比率を変えることで層間距離や疎水性を連は CSH(1.3 nm)より拡大していることが示された．CS

続的に変化させ，体液に対する化学耐久性を制御できるとのH では特徴的な直鎖状のケイ酸が層の形成に寄与してい考えから，層間に 2 種の有機官能基を任意の比率で組み込る．本手法で得た複合材料の核磁気共鳴法(NMR)スペクト

むことによる，有機修飾 LCS からの水溶性イオン種の徐放ルからはオルガノシラン由来の Si 原子が隣接する 2 個の Si制御を試みた(10)．

原子と酸素を介して結合した構造が検出され，直鎖状の有機従来法である沈殿プロセスにて 2 種のオルガノシランを修飾ケイ酸が含まれることが明らかになった．以上の結果か用いると，両者の縮合速度の違いから，一方のみが単独で縮ら，図 2 右側に示すようなアミノ基およびフェニル基が層合した副生成物が生じ，層状構造の化合物が生成しないこと

間に導入された有機修飾 LCS が形成したことが示された．

が分かった．筆者らは，2 種のオルガノシランと硝酸カルシ

この材料は体液中において層が徐々に加水分解し，水溶性ウムを出発原料に用いてソルボサーマル手法(図左)によりケイ酸イオン種とカルシウムイオンを溶出する．オルガノシ

合成できることを示した．ここでは，アミノプロピルトリエ

ランの仕込み組成が異なる 5 種の有機修飾 LCS をトリス塩

トキシシラン(APS, NH2C3H6Si(OC2H5)3)，フェニルトリエ

酸緩衝溶液に浸漬( 36.5 °C, 24 h, 100 mg / 10 ml )し，溶液中トキシシラン(PhS, C6H5Si(OC2H5)3)および硝酸カルシウムにおける Si および Ca 元素濃度を誘導結合プラズマ原子発

四水和物を出発原料に用いた． APS : PhS の仕込み比率は

光分光分析(ICPAES)で測定した．出発原料中の PhS の仕(100－x) : x(mol ratio, x＝0, 25, 50, 75, 100)とした．有機官

込みモル比と溶液中の各元素濃度の関係を図 3( c )に示す．

能基の脱離を抑止しながらシラン分子の相溶性を高めるた

両 元 素 の 溶 出 量 は ， PhS の 仕 込 み 比 率 を 0 mol  か ら 75

め，これらを 120 °C の水エタノール混合溶媒中でソルボサ

molまで段階的に増加させることに伴い減少した．このこーマル合成を実施した．比較試料の CSH は，同様の手法とから，有機修飾 LCS 中の有機官能基の種類と修飾比率にでテトラエトキシシラン( Si ( OC2H5 )4 )をケイ素源として用より化学耐久性を変化させることで，複合材料からのイオンいることで作製した．

徐放制御が可能であった．材料中に含まれる直鎖状ケイ酸の得られた試料のフーリエ変換赤外分光( FT IR )スペクト

図2

鎖長は，有機修飾に伴い短縮されることも分かっており，溶(左) ソルボサーマル合成と (右) 有機修飾層状ケイ酸カルシウムの構造の模式図．(オンラインカラー)

ま て り あ 第61巻 第11号(2022)
Materia Japan出物の分子サイズや哺乳類細胞応答との相関について現在検討を進めている．

.

層状リン酸ジルコニウムの有機修飾による化学耐久性の向上

リン酸層状化合物は異方性の構造をもつ代表的なリン酸化合物の一つであり，なかでもオルトリン酸層状化合物( a型 MIV ( HPO4 )2 ･ H2O ， g 型 MIV ( H2PO4 )( PO4 )･ 2H2O ，
MIV 四価金属)については幅広い研究報告がある(11)(13) ．

著者らは，ジルコニウムを含む合金やジルコニアセラミック
スなどの生体材料用基材との複合化の見込み，a 型リン酸ジルコニウム(LZP, Zr(HPO4)2･H2O)について注目してきた．
この化合物はジルコニウム原子とリン酸グループからなる層(図)が水分子を介して積み重ねられた層状化合物である．
LZP の層間はリン酸基(PO－H＋ )に富み，イオン交換反応に基づいて種々の無機イオンを担持可能である(11)(14)．他方
で，体液などのイオンに富む水溶液中に浸した際，層間に水溶液由来の無機イオンやイオン性分子が挿入されることで膨潤と層間剥離が生じる． LZP に生命機能を司る無機イオンを組み込み，それらを徐放する骨格として層状リン酸化合物を用いる上で，化学耐久性を向上させることが重要となる．
筆者らは， LZP の層間に種々の割合でフェニル基を導入することで化学耐久性の向上をめざした(15)．
フェニル修飾層状リン酸ジルコニウム(LZPh)は，オキシ
塩化ジルコニウム(ZOC)とリン酸(PA)，フェニルホスホン酸( PhPA )を出発原料とした還流法により合成した． PA :PhPA の仕込み比率は(100－x) : x(mol ratio, x＝25, 50, 75,100)とした．比較試料の LZP は，同様の手法で ZOC と PAを出発原料として合成した．得られた試料の XRD パターンおよび 34°の回折ピークは層のを図( a)に示す． LZP の 20°周期構造に起因する．複合材料ではこれらの回折角にてブロードなピークが検出されたことから， LZP と同様の構造の層を含むことが分かった．LZP における12°付近の回折ピー
ク(※印)は層間距離( 0.8 nm )に由来する．複合材料ではこ付近にシフトしており，ZP に比べて層間距離のピークが 6°
( 1.5 nm )が拡大していた．異なる PA : PhPA の仕込み比率で合成した LZPh の FT IR スペクトルからは， PhPA の仕込み比率の上昇に伴いリン酸グループに対するフェニル基由
来の吸収の比強度が大きくなる傾向が見られた．このことか

図3



有機修飾層状ケイ酸カルシウムとケイ酸カルシウム水和物(CSH)の (a) FTIR スペクトル，(b) 粉末 XRD パ
ターンおよび ( c ) 有機修飾 LCS を浸漬した緩衝溶液中の元素濃度(いずれも文献(10)より改変)．

図4

リン酸ジルコニウム層の構造．(オンラインカラー)

特

集

図6

(左下) フェニル修飾層状リン酸ジルコニウム，(右)TBA の導入構造および (左上) コバルトイオン担持構造の模式図．(オンラインカラー)

ら，得られた複合材料が ZP 様の層状構造を有しており，その層間に仕込み組成に応じた量のフェニル基が導入されることが示された(図左下)．層間のフェニル基は化学耐久性の向上に寄与する一方で，医用無機イオン導入時の反応も緩慢になる．筆者らは，層間のサイズに見合う粗大なカチオン性
有機分子を用いて一時的に層間を拡張させ，イオン交換効率の向上を試みた．PA : PhPA の仕込み比率が50 : 50(mol ratio)の条件で作製した LZPh について，テトラブチルアンモ

ニウムイオン( TBA ，分子サイズ 1.1 nm )を含むアセトニ
トリル溶液( TBA 溶液)に浸漬( 25 °C, 48 h )した．浸漬後の試料の XRD パターン(図 5 ( b )中段)からは，層間距離に由来するピークが低角側にシフトしており，層間距離が 1.8
nm に増大した．このことは，有機修飾 LZP の層間に TBAが挿入された(図 6 右)ことに基づく．さらに TBA イオンを導入した有機修飾 LZP を塩化コバルト水溶液中で振盪撹拌( 25 °C, 48 h )した．撹拌後の試料の XRD パターン(図 5 ( b )上段)からは，層間距離に由来するピークが再び高角側にシ
フトしており，層間距離が 1.6 nm まで減少した．このこと
は Co2＋ イオンにより TBA イオンが置換され，層間距離が縮小した(図 6 左上)ことを示す．以上より， a ZrP の層間における P OH 基を部分的にフェニル基に置換すること
で，イオン性分子や無機カチオンを含む水溶液中でも剥離せず，イオン交換反応が生じることが明らかになった．
この材料は体液中において，層間に導入された無機イオン
が体液中のイオンとのイオン交換反応により徐放される．
Co2＋ を導入した複合材料をヒト体液の無機イオン濃度を模倣した緩衝溶液( SBF )と水にそれぞれ浸漬( 25 °C, ～ 24 h )し，溶液中における Co の元素濃度を ICP AES で測定し
図5

( a ) フェニル修飾層状リン酸ジルコニウム( LZPh )と a
型リン酸ジルコニウム( LZP )の粉末 XRD パターン，( b ) 合成直後( As prepared )， TBA 溶液浸漬後( TBA 
solution)および TBA 溶液浸漬し CoCl2 溶液中で振盪後( CoCl2 solution )の LZPh の粉末 XRD パターン，( c )LZPh を浸漬した SBF および水中の Co 元素濃度(いずれも文献(15)より改変)．

た．浸漬時間と溶液中の各元素濃度の関係を図 5(c)に示す．
SBF 中 の Co 元 素 濃 度 は 試 料 浸 漬 か ら 2 h 以 内 に 0.074
mmol / l に達し， 24 時間後まで継続的に濃度上昇した．一方，試料浸漬後の水中の Co 元素濃度は実験期間を通じて検出限度以下であった．これらの結果から， Co を担持した有機修飾 LZP は体液に応答したイオン徐放性を示すことが明らかになった．

ま て り あ 第61巻 第11号(2022)
Materia Japan




.

お

わ

り

に

本稿では，無機層状化合物を骨格構造とし，それらの層間に有機修飾を施すことにより，水溶性ケイ酸種やコバルトイ
オンなどの生体組織再生に資する無機イオン種の徐放機能や細胞親和性をもつ複合材料が得られることを述べた．生体材
図7

ポリエチレン( PE )基板， b GP 修飾層状リン酸ジルコ
ニウム(ZGP)を担持した PE 基板(ZGP/PE)およびヒド
ロ キシ アパタ イト ( HAp )を担 持し た PE 基板 ( HAp /PE )上で 24 時間培養したヒト由来幹細胞の蛍光染色像(青細胞核，緑アクチン骨格，赤ビンキュリン，
スケールバー 40 mm ，文献( 16 )より改変)． (オンラインカラー)料への応用を目指す上で，今後は試料から溶出した化学種の構造を特定するとともに，それらへの in vitro における細胞応答の評価が望まれる．
本研究の一部は文部科学省卓越研究員制度，大倉和親記念財団，日本学術振興会科学研究費助成事業若手研究(20K18572)の助成により行われたものである．図の一部は
VESTA ソフトウェアを用いて作製した．

.

骨形成を誘導するリン酸エステル分子による層状
リン酸ジルコニウムの修飾

ZP のリン酸グループを対象とした有機修飾手法について

文

献び HAp/PE 上では紡錘状に伸展した細胞が旺盛に接着する( 1 ) I. D. Xynos, A. J. Edgar, L. D. Buttery, L. L. Hench and J. M.
Polak: J. Biomed. Mater. Res., 55(2001), 151157.
( 2 ) E. Quinlan, S. Partap, M. M. Azevedo, G. Jell, M. M. Stevens
and F. J. O'brien: Biomaterials, 52(2015), 358366.
( 3 ) L. L. Hench: J. Mater. Sci. Mater. Med., 17(2006), 967978.
( 4 ) C. Ohtsuki, T. Kokubo and T. Yamamuro: J. Non Cryst. Solids,
143(1992), 8492.
( 5 ) I. D. Xynos, M. Hukkanen, J. Batten, L. Buttery, L. L. Hench
and J. M. Polak: Calcif. Tissue Int., 67(2000), 321329.
( 6 ) I. D. Xynos, A. J. Edgar, L. D. Buttery, L. L. Hench and J. M.
Polak: Biochem. Biophys. Res. Commun., 276(2000), 461
465.
( 7 ) X. Cong and R. J. Kirkpatrick: Adv. Cem. Based Mater., 3(1996), 133143.
( 8 ) J. Minet, S. Abramson, B. Bresson, C. Sanchez, V. Montouillout and N. Lequeux: Chem. Mater., 16(2004), 39553962.
( 9 ) J. Minet, S. Abramson, B. Bresson, A. Franceschini, H. Van
Damme and N. Lequeux: J. Mater. Chem., 16(2006), 1379
1383.
(10) J. Nakamura, Y. Suzuki, R. Narukawa, A. SugawaraNarutaki
and C. Ohtsuki: J. Asian Ceram. Soc., 9(2021), 113123.
(11) A. Clearfield and S. D. Smith: J. Colloid Interface Sci., 28(1968), 325
330.
(12) L. Sun, W. J. Boo, R. L. Browning, H.J. Sue and A. Clearfield:
Chem. Mater. 17(2005), 56065609.
(13) B. M. Mosby, A. Dáƒaz and A. Clearfield: Dalton Trans., 43(2014), 1032810339.
(14) A. Clearfield and J. M. Kalnins: J. lnorg. Nucl. Chem., 38(1976), 849
852.
(15) J. Nakamura, R. Ito, R. Kozaki, A. SugawaraNarutaki and C.
Ohtsuki: Sci. Tech. Adv. Mater., 22(2021), 10001012.
(16) J. Nakamura, K. Endo, A. SugawaraNarutaki and C. Ohtsuki:
RSC Adv., 10(2020), 3605136057.

様子が見られた． ZGP を担持した基板上では代表的な骨修★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★

復材料であるヒドロキシアパタイトを担持した基板と同様の2014 年 3 月

は上述のフェニル基以外にも幅広く検討がなされている(5)．
筆者らは ZP の骨格に薬剤分子を担持することで，組織修復を促進する複合材料が得られるとの考えから b グリセロリン酸( bGP)分子の修飾を試みた(16)．この分子は骨分化を誘導する機能をもつリン酸エステルである．
ZP はオキシ塩化ジルコニウム八水和物とリン酸水溶液を出発原料とした還流法( 100 °C, 24 h )により合成できる．しかしながら，この反応条件においては bGP 分子のエステル結合が加水分解する．筆者らは，還流法にて合成した ZP を
70°
Cの bGP 水溶液中で再び還流することで目的の複合材料( ZGP と表記)の合成に成功している．得られた材料は FT
IR をはじめとする分光分析より，ZP の層間の水分子由来の吸収が見られず，代わりに bGP 由来のオキシプロパンジオ
ー ル 基 ( CH ( CH2OH )2 ) の 吸 収 が 検 出 さ れ た ． さ ら に ，
XRD パターンの回折角から求めた ZGP の層間距離は 0.9
nm であり， ZP (層間距離 0.8 nm )に比べて 0.1 nm 程度拡大していた．これらの結果より， ZGP では層間に b GP 由
来のオキシプロパンジオール基が導入されたことが分かった ． ポ リ エ チ レ ン ( PE ) 基 板 ， ZGP を 担 持 し た PE 基 板(ZGP/PE)およびヒドロキシアパタイトを担持した PE 基板( HAp / PE )上で 24 時間培養したヒト由来幹細胞の蛍光染色
像を図に示す．PE 上では楕円形状の細胞，ZGP/PE およ

良好な細胞接着性を示すことが分かった．

中村



仁

名古屋工業大学大学院工学研究科博士後期課程修了2014年 4 月 物質・材料研究機構外来研究員
2016年11月 名古屋大学大学院工学研究科助教
2021年11月 同講師
2022年 4 月より現職
専門分野医用，環境浄化用の有機無機複合材料◎液相プロセスを軸とした有機無機複合材料合成法の開拓と応用に従事．

★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★

特集

医療器具用金属材料における抗菌表面処理技術の研究開発―ナノピラー形成による抗菌機能化―
平

.

は じ

め

野

満

大 大

津

直

史


に

世界的に高齢化が進行しており， 2050 年での 60 歳以上人
口は世界人口の 20 に到達すると予想されている(1) ．加齢による生体機能の衰退に伴い，循環器や関節に関わる様々な疾患の発症リスクが高まっていく．このため，健康寿命のさ

図1

病原性細菌によるバイオフィルムの形成過程(文献( 8 )を改変)．(オンラインカラー)

らなる延伸が重要となるが，近年では体内埋植型医療器具を用いた治療法が発展し，その有効性から治療件数も増加している．医療器具には力学的安全性が求められるため，機械的する(8)．さらに，抗生物質に耐性を獲得した薬剤耐性菌が年強度および破壊靭性が高い金属材料が主に採用されてい々増加しており(9)，今後より一層の感染症の難治化，慢性化

る(2)．特に Ti およびその合金は化学的安定性が高いこともが危惧される．このため，感染症予防では発症の起点となる

相まって，ステント，ペースメーカー，人工関節などで臨床

細菌付着および増殖を器具表面で早期に抑制することが最も応用されている(3)．また，埋め込み時の外科手術で必須とな重要となる．

るメスや鉗子，ピンセットなどの手術器具にはステンレス鋼

本稿では，医療器具用金属材料の抗菌表面処理技術についが用いられており(2)，様々な金属材料が近代医療を支えていて概説する．細菌付着および増殖を抑制する材料表面の設計る．

方針を述べ，近年新たに注目されている表面処理技術を著者

一方で，外科手術中での細菌混入，それに伴う手術部位感の研究も交えて紹介する．

染症が長年の課題となっている(4)(5)．空気中には細菌が浮遊し，また術者や患者の皮膚表面にも常在菌が細菌叢を形成し.

表面処理による抗菌機能化の方針ている．このため，体内埋植型医療器具ならびに手術器具は
常に細菌付着のリスクに曝されており，完全に防止すること

表面処理は材料表面の組成や構造などを変化させることでは極めて困難である(6)(7)．器具を介して体内に細菌が侵入す

新たな機能性を付与することが可能である．表面処理が材料ると徐々に増殖し，ある一定数に達するとクオラムセンシン

自体の機械的特性に与える影響は極めて小さいため，力学的グにより多糖性物質を一斉に排出することでバイオフィルを安全性が要求される医療器具用金属材料の抗菌機能化では有形成する(8)(図)．最終的にバイオフィルムから細菌が分散効な手法となる．図に抗菌表面処理による表面設計の方針することで感染部位が拡大し，感染症の発症に至る．ここでについてまとめた．本分野では，抗菌メカニズムによって化

注意すべきは，バイオフィルムは外部刺激から細菌を保護す

学的手法と物理的手法に大別される(10)．

る防壁となるため，治療で用いる抗菌薬の作用を著しく阻害香川大学助教(〒7610396 高松市林町2217番地20)
北見工業大学教授
Antibacterial Surface Treatment for Metallic Material Applied to Medical Devices～Antibacterial Functionalization via Fabrication of
Nanopillar～; Mitsuhiro Hiranoand Naofumi Ohtsu(Faculty of Engineering and Design, Kagawa University, Takamatsu. Facultyof Engineering, Kitami Institute of Technology, Kitami Institute of Technology, Kitami)
Keywords: antibacterial surface treatment, nanopillar, surgical site infection, titanium, stainless steel, plasma etching
2022年 6 月30日受理[doi:10.2320/materia.61.755]

ま て り あ 第61巻 第11号(2022)
Materia Japan




図2




抗菌表面処理技術の分類(文献(10)を改変)．(オンラインカラー)

化学的手法

化学的手法は本分野における従来法であり，表面処理層は手法により[1]細菌付着抑制性，[2]接触殺菌性，[3]抗菌剤
徐放性を発揮する(10)．細菌付着抑制および接触殺菌では，ポリマーや抗菌ペプチドなどをコーティングすることで細菌材料間における付着力の減衰や細胞膜の機能阻害により抗菌性が発揮される(11)(12)．しかし，コーティング膜の密着性や生体環境下での化学的安定性が乏しいことから，定常的に抗菌性を発揮することが難しい．一方で，抗菌剤徐放では表面処理層に担持または内包された抗菌剤が放出され，細菌と化学的に作用することで抗菌性が発揮される．近年では薬図3

ナノピラーによる抗菌性発現メカニズム(17)(18)．(オンラインカラー)

剤耐性菌の拡大防止の観点から抗生物質の使用が制限されているため，抗菌金属が活用されている． Ag, Cu, Zn などが抗菌金属として知られているが，特に Ag は抗菌スペクトルが広く，感染症の原因となる表皮ブドウ球菌や緑膿菌などの増 殖 を 抑 制 す る こ と が で き る(13) ． Ag は 表 面 処 理 層 か らSpecies: ROS )が生成されるため， DNA や細胞膜が酸化損

Ag＋ として放出され，細菌内部の代謝酵素や DNA と化学傷を受け，代謝機能が阻害される(18) ．抗菌メカニズムは現反応することで生命活動を阻害し，抗菌性を発揮する(14) ．

在も議論されているが，これらの現象が競合していると考え

しかし，高濃度の Ag＋ は生体組織に対しても毒性を示すたられており，いずれもナノピラーとの物理的な接触に起因しめ，徐放量および速度の最適化が課題である(15)．さらに，ていることから新たな抗菌性として学術的に定義された．ま民生分野での Ag の使用頻度急増に伴い Ag 耐性菌の拡大がた，セミ以外にもトンボの翅やヤモリの皮膚でも同様の現象懸念され，実際に耐性菌の分離報告件数は増えつつある(16)．

が確認されている(19)．注目すべきは，抗菌剤を全く必要と




物理的手法

せず，接触から最短 5 分後に細菌が死滅し始めるため即効性に優れる点である(17)．

対して，物理的手法では材料表面に特異的なナノスケールの表面構造(ナノ表面構造)を設けることで細菌の付着および.

医療器具用金属材料表面へのナノピラー形成技術

増殖を抑制する．ナノ表面構造による抗菌性は， 10 年前にIvanova らの研究チームがセミの翅から初めて発見し，細菌

上述した物理現象に起因する抗菌性は手術部位感染症およの細胞膜とナノ表面構造の間に作用する物理現象に基づくこび薬剤耐性菌の拡大防止策として有望視されている．近年でとを見出した(17)．セミの翅表面には高さ数百ナノメートル

は生物表面のナノピラーを人工的に再現する表面処理技術がの突起物(ナノピラー)が密集して垂直に林立している．細菌

研究されており，ウェットプロセスおよびドライプロセスのが翅表面に付着すると自重によりナノピラーが深く差し込ま両方面で検討されている．本章では，医療器具用金属材料でれ，細胞膜は徐々に引き伸ばされていく．弾性限界に到達すある Ti およびステンレス鋼を対象とした抗菌性ナノピラー

ると細胞膜が破裂し，細菌内部から細胞質が流出することで形成技術について概説する．

細菌が死滅する(図)．また，ナノピラーとの接触で物理的刺激を感受すると細菌内部で活性酸素種( Reactive Oxygen



特

集




ウェットプロセス

. Ar プラズマエッチング法を活用したナノピラー形成によるステンレス鋼の抗菌機能化

ウェットプロセスは液相で材料表面に生じる化学反応を利用した表面処理法である．ナノピラーの形成ではアルカリ溶

一方で， Ar ガスを用いたプラズマエッチング法でもナノ液を用いた水熱処理が挙げられ， Ti およびその合金に応用

ピラーの形成が可能である．プラズマ中では， Ar＋ が材料されている． Ti 材料を NaOH または KOH 溶液に浸漬し，表面に衝突することで原子が物理的に弾き出されるスパッタ

密閉容器内で高温高圧処理するとチタン酸化合物で構成されリング現象が生じ，金属材料表面でナノスケールまたはマイたナノ表面構造を形成する．後処理として HCl 溶液に浸漬

クロスケールの突起物が点在して形成されることは古くからすることで層内のアルカリ金属イオンを H＋ と置換し，大気知られていた(31)(33) ．著者らはこの現象に着目し，高いバ中で熱処理することで TiO2 ナノピラーが等方的に形成されイアス電圧(イオンの入射エネルギー)が得られる直流放電をる(20)(21) ．実際に Cao らは水熱処理で形成した TiO2 ナノピ利用した Ar プラズマエッチング法により，ナノピラーを密ラーが表皮ブドウ球菌の細胞膜を物理的に変形し，抗菌性を集して形成させることで，ステンレス鋼の抗菌機能化に成功発揮することを実証している(22)．

した．以降はこれまでの研究成果について紹介する．



ドライプロセス

図に Ar プラズマエッチングにて 10 から 60 min 処理した SUS316 鋼表面の SEM 像を示す(34) ．なお，プラズマエ

ドライプロセスは真空下において気相での化学反応またはッチングは Ar ガス圧力 300 Pa ，定電流 0.10 A の条件で実物理的な相互作用を利用した表面処理法であり，斜入射スパ施した． 10 min 処理した表面では直径数百 nm の球状突起

ッタリング法およびプラズマエッチング法が研究されている．

物が点在していたが，時間経過に伴い円錐状に変化してい

斜入射スパッタリング法

き，最終的に 60 min では表面全体が柱状物で覆われた．こ斜入射スパッタリング法は基板を大きく斜めに傾けた状態

れらの表面観察から，直流放電を採用した Ar プラズマエッ

でスパッタ原子を堆積することで，三次構造を形成する手法

チングにより SUS316鋼表面にナノピラーを密集して形成でである．通常のスパッタリング法ではターゲットと基板を並きることを明らかにした．一連の表面形態の変化から，ナノ行に設置し，均一な膜を得ることができる．対して，斜入射

ピラーの形成過程を下記の様に予想される． Ar＋ の衝突にスパッタリング法では島状の安定核が一定の大きさになるま

伴い基板表面の温度が上昇することで球状炭化クロムが析出で成長すると，島自身によってスパッタ原子の堆積が遮蔽さする．炭化物はエッチングの遮蔽物となるため，周りの素地れる自己遮蔽効果が生じる．このため，スパッタ原子の堆積部分が優先的にエッチングされ，ナノピラーの形成に至った箇所および成長方向が限定され，最終的に構造物が形成されと考えられる．

る(23) ．この手法により， Ziegler らは Ti 6Al 4V 合金表面に Ti ナ ノ ピ ラ ー を ， Bobaru ら は ス テ ン レ ス 鋼 表 面 に
SUS301鋼で構成されたナノピラーを形成し，大腸菌に対して抗菌性を示すことを報告している(24)(25)．


プラズマエッチング法

プラズマエッチング法では材料をプラズマに曝し，活性種のエッチング作用によりナノピラーを形成する．処理工程が単純であり，垂直に林立したナノピラーを再現できることから，本分野では最も報告件数が多い(19)．Ti へのナノピラー
形成では，Cl2 ガスを用いた反応性イオンエッチング(Reactive Ion Etching: RIE)が検討されている．Cl2 ガスを高周波放電することで発生したプラズマには Cl＋
2 または Cl 原子が含まれている． Ti 表面との化学反応に伴い揮発性の高い
TiCl4 ま た は TiCl2 が 生 成 す る こ と で エ ッ チ ン グ が 進 行

し(26)，最終的に TiO2 ナノピラーの形成に至る．また，RIEの処理時間，Cl2 のガス流量，放電時の印加電力など処理条件を調整することで，ナノピラーの形状制御が可能である(27) ． Hasan らは RIE で形成した TiO2 ナノピラーが感染症の原因菌である緑膿菌および黄色ブドウ球菌に対して抗菌性を示すことを実証している(28) ．しかし，金属塩化物は一
般的に蒸気圧が高いため(29)(30)，医療器具用金属材料において RIE の適用対象は Ti に限定される．

ま て り あ 第61巻 第11号(2022)
Materia Japan

図4

Ar プラズマエッチングした SUS316 表面の FE SEM
像( a ) , ( b ) 10 min, ( c ) , ( d ) 30 min, ( e ) , ( f ) 60 min(文献(34)を改変)．




図5

Ar プラズマエッチングした ( a ) , ( c ) SUS316L および( b ) , ( d ) SUS410S 表 面 の FE SEM 像  ( a ) , ( b ) 10
min, (c), (d) 60 min(文献(35)を改変)．

図7(a), (c) 未処理および (b), (d) Ar プラズマエッチング
した SUS316 鋼表面に接着した大腸菌 ( a ) , ( b ) および表皮ブドウ球菌 ( c ) , ( d) の FE SEM 像(文献( 34 )を改
変)．

の生菌数を懸濁液滴下直後の生菌数で除し，100を乗することで算出した．即ち，生存率が100より大きければ細菌が4 h 後に増加し，逆に小さければ減少したことを意味する．

エッチング表面での大腸菌生存率は 10 未満であったが，表皮ブドウ球菌生存率は約 80 であった．故に，形成されたナノピラーは大腸菌，表皮ブドウ球菌に抗菌性を示すが，その程度は細菌種に依存する．次に，抗菌性発現の要因を明らかにするために細菌の形態観察を行った．図にナノピラ
ーに付着した大腸菌および表皮ブドウ球菌の SEM 像を示
図6

4 h 培養後の未処理および Ar プラズマエッチングした
SUS316鋼の細菌生存率(文献(34)を改変)．

す(34) ．大腸菌はナノピラーによって引き伸ばされていたが，表皮ブドウ球菌では顕著な形態変化は観察できなかった(図 7(c)(d))．この観察結果から，SUS316鋼に形成された
ナノピラーの抗菌性は，生物の表面構造と同様に細菌の形態

また，様々な鋼種のステンレス鋼を Ar プラズマエッチン

変化に伴う細胞膜の物理的損傷が要因であることを示唆す

グすると，興味深いことに鋼種ごとに特徴のあるナノピラー

る．それ故に，大腸菌と比較して形態変化が乏しい表皮ブドが 形 成 し た(35) ． 一 例 と し て ， 図  に SUS316L 鋼 お よ び

ウ球菌では抗菌性が減衰したと考えられる．

SUS410S 鋼の SEM 像を示す． SUS316 鋼と比較すると，
SUS316L 鋼ではナノピラーの寸法および本数が全体的に減

.

お

わ

り

に

少したが， SUS410S 鋼では細長い形状のナノピラーが形成し，本数も増加傾向を示した(図 5(c)(d))．エッチングの初

本稿では，医療器具用金属材料の抗菌表面処理，特にナノ期段階を観察すると，球状突起物の形成状態が鋼種によってピラーの形成による抗菌機能化ついて概説した．抗菌性ナノ異なることも併せて確認できた(図 5(a)(b))．これは，合金

ピラー形成技術は感染症や薬剤耐性菌の拡大防止に有望であ

組成および結晶構造が炭化物の析出挙動に影響を及ぼしたたるが，医療現場での応用には解決すべき課題は多々ある．第め，ナノピラーの寸法および形状が変化したと考えられる．

一に感染症の原因菌上位であるグラム陽性菌に対する抗菌性

SUS316鋼表面に形成されたナノピラー(図 4(c), (f))に対の増強が必須であり，ナノピラーの抗菌性はその形状や配列

し， JIS Z 2801 に規格されたフィルム密着法にて抗菌性をに依存するため(19)(34)(35) ，表面構造の最適化，それを実現評価した．試験菌にはグラム陰性菌である大腸菌およびグラする表面処理技術のさらなる開発が不可欠となる．また，ナム陽性菌である表皮ブドウ球菌を用いている．細菌を含む懸ノピラーは軽く触れただけで破壊されるため，実用化にはナ濁液を評価試料に滴下し，35°
Cで 4 h 培養後，試料表面の生

ノピラーの強度向上も重要となる．一方で，ナノピラーは細菌数を計測した．図に各試料表面で 4 h 培養後の細菌生存菌のみならずカビやウイルスにも抑制効果を発揮するた率を示す(34) ．ここで，生存率は 4 h 培養後における試料上め(36)(37)，表面構造の最適化により病原性微生物全般を抑制



特

集

できる可能性を秘めている．近年の SARSCoV2 など新型感染症に対する特効薬の開発には長期間を要しているなか，
ナノピラー形成に基づく抗菌機能化は今後の新興感染症の発生防止への寄与が期待され，今後より一層の発展が望まれる．

文

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3618.
★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★
平野満大
2021年 3 月 北見工業大学大学院工学研究科博士課程修了
2021年 4 月 大阪産業技術研究所研究員
2022年 4 月現職
専門分野金属材料表面工学◎主に医療器具用金属材料の抗菌機能化を目的とした表面処理の研究開発に従事．

★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★

平野満大

大津直史




生体軟組織に瞬間接着するチタン―自己接着性インプラントの開発―
岡

田

正

弘
松
1)

本

卓

也
2)

織に被包化されて固定される場合があるが，チタン周囲での

.

は じ

め

に

結合組織形成という細胞の働きが主体であるため固定には数週間を要する(4)．このような細胞の働きに頼らず(例えば化チタンは，生体適合性，耐食性，軽量，非磁性という特徴学的作用によって)術後すぐにチタンを軟組織に結合させるを持つ機械的特性に優れた金属系の生体材料である．チタン

ことができれば，上記デバイス関連合併症の防止のみならず系の外科用インプラント材料として，4 種類の純チタンおよび 5 種類のチタン合金が日本産業規格(JIS)に規定されている．インプラントとは，疾病や損傷による身体の機能低下を補うために，その一部あるいは全部を体内に埋植して使用されるものである．外科用インプラントの具体例の一つとし

表1

軟組織と接触した状態で使用されるチタンの例．

現在使用されているデバイス

接触する軟組織

歯科用インプラント
アバットメント

歯肉(上皮，結合組織)

組織(骨)内に埋植して使用され，開発当初から骨セメントと歯科矯正用アンカースクリュー

歯肉(上皮，結合組織)，骨膜呼ばれる有機系の接着剤で骨内に固定されてきた(1)．なお，

顎顔面骨再建用装置
骨固定用プレート
骨欠損部用メッシュトレー

骨膜，筋膜，線維組織
骨膜，筋膜，線維組織

創外型骨延長装置
創外固定ピン

表皮，真皮，筋肉，筋膜，骨膜

ペースメーカージェネレーターケース

筋膜，筋肉，線維組織が主体であるため固定には数週間～数ヶ月間を要する(2)．一植込み型補助人工心臓
脱血管カニューレ

心筋方で，前述した接着剤は化学的な働き(界面での分子間相互今後の開発が期待されるデバイス

て，人工股関節の人工骨部(ステム)が挙げられる．これは硬本稿において接着剤とは，液体あるいは流動性のある状態で塗布するものであり，硬化反応後に接着力を発揮するものを指す．このような接着剤を使用しない場合でも，適切な表面処理を施したチタンは硬組織と密着して十分な強さで骨内に固定される．この現象はオッセオインテグレーションと呼ばれるが，インプラント周囲での骨組織形成という細胞の働き作用の形成と硬化)が主体であるため術後すぐに(数十分間で)チタンは骨内に固定されるが，硬化反応時の発熱( 40 ～70°C)等が問題となる場合もある．

さて，機械的特性に優れるチタンは，硬組織用の生体材料としての印象が強いが，軟組織と接触した状態で使用される場合も多い(表)．これらの用途において，チタンと軟組織との密着や固定は，デバイス関連合併症(感染症や埋植位置からの移動などの不具合)を防止するために必要とされている(3)．チタンを軟組織である皮下に埋植すると線維性結合組

経皮デバイス
長期留置型カテーテル
人工心臓用ドライブライン

表皮，真皮
表皮，真皮

ステント

血管，気管，消化管の管腔内面

ブレイン/マシンインターフェース
大脳皮質埋め込み電極
皮質，髄膜
ケーブル
皮下組織
皮下の無線送信機
皮下組織
チタン以外の素材で既に実用化しているが，改善が必要なものも含む．

岡山大学学術研究院医歯薬学域1)准教授 2)教授(〒7008525 岡山市北区鹿田町 251)
Selfadhesive Devices Made of Titanium for Biological Soft Tissue; Masahiro Okadaand Takuya Matsumoto(Faculty of Medicine,
Dentistry and Pharmaceutical Sciences, Okayama University, Okayama)
Keywords: titanium, soft tissue, adhesion, solidstate adhesive, medical device
2022年 6 月30日受理[doi:10.2320/materia.61.760]



特

集

新しいタイプのインプラントや術式の開発に繋がる．術後す一方で著者らは，生体親和性に優れるセラミックス系生体ぐの固定を実現するために，軟組織用接着剤(シアノアクリ

材料としてアパタイト(15)やリン酸八カルシウム(16)の多孔質レートあるいはフィブリン糊)の適応外使用の検討も考えら体を用いて，フィブリン糊の 2 倍以上(15)の接着力を瞬時にれるものの，生体内における安全性，接着強さ，硬化時間，(数秒間で)示す固体接着材をこれまでに開発した．また，図安定性など解決すべき問題がある．

(a)に示すようなアパタイトをブラシ状にコーティングした

このような現状において著者らは最近，表面処理を施した材料も固体接着材として機能することも報告している(17) ．

チタンが真皮などのいくつかの軟組織に対して瞬時に(数秒

ここで，チタン製インプラントのオッセオインテグレーショ

間で)強く接着することを報告した(5)(7)．この材料は固体状ンを高める表面処理法の一つとしてアルカリ処理(18) があ

態で軟組織と接着することから「固体接着材」と称し，また，り，この処理によって得られる表面構造(図 1(b ))はブラシ

この材料を用いたインプラントは接着剤を用いることなく自状アパタイト固体接着材(図 1 (a ))と酷似している．このたらが軟組織と直接的に接着可能であることから「自己接着性

め，チタンを用いた検討を進めることで，非有機系固体接着

インプラント」と称している．本稿では，これまで報告され材の接着機構の理解を深めるとともに，これまでに存在しなた固体接着材を簡単に紹介した後，著者らが開発を進めていかった金属製固体接着材が開発できるのではないかと考えてるチタン製固体接着材についてこれまで得た知見をまとめる．

研究に着手した．

.

固体接着材について.

チタン製固体接着材の開発

これまでに，被着体と接触させるだけで接着する固体状の前述したアルカリ処理に加えてチタンの表面処理として様材料がいくつか開発されている．このような固体接着材の接々な方法が開発されている(2)．筆者らは，複雑な形状にも適着機構として分子間力，陰圧，アンカー効果が利用されてい用可能なウェットプロセスに注目して検討を行なった．このしかる．分子間力を利用したものとして，ヤモリ足裏にある趾下

際のチタン基材として，稠密六方晶(a 相)である 1 種純チタ

薄板の微細構造から着想を得たヤモリテープが有名である．

ン(5)(7)を用いてまず検討を行い，体心立方晶( b 相)が共存す

ただし，ヤモリ趾下薄板の接着強さは，被着体の親水性にもる a b 型チタン合金であり機械的性質がさらに優れる Ti 

よるが，乾燥状態に比べて湿潤状態で大幅に低下する(8)．こ6Al4V(4)への適応拡大も試みている．

のため，含水率の高い軟組織に対する単純なヤモリテープの各種の表面処理を行なったチタンを準備し，被着体として接着強さは低い(9)．また，陰圧を利用したものとしてタコ吸マウス背部から採取した真皮を用いた引張せん断接着試験

盤をナノスケールで模倣した材料(10) ，アンカー効果を利用(図(a ))からそれぞれのチタンの接着性を評価した．ここ

こうふん

したものとして腸内生着時に膨潤する寄生虫口吻をナノスケ

で，真皮を用いた理由としては，小動物からでも比較的大きールで模倣した材料(11) が開発されている．これらはバイオな面積を採取可能であり，かつ，表皮に裏打ちされているた

ミメティックなアプローチであるが，現時点では，接着強さ

め組織そのものが比較的強いためである．

に問題のある軟組織用フィブリン糊と同程度(十数 kPa)かそれ以下の接着強さである．

まず重要な発見は，未処理のチタンは瞬時の組織接着性をまったく示さない(図 2( b))ということである．さらに，種以上の固体接着材はすべて有機系材料である．セラミック々の表面処理を施したチタンを比較した結果，塩酸および硫

ス系材料を固体接着材として検討した例として，シリ酸の混酸による酸処理後にチタンを乾燥させることで，短時

カ(12) ，酸化鉄(13) ，酸化チタンあるいは酸化亜鉛(14) のナノ

間わずかな力を加えるだけでチタンと軟組織が瞬時に(数秒

粒子分散液を用いて，ナノ粒子表面と軟組織間の分子間力を間で)接着することを見出した(5)．酸処理チタンは市販の軟利用して接着を試みた例はあるものの，機械的性質に優れる

組織用フィブリン糊よりも高い接着強さを示し，酸処理の前

金属系材料を用いた報告例はこれまでになかった．

にアルミナによるサンドブラストを行うことで接着強さはさらに向上した(7)．
このような酸処理を行うことで純チタン表面はエッチングされ(図( a))，また，酸エッチング時に発生する水素が吸収されて水素化チタン(dTiHx)が生成する(図 3(b))．この
結果，水素脆化によって機械的性質は低下するものの，表面にサブミクロンオーダーの凹凸が付与され(図 3 (c ))，表面は疎水性を示した(図 3(d))．また，Ti6Al4V を同条件で酸処理した結果，水素吸収性および水素拡散性が大きな b
相の存在によって， dTiHx 生成量および疎水性が低下し，

図1(a) 軟組織接着性を示すブラシ状アパタイトコートポリ
乳酸フィルムと ( b ) アルカリ処理したチタンの走査型電子顕微鏡写真．

ま て り あ 第61巻 第11号(2022)
Materia Japan

これらの結果として軟組織接着強さが低下することを確認した(6) ．ところで，図 1 (b )に示したアルカリ処理の場合，表面には酸化チタン( TiO2 )が生成して親水性となり，軟組織接着性は大きく低下することも確認しており，少なくとも真皮に対する接着には疎水性表面が有利であるといえる．
以上の観察結果をもとにチタン/軟組織間の接着現象を理解するために，現在のところ，高分子の分野で発展した粘着
テープの接着理論を適用することを試みている．粘着とは「高粘度液体に一般的に見られる現象で，態の変化を起こさず短時間僅かな圧力を加えるだけで接着する現象(19) 」と定義されている．今回の接着現象に当てはめると，チタンが粘着を示したのではなく，生体組織が粘着を示して瞬時に接着したと捉えることができる(図)．
 粘着層のレオロジー(変形と流れ)
ここで，粘着の強さは◯
 接着界面での相互作用の強さ，の双方に依存する．
特性と◯
 については，接触時には「粘性(濡れ広がって接触面積を◯大きくし，かつ，分子レベルで接触する)」，剥離時には「弾性(変形しないように抵抗する)」という背反する性質が必要であり，そのバランスが重要となる．今回の接着現象におい は生体組織側の特性であり，部位・種類によって大きくて◯異なる．例えば，真皮よりも弾性に優れる腱や強膜に対する
酸処理チタンの接着強さは大きい(5)．また，組織の含水量を変化させるとレオロジー特性の変化によって接着強さも大きく変化することを見出している．ところで，酸処理チタンは
表皮や粘膜にはほとんど接着しない．表皮は粘性が小さいことが原因であり，また，粘膜の最表面は粘液(低粘度液体)であり，チタンと接触する際に粘液は広がるものの剥離時に弾性が働かないことが原因であると考えている．
ところで，未処理チタンはほとんど真皮に接着しないこと(図 2(b ))から，軟組織のレオロジー特性だけが接着強さに 接着界面での相互作寄与するのではない．つまり，上記の◯
図2(a) 引張せん断接着試験の様子と (b) 各種処理を施した
純チタンのマウス真皮に対する接着強さを市販品(フィブリン糊)と比較した結果(7)．2021 Elsevier B. V. All
rights reserved.

図3



用の強さが重要となる．酸処理後のチタンは疎水性を示し，疎水性が高いほど接着強さも大きくなったことから，軟組織に含まれる有機質の疎水性アミノ酸残基や脂質炭素鎖が疎水

各種処理を施したチタンの(a)表面形態 SEM 写真，(b) X 線回折パターン，(c)算術平均表面粗さ，(d)水の静的接触角の比較(7)．2021 Elsevier B.V. All rights reserved.

特

集

図4

(a) 工業用粘着テープの180°剥離試験を真皮組織/チタンに適用した例．剥離途中の顕微鏡写真から，真皮組織の糸引きが観察される．このような糸引きは，例えばガラス板に接着した粘着テープを剥離する際に観察される．(b) 接着試験後の酸処理チタン表面の SEM 写真．コラーゲン線維を主体とした有機質がチタン表面に接着して残留しており，粘着層破壊が生じていることが確認される(5)．2020 M. Okada et al. Published by WILEYVCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim.

図5

シート状のチタン製固体接着材を用いて (a) センサーデバイスあるいは (b) NFC(近距離無線通信)を利用した非接給電が可能な LED(発光ダイオード)をマウス筋膜に固定した例．写真 (a) は埋植後10日目の写真であり，初期接着を維持していることが確認される(5)．2020 M. Okada et al. Published by WILEYVCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim. 写真(b) では，体外からの非接触給電による発光が確認でき，シート状チタンの配置を調整することで，NFC による無線通信が可能であることを確認した(7)．2021 Elsevier B. V. All rights reserved.

 に大きく性相互作用を介してチタン表面に吸着することが◯が疎水性相互作用する．これらの素過程にはすべて水分子が寄与すると考えている．ここで，イオン結合や水素結合が主関与しており，材料/水/生体間の相互作用を分子レベルで捉となる親水性表面と比較して疎水性相互作用が働く疎水性表える試みも進めている．

面に対するタンパク質の吸着速度は非常に速く(20) ，吸着量は多く(21)，また，吸着したタンパク質は交換されにくい(22)

.

お

わ

り

に

ことが知られている．今回の接着現象における生体組織中の疎水性成分の特定については現在検討中であるが，この疎水

チタン表面を酸処理して生体軟組織に含まれる有機質との性成分と軟組織のなかで粘弾性特性を支配する成分との直相互作用を高めることで，生体親和性と高い接着力を兼ね備接・間接的な結合・相互作用も合わせて理解を深めること

えた新しい金属製固体接着材を開発した．この固体接着材はで，固体接着材のさらなる接着強さの向上も可能となる．

いくつかの軟組織に対して軽く圧接するだけで瞬時に接着

ここで，疎水性相互作用は水中において生じるものであし，その接着強さは有機系軟組織接着剤であるフィブリン糊る．つまり，乾燥した状態のチタンを湿潤した生体組織に接よりも 5 倍以上高い値を示した．開発したチタン製固体接チタン表面の水和，◯水和した有機質の接近，触させた後，◯

着材は，滅菌・保管などの取り扱いが容易であり，既存の体 チタンおよび有機質の脱水和，◯ 有機質の高次構造変化に◯内埋込型医療機器や新しいインプランタブル・デバイス(図よる疎水部の露出，という複雑な過程を経てチタンと有機質

)の簡便な体内固定などとして応用・実用化を進めている．

ま て り あ 第61巻 第11号(2022)
Materia Japan本 研 究 は JSPS 科 研 費 ( JP20H05225,

JP21K12683,

JP21K18828, JP21H03123)およびJST 戦略的創造研究推進

事業 CREST(JP22712622)の助成を受けた．

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★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★
岡田正弘
2004年 3 月 神戸大学大学院自然科学研究科博士課程修了
2004年 4 月 国立循環器病研究センター研究所生体工学部
2014年 6 月 現職
専門分野コロイド科学，生体材料学◎材質を問わず，ナノ～マイクロメートルオーダーでの表面制御材料の開発と医療応用を中心に活動．

★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★

岡田正弘

松本卓也

特

集

表面・界面・情報科学の融合による抗付着性コーティング材料の設計
林

智

広

本稿では金属，酸化物表面の有機物によるコーティング方

.

は じ

め

に

法 の 1 つ で あ る 自 己 組 織 化 単 分 子 膜 ( Self assembled
monolayers: SAMs)に関して，その抗付着性(抗タンパク質

現在，医療用生体材料は高分子，金属，セラミクスを中心

吸着・抗細胞接着特性)のメカニズムに関して述べる．まに，用途に応じて多様な材料が日々開発されている．人体内

た，機械学習を用いたタンパク質吸着特性の予測，さらにはに導入されるインプラント，人工組織，臓器，あるいはドラ

実際に応用されている高分子材料への展開に関する近年の研ッグデリバリーのキャリアなど，開発されるデバイスを構成

究成果に関して紹介したい．

する材料は多岐にわたる(1) ．これらの材料は生体組織・細SAMs は基板分子および分子間相互作用によって，分子胞，生体分子との適切な相互作用(生体適合性・親和性)に加が自発的に高秩序な構造を形成することを利用した表面コー

え，機械特性(耐摩耗性・剛性など)，化学的特性(化学的安ティングの手法である[図( a )]．特に単結晶金表面上に作

定性，生分解性など)など，複数の特性・機能も同時に併せ製したアルカンチオールの SAMs は，図 1(b)の走査型トン持つ必要がある．バイオデバイス・材料に複数の機能を付与

ネル電子顕微鏡像から明らかなように，膜内でアルカンチオ

する手段として，表面のコーティング(被覆)は非常に強力なール分子が周期的配列を持ち，高密度に集積していることが手法である．例えば金属製ステントの高分子によるコーティ

分かる．また，実際に利用されることが多い Si ，ガラスなングは，血液適合性をステントに付与する．また，バイオセ

どを基板とした金の多結晶表面においても，アルカンチオー

ンサーにおいては，高分子膜・単分子膜の非特異的な吸着をル分子は同様に高密度で集積することが明らかとなっている．

防ぐコーティングによって，ターゲット分子以外の分子のセSAMs の長所は末端基の異なる分子を用いることで，表面

ンサー表面への吸着を抑制し，ターゲット分子への選択性を高め，結果としてセンシングの精度を向上させることが出来る．このように有機物あるいは無機物によるコーティングにより，化学的安定性，撥水性など様々な機能を材料に持たせることが出来る．
様々な表面特性のなかでも，生体組織・細胞との親和性に関しては，そのメカニズムに関して不明な点が多く残されている．特に，抗付着性(ここでは抗タンパク吸着・抗細胞接着特性を指す)に関しては，水中における相互作用が複雑であり，さらに吸着・接着の振る舞いが生体分子，細胞の種類によって異なることから，目的に応じた適切な表面設計をすることが困難である場合もある(2)．

図1

自己組織化単分子膜の模式図 ( a ) と ( b ) 走査型トンネ
ル電子顕微鏡( STM )像(測定領域のサイズは 10 × 10nm)． STM 像内の四角は分子集積構造の単位格子を示す．(オンラインカラー)

東京工業大学物質理工学院材料系准教授(〒2268502 横浜市緑区長津田町4259 G110)
Design of Antibiofouling Coatings Based on the Fusion of Surface & Interface Science and Informatics; Tomohiro Hayashi(Departmentof Materials Science and Engineering, School of Materials and Chemical Technology, Tokyo Institute of Technology, Yokohama)
Keywords: antibiofouling, biomaterials, atomic force microscopy, surface & interface science, machine learning, Informatics, artificial neuralnetwork, proteinresistance, selfassembled monolayers (SAMs), polymer blush
2022年 7 月 4 日受理[doi:10.2320/materia.61.765]

ま て り あ 第61巻 第11号(2022)
Materia Japan




図2

(a) メチル基末端，(b) オリゴエチレングルコール( OEG )末端 SAM への血小板細胞の粘着試験結果． (オンラインカラー)の物理化学的特性を自在に制御することが可能である点である(3)．
一般的に抗付着性を示す末端基として，オリゴエチレング
リコール( OEG )，糖類などの非イオン性の官能基，ベタインなどの双性イオン型の官能基が挙げられる．これらの官能基は化学構造が全く異なるにもかかわらず，同様に高い抗付着性を示すことが非常に興味深い(2) ．図に SAMs への血小板粘着実験の例を示す．図 2( a )はメチル基を末端に持つチオール分子の SAM に血小板細胞を含む血漿を接触させた
後に電子顕微鏡測定を行った結果であるが，無数の接着物が観察される．これらは血小板細胞であり，それらの多くは活性化して，周囲の血小板と結合し，血栓形成の初期段階にあ

図3(a) シリカコロイドを原子間力顕微鏡カンチレバーの先端に固定したコロイドプローブの電子顕微鏡像，(b) 表
面間力測定の模式図，(c) リン酸緩衝生理食塩水中で測定した SAMs 間に働く表面間力測定の結果(表面間力距離曲線)．(オンラインカラー)

る こ と が 分 か る ． 一 方 で ， 図 2 ( b )の OEG 末 端 基 を 持 つSAM では粘着した血小板はほとんど確認出来ず，これはSAM の血小板適合性が高く，血小板細胞の粘着・活性化をは水分子間の水素結合状態に変化を与えるエタノールを加え誘起しないことを示している(4)．

ることによって，この斥力が消失したことから，この斥力は上記の結果は，末端基の種類によって，細胞と SAMs の

SAM と水の界面に存在する界面水分子に因るものであると界面相互作用が全く異なることを示しており，抗付着性を持結論した．上記の実験を系統的に行うことにより，界面水分つ単分子膜は生体分子，細胞に対して反発力を作用している子による反発力と抗付着性の相関が明確となり，筆者らは抗と予想できる．そこで我々は原子間力顕微鏡( AFM )を用い

付着性 SAM に共通して存在する界面水分子の障壁が生体分た表面間力測定によって， SAMs が引き起こす界面相互作

子，細胞の接近を防ぎ，抗付着性特性を発現していると結論

用の定量的な解析を試みた(図)．ここでは，測定におけるした(5)(9)．最近，筆者らは表面選択的な振動分光である，感度の向上，相互作用の定量的な解析のために，マイクロス

表面増強赤外分光法による水素結合状態の解析，周波数変調

ケールサイズのシリカコロイドをカンチレバー先端に固定し型 AFM を用いた，界面水分子の可視化など様々な手法で，たコロイドプローブを使用した(図 3(a )上)．表面間力測定

抗付着性 SAM が持つ界面水分子の特殊な水素結合状態の解においては，基板，コロイドプローブ双方に金の蒸着，析を行っている(7)(10)．

SAMs の形成を行い，リン酸緩衝生理食塩水中での表面間力測定を行った(図 3(b)上)．

田中らは示差走査熱測定を用いて，高分子近傍の水を不凍水，中間水，自由水の 3 種類に分類し，血液適合性が非常

まず，抗付着性をもたない SAMs の表面間力測定結果にに 高 い Poly ( 2methoxyethylacrylate ) ( PMEA ) , Poly

ついて述べる．疎水性 SAM( C8)間には 6 nm 程度の表面間(ethyleneglycol)(PEG)などの高分子材料の水和水には中間距離から，疎水性相互作用と van der Waals 相互作用による水が多いことを発見した．我々の赤外分光法を用いた分析結引力が観測された．また，親水性 SAM であるスルホン酸基

果も， PEG, PMEA と抗付着性を有する SAMs の水和水の( SA )，トリメチルアミン基( TMA )基を有する SAM では

水素結合状態の類似性が確認されている(8)(9)(11) ．表面間力

0.2～2 nm の距離において van der Waals 引力のみが観察さ測定による界面の水分子が引き起こす相互作用，振動分光法れた．一方，抗付着性を有する OEG 末端，スルホベタイン

による界面水分子の水素結合状態の解析は，抗付着性発現に( SB )には，引力相互作用は観察されず，表面間距離 5 nm

おける界面水分子の重要性を示しており，界面水分子の挙動程度から斥力が観察された．この斥力の減衰長は 1.5 nm 程の制御が抗付着性材料の開発に肝要であることを示している．

度であり，溶液のデバイ長( 0.7 nm )よりもはるかに長いことから，電気 2 重層による斥力とは考えられない．筆者ら



特

集

データセットを構築することができる．

.

生体材料に対する生体分子・細胞の応答データを取得するためのプラットフォーム

このようなコンビナトリアル的手法の特筆すべき長所は，同一の条件で調整したタンパク質，細胞を用いてデータを取得出来ることである．バイオ実験の特有の生体分子・細胞の前述のように，抗付着性と界面の水分子の関係が明らかにサンプルのロット間の違い，細胞の播種までの培養条件などなりつつある．一方で，望むべきタンパク質・細胞との相互の違いなどによるデータのばらつきを最小限に抑え，“品質作用を示す材料の設計は，依然として試行錯誤的な手法，セの良い”データセットを構築できる点である．

レンディピティーに依存する場合が多い．そのような状況を.

打開するために，近年では情報科学の手法を用いた材料設計

機械学習を用いた抗付着性材料の設計が注目されている．特に機械学習を用いて，材料の化学構造とその機能の相関を解析する手法[一般的には定量的構造物

ここでは上述のように取得されたデータを用いて，単分子性 相 関 QSPR: Quantitative Structure Property Relation-

膜を構成する分子の化学構造から，タンパク質の吸着量を予

ships )と呼ばれる]は固体触媒，バッテリーの電極材料など測する回帰モデルの構築について述べる．与えられた条件の固体材料の開発において成果を挙げている．一方でバイオ(説明変数)から結果(目的変数)を求めるには，様々なアルゴ

マテリアル分野での情報科学的手法の応用例は少な

リズムが存在する．データセットのサイズ・特徴，説明・目い(12)(14)．

的変数の数などによって，最適なアルゴリズムは変わってく

固体材料開発においては，機械学習に用いる大規模で系統ることから，研究者はその都度，アルゴリズムの選択，およ的かつ網羅的なデータセットを第一原理計算などの計算科学

び回帰モデルを記述する様々な条件(ハイパーパラメータとによって構築可能である．一方，生体材料開発においては，呼ばれる)の組み合わせの最適解を網羅的な調査によって見材料に対するタンパク質の吸着，細胞の接着，組織応答を計つけ出す必要がある．

算科学で求めることは不可能であり，どうしても実験データ

図に SAM を構成する分子構造から水の静的接触角，タを基にデータセットを構築する必要がある．このことから，

ンパク質吸着量を予測した例を示す．様々なアルゴリズムを効率的な材料の化学組成と材料に対する生体分子細胞・組織用いた回帰モデルの比較の結果，人工ニューラルネットワーの応答に関するデータの取得が要求される．ここでは単一のクモデルが，予測の正確性という観点から最も適したアルゴ基板上に 2 種類の異なる末端基を持つチオール分子の組成

リズムであることが分かった．図 5(b, c)から明らかなようが場所によって連続的に変化する基板(傾斜基板)をデータ取に，学習(訓練)後のニューラルネットワークは単分子膜の水得に応用した例について述べる(図)．図 4 では抗付着性・親水性を持つ OEG 基末端，疎水性でタンパク質・細胞を接着するメチル基末端を持つチオール分子で構成される傾斜基板を用いた例を示す．表面における分子の集積構造，血小板の粘着・活性化の特性は，2 つの分子の割合によって大きく異なることが分かる．この基板に対し，タンパク質吸着実
験，細胞接着実験を行うことで，大量のデータを一度にに取得することが可能となる．さらに，異なる分子の組み合わせを用いて基板の作製・データの収集をすることで，網羅的な

図5
図4

2 種類のチオール分子の組成が基板上で連続的に変化す
る傾斜基板を用いた水の接触角(上)，STM による表面
分子構造(中)，血小板粘着(下)実験の例．基板の右側に行くほど OEG 基末端のチオール分子の割合が高くなる．(オンラインカラー)

ま て り あ 第61巻 第11号(2022)
Materia Japan(a) SAMs を構成する分子の化学構造からタンパク質吸着量を予測するために用いた人工ニューラルネットワ
ークモデル．機械学習を用いて分子の化学構造から予測した SAMs の接触角 (b)，タンパク質(フィブリノー
ゲン)吸着量 ( c) と実験値との比較(15)． (オンラインカラ
ー)




の接触角，タンパク質吸着量を予測出来ていることが分か

提案を平行して遂行することが肝要と考える．

る(15)．

文

また，学習後のニューラルネットワークモデルを用いて，献データベース外の仮想の SAM の水の接触角，タンパク質吸着量を予測することも可能であることが明らかとなっている(詳細は参考文献(15)を参照)．この結果は実際の材料開発を行う前に，ある程度材料のスクリーニングが可能であることを示している．ある程度の規模のデータセットがあれば，回帰モデルを構築することによって，実験科学者の材料開発における負担を軽減することが期待できる．

. む

す

び

本稿では表面・界面科学的手法を用いた抗付着性単分子膜の抗タンパク吸着・抗細胞接着特性のメカニズムについて説明した．ここでは界面の水分子がタンパク質・細胞の接着を防ぐ障壁としての役割を果たしていることを示す実験結果について述べた．また後半では，情報科学的な手法(主に機械学習)を用いた，望むべき生体分子・細胞の応答を誘起する
単分子膜の設計について述べた．バイオマテリアル分野の研
究は計算科学との親和性が低く，材料に対する生体分子・細胞応答のデータセットを構築するには，コンビナトリアル的な手法を用いて効率的に実験によるデータ収集を行う必要がある．ここでは傾斜基板を用いたデータ収集方法について述
べ，さらにそれらのデータを用いた機械学習による，水の接
触角，タンパク質吸着量の予測に関する事例を紹介した．また，近年では筆者らは SAMs よりも複雑かつ多様な構造を持つ高分子膜へのタンパク質の吸着の予測も可能であることを実証している(16) ．このように更なる情報科学的手法のバ( 1 ) 林 智広生体適合性制御と要求特性掌握から実践する高分子バイオマテリアルの設計・開発戦略～モノマー(いち)から
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(14) D. Palai，千頭俊太，前田翔一，田原寛之，林 智広表面と真空，65(2022), 1014.
(15) R. J. Kwaria, E. a. Q. Mondarte, H. Tahara, R. Chang and T.
Hayashi: ACS Biomater Sci. Eng., 6(2020), 49494956.
(16) D. Palai, H. Tahara, S. Chikami, G. V. Latag, S. Maeda, C.
Komura, H. Kurioka and T. Hayashi: ACS Biomater Sci. Eng.,(2022), 印刷中.

イオマテリアル材料開発への応用が期待される(14)．

★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★
2003年 5 月

情報科学の手法は，従来の試行錯誤的アプローチを軽減し，「研究者が集中すべき課題に集中できる時間を作ってくれる」ことが期待できる．一方で，今回紹介した機械学習を用いた材料の化学構造からの材料機能の予測における回帰モ
デルの構築は，実は複雑な相関関係を解析しているに過ぎず，材料機能が発現するメカニズムに関しては，回帰モデルの解析からは困難な場合が多い．筆者は基礎研究と応用研究の両輪を回すには，メカニズムの理解のための研究と材料の



林

智広

ハイデルベルグ大学物理化学研究所 Ph.
D 取得
2006 年 7 月 東京工業大学大学院総合理工学研究科
助教
2010 年 7 月 東京工業大学物質理工学院材料系准教
授
専門分野表面・界面科学，マテリアルズインフォマ
ティクス◎バイオマテリアル近傍での分子の振る舞い，それにより引き起こされる相互作用の解析に従事．近年では情報科学を用いたバイオマテリアル設計に注力している．

★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★

特集

有機デバイスの生体・医療応用
横

田

知

之

ングすることが可能となっている．また，ウェアラブルデバ

.

は じ

め

に

イスの装着負荷をさらに減らすために，センサ部分のフレキ
シブル化や小型化の研究も進んでいる．従来の固いセンサと半導体を用いたイメージング技術の進歩とともに，医療診比較して，フレキシブルなセンサは，材料自身がやわらかい

断用の機器は発展を遂げてきた． X 線や超音波などの電磁ために，生体曲面に追従するように貼り付けることができ波を用いたイメージングは，生体内の情報を非侵襲に取得する．その結果，センサと肌の密着性が向上し，脈拍や血中酸ることが可能である．実際，これらの電磁波を利用したイメ

素濃度といった生体信号を，日常生活の中で精度よく測定すージング技術である，磁気共鳴画像診断( MRI )やコンピュることが可能になる．

ータ断層撮影(CT )などが，病気の診断などにおいて必要不可欠な技術となっている．

本稿では，我々が近年開発したフレキシブル有機イメージ
ャー技術について紹介をする(1)．我々の開発した有機イメー

これらの生体イメージングの重要な応用先として，大きく

ジャーは，これまでのフレキシブルイメージャーとは異な

2 つに分類することができる． 1 つ目は， X 線や CT などをり，高解像度と高速撮像を同時に実現することに成功した．

用いた体内の静的な生体情報を撮像するイメージング応用．

その結果，指紋や静脈といった静的な生体情報と，脈波など

もう 1 つは，脈拍や血中酸素濃度，血圧といった時間と共の動的な生体情報を 1 枚のセンサで同時に計測することがにダイナミックに変化する動的な生体情報を撮像するイメー可能である．

ジング応用である．静的な生体情報のイメージングでは，ダイナミックな変化が少ないために，イメージングする速度は.

フレキシブル有機イメージャー

求められない．一方で，多点かつ細かなイメージの撮像を行う必要があるために，高解像度や高感度といった特性がデバ

我々の開発したフレキシブル有機イメージャーのデバイス

イスに求められる．その一方，動的な生体情報のイメージン

構造図とデバイス写真を図に示す．フレキシブル有機イメ

グでは，1 点もしくは数点での測定が求められること多く，

ージャーは，近赤外光に高感度を有する有機フォトダイオー

高解像度を必要としない．しかし，血流のように常に変化をドを光センサに，低温ポリシリコン(LTPS)薄膜トランジス

しているものを撮像するため，高速での撮像がデバイスに求タをセル選択のためのバックプレーンに用いている(図 1)．

められる．

フレキシブル有機イメージセンサは，実効的な受光総面積が

近年，目覚ましい半導体デバイスの小型・軽量化が進むこ

12.6 × 12.8 mm2 で あ り ， セ ル ピ ッ チ が 50 mm ， 解 像 度 がとで，スマートウォッチを代表としたウェアラブルデバイス

508 dpi となっており，総ピクセル数が252×256である．光に集積可能なイメージング素子の開発が行われてきている．

センサ部である有機フォトダイオードは，近赤外光領域の既に製品化されている，スマートウォッチやリストバンド型

850 nm が最大感度波長であった．また，有機フォトダイオ

のデバイスには，小型の LED 素子と光センサが実装されてードには大気安定な逆型構造を用いており，大気中での高い

おり，光センサが皮膚に直接接触することで，脈拍や血圧，

信頼性を実現している．

血中酸素濃度といった生体情報を，連続的に長期間モニタリ

フレキシブル有機イメージャーに光が照射されると，有機東京大学大学院工学系研究科准教授(〒1138656 東京都文京区本郷 731)
Bio Medical Applications of Organic Devices; Tomoyuki Yokota(School of Engineering, The University of Tokyo, Tokyo)
Keywords: organic electronics, flexible sensor, flexible imager, fingerprint, organic photodetector
2022年 6 月30日受理[doi:10.2320/materia.61.769]

ま て り あ 第61巻 第11号(2022)
Materia Japanた，酸化インジウムスズ(ITO)を透明電極として用い，ITOの表面に酸化亜鉛(ZnO)層を形成することで，電子輸送層を形成した．有機層は，ドナー材料として PMDPP3T ，アクセプタ材料として PCBM を用いており，この 2 種類の材料を混合したバルクヘテロ構造を用いている．上部電極としては， PEFOT  PSS と銀を用いた．有機フォトダイオード
は，厚さ 1 mm の高分子膜で封止を行っている．最後に，レーザーリフトオフプロセスを用いることで，ポリイミド基板
を支持基板として用いていたガラス基板から剥離すること
で，フレキシブルなイメージャーを実現した．


イメージセンサの基礎特性

これまでに報告されている近赤外光に応答するフレキシブ
ルな有機フォトダイオードは，暗電流が高いために，検出感度が低いといった課題があった(2)(3)．また，暗電流を低く抑えた有機フォトダイオードも報告はされているものの，光感度が低く生体イメージングには用いるのが難しかっ
図1

フレキシブル有機イメージャー．(オンラインカラー)

た(4)(6) ．今回，我々の開発したフレキシブル有機フォトダ
イオードは，ドナー材料とアクセプタ材料の混合率，有機層の膜圧を最適化することで，近赤外領域における高い光感度半導体層が光を吸収することで，光電変換により光電流が発と，低い暗電流を同時に実現することに成功した．分光感度

生し，電荷が各セルのセンサ素子のキャパシタに蓄積されは，静脈認証などで用いられる 850 nm の波長において，る．この蓄積された電荷量を信号として読み出すことで，イ0.57 A/W を示した．この分光感度は，従来のイメージャー

メージングを行うことができる．この読み出し・信号処理をなどに用いられているシリコンフォトダイオードと比較して行う回路部分は，フレキシブルケーブル上に実装を行っていも同等の感度となっている．また，作製した有機フォトダイ

るために，フレキシブル有機イメージャーのシステム全体がオードの暗電流密度は 10－7 A / cm2 以下と低く，波長 850

高いフレキシブル性を有している．

nm で出力が 2.9 mW/cm2 の近赤外光を照射した時の光電流

フレキシブルイメージャーの作製プロセス

密度は 1.7 × 10－3 A / cm2 を示しており， 4 桁近い ON / OFF比を実現した．

次にフレキシブルイメージャーの作製方法について簡潔に

今回，開発したイメージャーは，高解像度と高速動作を実説明する．フレキシブルイメージャーは， 10 mm のポリイ現するために，移動度の高い LTPS トランジスタをバック

ミドを基板として用いており，ポリイミド上に LTPS のト

プレーンに用いている．実際，LTPS トランジスタの移動度

ランジスタバックプレーンをはじめに作製している．トランは 10 cm2 / Vs 以上あり，有機トランジスタやアモルファス

ジスタは，チャネル長が 4.5 mm，チャネル幅が 2.5 mm，移シリコンの薄膜トランジスタの平均的な移動度 1 cm2/Vs と動度が約 40 ～ 70 cm2 / Vs であり，各セルにおいて，このト比較して，高い移動度を有している．また，LTPS はドープ

ランジスタを 2 個直列に接続している．LTPS 薄膜トランジ

材料を変えることで，PMOS と NMOS の両方を簡便に実現

スタは，SiO, SiN, SiO, aSi の 4 層を成膜した後に，エキシすることができ， CMOS 回路を形成することができるといマレーザーによってアニールを行い， a Si を結晶化させる

う利点を有している．また，トランジスタの ON/OFF 比にことによりポリシリコンを形成する．

関しても， 104 ～ 106 である有機トランジスタやアモルファ

ポリシリコンを形成した後，ホウ素とリンをドーピングすスシリコントランジスタと比較して，107 以上と大きな ON/ることで，それぞれ PMOS と NMOS の電極を形成した．

OFF 比を実現している．今回作製した LTPS トランジスタ

電極を形成後，絶縁膜として 70 nm の SiO ，ゲート電極とは， PMOS と NMOS 共に移動度が 40 ～ 70 cm2 / Vs ， ON /して 250 nm の MoW を成膜した．その後，有機フォトダイ

OFF 比も 7 桁以上であり，非常に良好な特性を実現するこ

オードをバックプレーン上に形成するために，厚さ 2 mm のとができていた．

平滑層と封止膜を成膜した．バックプレーンと有機フォトダ作製した LTPS トランジスタのバックプレーンは， 60 ms

イオードは，封止膜にドライエッチングを用いて形成したビという高速で 1 セルを読み出すことができる．これは，従アを通じて接続した．

来報告されてきた有機トランジスタや IGZO，アモルファス

次に，有機フォトダイオードをバックプレーン上部に形成シリコンを用いたトランジスタと比較して，移動度が 5～10

した．有機フォトダイオードのアクティブ層には，近赤外光倍と高いためである(7)(9) ．さらに，移動度が高いためにセ領域( 850 nm )に高い感度を持つ有機半導体を用いた．まルを微細化することもでき，従来のフレキシブルイメージャ



特

集

ーよりも高精細な 508 ppi という解像度で設計されている．

センサを用いており，指先や耳たぶなどの特定の位置でしかこの高精細，高速動作する LTPS トランジスタと高感度を計測できなかった．一方で，フレキシブルなセンサは，指先有する有機フォトダイオードを集積化することで，4.7 mW/

のみならず，手首や額等にも貼り付けることができ，脈波のcm2 という非常に強度の低い光を高速に検出することができ計測が可能である．実際，フレキシブル有機イメージャーをた．

用いて脈拍の測定を行った結果を図に示す．開発したフレ

フレキシブル有機イメージャーの評価

キシブルイメージャーを用いて測定した結果と市販の脈拍計を用いて測定した結果を比較したところ，どちらのセンサで我々の開発したフレキシブル有機イメージャーの特徴としも，1 分間当たり77拍と同じ心拍数を示していた．さらに，て，光学系を用いずに，皮膚に直接イメージャーを接触させ脈波のピーク位置の平均時間差を評価したところ，市販の脈るだけで，指紋を撮像することができる点がある．実際に，拍計と比較して 30 ms と非常に小さい値を示しており，市

有機イメージャーを用いて指紋を撮像した結果を図に示

販の脈拍計と同等の性能で計測することができることが確認す．撮像した指紋の画像は，隆線の数，分岐点，端点といっできた．

た特徴点のみならず，汗腺の位置まで検出できており，生体

一般的に用いられるフレキシブルな脈波計は，センサが一認証を行ううえで重要な指紋情報が撮像できている．先ほど点のものがほとんどであった．手首などで脈波を計測する場

述べたように，光学系を用いずに，高精細な指紋像を撮像できるため，システム全体を容易に小型化かつフレキシブル化
することが可能である．
さらに，フレキシブル有機イメージャーと光学レンズを組みあわせることで，静脈を撮像することもできる．図にフレキシブル有機イメージャーを用いて，指の静脈像を撮像した結果を示す．静脈を撮像するために，指の上部から近赤外の LED を用いて光を照射し，指を透過した光をレンズで集光することで，静脈の撮像を行った．今回撮像した静脈像
は，静脈認証を行う上で一般的に用いられる，静脈の分岐点や分岐角度，本数などの特徴的な情報が明確に取得できている．また，有機イメージャーで撮像した静脈像は， CMOS
イメージセンサを用いて撮像した静脈画像と比較したところ，ほぼ同等の像を所得できていた．
今回開発したフレキシブル有機イメージャーは，前述した通り，高速撮像も可能である．そのため，指紋や静脈といった静的な生体情報を撮像できるのみならず，脈拍などの動的な情生体報を計測することができる．従来の脈波計は，固い
図3

図2

フレキシブル有機イメージャーで撮像した指紋画像．
個人保護のために一部に加工を施している．

ま て り あ 第61巻 第11号(2022)
Materia Japan

図4

フレキシブル有機イメージャーで撮像した静脈像．個
人保護のために一部に加工を施している．

フレキシブル有機イメージャーで撮像した脈波． (オンラインカラー)合，センサの貼り付け位置によって脈波の信号強度が大きくあった．そこで，図に示すようなウェアラブル型のイメー

変わってしまう．これは，血管の近くにセンサがある場合

ジャーの開発を行った．開発したウェアラブル型イメージャ

は，脈波が安定して計測できる一方で，血管がない場所でーは，フレキシブルイメージャーの周辺に，光源として 16は，生体内部で反射・散乱される光が小さいために，信号強個の近赤外光の LED チップを集積化している．さらに，静度が小さくなってしまうためである．一方で，今回作製した脈の撮像を行うために，光学系としてフレキシブルルーバー

有機イメージャーは，高解像度と高速撮像を実現しているたをイメージャー上に集積化している． LED チップは，フレ

めに，各セルごとに脈波を計測することができる．そのた

キシブル基板上に実装することで，曲げることが可能となっめ，センサの貼り付け箇所がずれた際にも，セルごとの振動ており，腕などの曲面にも追従することが可能である．

強度を計測することで，最も安定して脈波を計測できる素子

このウェアラブル型イメージャーを用いて静脈の撮像を行を選択することができる．その結果，長期的に脈波を計測すった結果を図に示す．ウェアラブル型イメージャーは，シることが可能となる．

ステム全体としてフレキシブルであるために，手首の部分に巻き付けることができていることがわかる．ウェアラブル型

ウェアラブル型有機イメージャー

イメージャーでは，イメージャー部分のサイズを 3 cm × 4

上述した有機イメージャーは，光源やレンズなどの光学系

cm まで大きくするために，解像度を落とした素子を用いてが集積化されておらず，ウェアラブルデバイスとして用いるいる．そのため，図 3 で示した静脈像と比較して，静脈のためには，これらの素子をイメージャーに集積化する必要が境界部分が若干ぼやけていることがわかる．一方で，静脈の分岐の形などはきちんと撮像できており，生体認証などに用いるには十分な画像であることが確認できた．
開発したウェアラブル型のフレキシブルイメージャーは，
図 6 に示すように，光学系や光源を含めても十分に薄く，曲げることが可能である．そのため，血圧計やリストバンド型のデバイスとの集積化が容易に行うことができる．そのため，生体計測と生体認証が同時に可能な医療機器への応用が期待される．


血流イメージング

開発したフレキシブルイメージャーを用いた応用例の 1
つに血流の可視化があげられる．今回，開発したフレキシブ
図5

ウェアラブル型有機イメージャー．(オンラインカラー)

ルイメージャーを用いて撮像した静脈像の時間変化に関する画像に対して特異値分解を用いて解析することで，血流の可視化を行った．特異値分解は，画像解析に古くから用いられている手法で，画像の時間変化などから特徴量を抽出することが可能である(図)．
図に，実際の特異値分解についての概略図を示す．まず，イメージャーを用いて指の静脈像の時間変化を撮像す
る．今回の解析で用いた画像は 18 秒で 1000 枚撮像した静脈像である．この画像データを 2 次元の行列に変換し，その行列をもとに特異値分解を行った．すると，得られた画像は特異値ごとに異なる情報を含んでいることが分かった．例え

図6

ウェアラブル型有機イメージャーを用いて撮像した手首の静脈像．(オンラインカラー)

図7



ば，特異値によっては，脈波の情報を含んでいるものであったり，体動ノイズを含んでいるものであったりすることがわ

特異値分解を用いた画像解析手法．(オンラインカラー)

特

集

図8

撮像した静脈像に特異値分解を行った結果．(オンラインカラー)

かる．この中から，生体情報を含む特異値のみを用いて画像を再変換すると，雑音信号を低減した画像を得ることができた．このような画像を解析することで，静脈内のコントラス
トが時間的に変化する画像を得ることに成功した．

.

お わ

り

に

今回我々の開発したフレキシブル有機イメージセンサは，
軽量かつ薄型で，曲げることができる．そのため，ウェアラ
ブル医療機器に容易に組み込むことができる．ウェアラブル
医療機器にイメージセンサを組み込みことができれば，ユーザの生体認証を行いながら，同時に健康状態を測定することが可能となるため，近い将来，セルフケアにおけるなりすましの防止や病院における患者の取り違え防止が可能になると( 4 ) B. Siegmund, A. Mischok, J. Benduhn, O. Zeika, S. Ullbrich, F.
Nehm, M. B äohm, D. Spoltore, H. Fr äob, C. K äorner, Karl Leo
and K. Vandewal: Nat. Commun., 8(2017), 15421.
( 5 ) T. Rauch, M. B äoberl, S. F. Tedde, J. F äurst, M. V. Kovalenko,
G. Hesser, U. Lemmer, W. Heiss and O. Hayden: Nat. Phot., 3(2009), 332
336.
( 6 ) G. Simone, D. D. C. Rasi, X. Vries, G. H. L. Heintges, S. C. J.
Meskers, R. A. J. Janssen and G. H. Gelinck: Adv. Mater., 30(2018), 1802359.
( 7 ) M. Kaltenbrunner, T. Sekitani, J. Reeder, T. Yokota, K.
Kuribara, T. Tokuhara, M. Drack, R. Schw äodiauer, I. Graz, S.
B. Gogonea, S. Bauer and T. Someya: Nature, 499(2013),
458463.
( 8 ) M. J. Powell: IEEE Trans. Electron Devices, 36(1989), 2753
2763.
( 9 ) H. Akkerman, B. Peeters, A. Breemen, S. Shanmugam, D.
Tordera, J. L. Steen, A. J. Kronemeijer, P. Malinowski, F. D.
Roose, D. Cheyns, J. Genoe,W. Dehaene, P. Heremans and G.
Gelinck: SID Sym. Dig. Tech. Papers., 49(2018), 494497.

期待される．

★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★

文献( 1 ) T. Yokota, T. Nakamura, H. Kato, M. Mochizuki, M. Tada, M.
Uchida, S. Lee, M. Koizumi, W. Yukita, A. Takimoto and T.
Someya: Nat. Electron., 3(2020), 113121.
( 2 ) S. Park, K. Fukuda, M. Wang, C. Lee, T.i Yokota, H. Jin, H.
Jinno, H. Kimura, P. Zalar, N. Matsuhisa, S. Umezu, G. C.
Bazan and T. Someya: Adv. Mater., 30(2018), 1802359.
( 3 ) Z. Wu, W. Yao, A. E. London, J. D. Azoulay and T. N. Ng:
ACS Appl. Mater. Interfaces, 9(2017), 16541660.

ま て り あ 第61巻 第11号(2022)
Materia Japan横田知之

2013年 東京大学大学院工学研究科博士課程修了
2013年 4 月2016年 3 月
東京大学大学院工学研究科電気系工学専攻特任助教
2016年 4 月2019年 5 月
東京大学大学院工学研究科電気系工学専攻講師
2019年 6 月現職
専門分野フレキシブルエレクトロニクス◎有機半導体を用いたフレキシブルなセンサの研究に従事．
デバイス物性などの基礎研究から医療デバイス応用まで幅広い研究を行っている．

★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★




表1

.

は じ

め

に

SIMS

表面・界面はバルクとは異なる性質を持つ．これは表面自由エネルギーが小さくなるように原子の再配列が生じ，結果としてバルクとは異なる原子配列となるためである．また，新たに出来た表面は化学的に活性であり，気体の吸着や表面反応が進行するため表面酸化，腐食，変色等の材料劣化につながる反応が生じる．言い換えれば，表面の特性を制御する
ことにより，材料の耐久性，機能性等を向上させることがで主な表面分析の比較．

XPS

Auger

EPMA・EDS

イオンビーム X 線
電子線
電子線
イオン
光電子
Auger 電子 特性 X 線
数 nm
数 nm
数 mm
＜1 nm
主要成分・微 結合状態
主要成分の 主要成分の組
量成分の組成組成
成検出下限
1～10 ppm
0.01～1 0.01～1 0.1～1
＜10 nm～ 1 mm
空間分解能 0.1～10 mm ～10 mm
絶縁物の測 容易
比較的容易 困難原則コーティ
定
ングが必要
定量性
困難(標準試料 可可可があれば可)
励起源
検出信号
情報深さ
情報

きる．そのため材料開発を行う上で，表面の状態を把握することは極めて重要である．
固体表面を調べる方法は様々あるが，どの分析手法を用い且つ最表面に近い情報が得られる．また，Auger, XPS と同

るかは調べたい現象が表面からどの程度の厚さまで関与して様に材料をスパッタしながら測定する深さ方向分析によっているかによって判断する．表面から数原子層の化学情報を得

表面から固体内部の元素分布の取得が可能である．注意が必るのによく使用されるのは二次イオン質量分析法(Seconda-

要なのは，SIMS は定量性がない点である．これは主要構成

ry Ion Mass Spectrometry: SIMS)，オージェ電子分光法

元素が変わることにより二次イオン化効率が大きく変わるた(Auger Electron Spectroscopy: AES)，X 線光電子分光法

めである(マトリックス効果)．SIMS で定量を行うには標準(Xray Photoelectron Spectroscopy: XPS)である．これら 3試料が必要になる． SIMS は検出感度が ppm から ppb と非つの表面分析手法と材料分野でよく使用される電子プローブ

常に高く，また水素からウランまでの全元素の分析が可能でマイクロアナライザー(Electron

Analyzer;

あることから，材料中に含まれる極微量添加元素や表面偏EPMA)，エネルギー分散型 X 線分析(Energy dispersive X析，微量汚染物質等の評価に有効な分析手法といえる．本稿

ray spectroscopy, EDX)の特徴を表にまとめた．

では最初に SIMS の原理，分類などについて述べた後，飛

Probe

Micro

いずれの分析手法も励起源であるイオンビーム， X 線，

行時間型二次イオン質量分析計(TimeofFlight Secondary

電子線を真空下で固体表面に照射し，放出される信号(イオIon Mass Spectrometry: TOFSIMS) について説明し，無機

ン，電子，特性 X 線)を検出する． SIMS, Auger, XPS では

材料分野における分析事例を紹介する．

放出される信号の脱出深さは表面から数 nm であり，これらの信号を計測することにより表面近傍の情報を得る．一方，

.

SIMS の原理と分類

EPMA, EDX の情報深さは数 mm で，バルク領域からの情報となる．
3 つの表面分析手法を比較すると，SIMS は最も高感度，

SIMS は超高真空下で数 keV ～数十 keV のエネルギーを持ったイオンビーム(一次イオンビーム)を固体表面に照射

IONTOF ジャパン株式会社アプリケーションサイエンティスト(〒2260006 横浜市緑区白山 1182 ジャーマンインダストリーパーク)
Basics of SIMS and TOFSIMS Application in Inorganic Materials; Chika Gemma(IONTOF Japan K.K., Kanagawa)
Keywords: SIMS(secondary ion mass spectrometry), dynamic SIMS, static SIMS, TOFSIMS, surface analysis, depth profile
2022年 7 月 1 日受理[doi:10.2320/materia.61.774]



解

説

がイオン衝撃を受けるのは 1未満に過ぎない．すなわち表面のどの場所も 2 回以上一次イオンが当たる確率は極めて低いことから，ほぼ非破壊で最表面の情報を入手することができる．また有機化合物の化学構造をある程度保ったままイオン化できるため無機材料だけでなく，有機材料の分析にも適している．最表面の分析を得意とする TOFSIMS は，一次イオンとは別に材料を掘るためのスパッタビームを併用することで Dynamic SIMS のように深さ方向分析を行うことも可能である．ただし，検出感度と深さ方向分析の測定速さ
では Dynamic SIMS に軍配が上がる(5)．一方， TOF SIMS
は全二次イオンの同時検出が可能で，これら全てが生データとして保存されており，モニターしていなかった質量ピークを測定後に評価することや，任意の平面領域，任意の深さか
図1

一次イオンと固体との相互作用．

らスペクトルを抽出することも可能である．そのため，研究開発分野はもちろんのこと，予期せぬ物質による故障等の原

し，表面から放出されるイオン(二次イオン)を質量分離して因解明の手段としても利用される(6)．

検出する．図に一次イオンと固体の相互作用を模式的に示.

す．試料に打ち込まれた一次イオンは，持っていた運動エネ

TOF
SIMS 装置

ルギーを周辺原子に与えながら固体内原子と衝突を繰り返し，最終的に固体内部で停止する．一次イオンと衝突した固図に(a)TOFSIMS 装置の一例，および(b)飛行時間型

体原子は更に近接原子と衝突を繰り返し(衝突カスケード)，

質量分析計の原理図を示す．メーカー，型式によって装置構最終的に固体原子の一部が試料表面から二次粒子として放出造が異なるため，ここでは IONTOF 社の“ TOF SIMS5 ”

される．二次粒子の大半は中性粒子，電子だが一部(通常はを事例に説明する．測定は超高真空下で行われる．一次イオ

1 以下)が正または負の電荷をもったイオンが放出されンビーム，スパッタビームは試料に対して斜め 45 度の入射る(1)．一次イオンの種類，エネルギー，入射角，材料によっ角で照射される．

て 異 な る が ， 一 般 的 な 二 次 イ オ ン の 放 出 領 域 は 5 10
nmf(2)，放出深さは 1 nm 以下である(3)(4)．



一次イオン源表面から放出された二次イオンは質量分析計で質量分離さTOF SIMS ではビームを微細に絞ることができる液体金

れ検出される．一般的に使用されている質量分析計には扇型

属イオン源(Liquid Metal Ion Gun: LMIG)が一次イオンとしの電場と磁場を組み合わせたセクター型，四重極型質量分析て主に用いられる．表 2 に記載したように金属種としては計を使用した Qpole 型，飛行時間型質量分析計を使用した＋
Ga＋, Au＋n , Bin があげられる．これら 3 種による無機物のTOF 型がある．これらの装置は一次イオン照射量の違いに二次イオン強度は大きく変わらないが，有機物を感度良く検より Dynamic SIMS と Static SIMS に分類される．表に＋＋(7) ．そのため現出できるのは Bi＋
n ＞ Aun ＞ Ga の順である

こ れ ら の 特 徴 を ま と め た ． セ ク タ ー 型 SIMS と Q pole

在市販されている装置では無機，有機共に感度良く測定でき

SIMS は Dynamic SIMS に分類され～ 1013 ions / cm2 以上のる Bi＋n が搭載されている．

連続ビームを使用し，表面を掘り進めながら分析する深さ方
向 分 析 を 得 意 と す る ． 一 方 ， Static SIMS に 分 類 さ れ る
TOFSIMS は～1013 ions/cm2 以下のパルスイオンビームを使用する． Dynamic と Static との閾値であるイオン照射量～ 1013 ions / cm2 はスタティックリミットと呼ばれている．
固体表面の原子密度は 1015 atoms / cm2 程度であり，スタティックリミット内で分析を行った場合，最表層の原子や分子
表2

質量分析計
一次イオン照射量
一次イオン種分析の特徴

Dynamic SIMS と Static SIMS の特徴．
Dynamic SIMS

Static SIMS

セクター型，四重極型＞1013 ions/cm2(連続ビーム)＋O＋
2 , Cs
微量元素の高感度分析

飛行時間型＜1013 ions/cm2(パルスビーム)＋
Ga＋, Au＋n , Bin など
表面分析(スパッタービー
ムを使用することで深さ方向分析も可能)ま て り あ 第61巻 第11号(2022)
Materia Japan

図2( a ) TOF SIMS 装置の一例 ( b ) 飛行時間型質量分析計
の原理．







しながら一次イオンビームで分析を行う．試料が無機材料の飛行時間型アナライザー

場合，使用されるスパッタ源は Dynamic SIMS と同様 O＋2 ,

図 2 ( b )に示すように試料は 0 V ，アナライザー電極に 2

Cs＋ が多い．スパッタ源の選択は測定する極性によって判

kV (加速電圧)が印可されている．一次イオン照射により表断する．正イオンの深さ方向分析の場合は O＋2 ，負イオンの面から放出された二次イオンはこの電位差により加速され，＋場合は Cs＋ を使用するのが一般的である． O＋
2 , Cs を正・

アナライザー内に取り込まれ，ドリフトパス内を飛行する．

負極性でそれぞれ利用するのは二次イオン強度が増加するた

図 2( a )に示すリフレクトロン型アナライザーの場合は，取めである．

り込まれた二次イオンはリフレクター部で方向が反転し，検O＋2 の場合，打ち込まれた酸素により金属と酸素が結合す

出器に向かって飛行する．質量分析計の外観長さは 1 m でる．二次イオン放出の過程でこれらの結合が切れると，酸素あるが，二次イオンの飛行距離は往復の 2 m となる．二次は電子親和力が高いため，電子を捕獲し負に帯電する．電子

イオン(質量 m，価数 z)が飛行距離 L を飛行した場合，飛行を奪われた金属は正に帯電するため，正イオンを感度良く測時間 t は次の式で表される．

定することができる(8) ．一方， Cs＋ の場合は試料表面へセ

t＝ L

m
2zU

(1)

すなわち軽い二次イオンほど速く，重いものほど遅く検出器

シウムが注入されることにより仕事関数が減少する．より多くの二次電子が表面電位差の障壁を越えて励起され，負イオ
ン生成量が増加する(8)．

に到達する．この飛行時間の差を用いて質量分離が行われ

＋
＋
＋
O＋
2 , Cs 以外にも Ar , Xe などをスパッタソースとしてる．式(1)で表されるように，計測された飛行時間から質量利用する場合がある．特に試料の酸化を避けたい場合は電電化比が求められ，質量電荷比に対する二次イオン強度を

Ar＋ を用いる．ただし，表面の自然酸化膜を通過すると酸

プロットすることによりマススペクトルが得られる．

素による増強効果がなくなるため，全二次イオン強度が一度に下がる．そのため， Ar＋ は微量元素の検出には不向きで

極性

ある．

表面からは正・負( Positive, Negative )の二次イオンが放上記スパッタソース以外に，ガスクラスターイオンビーム出される．正・負イオンを同時に検出することはできない．

(Gas Cluster Ion Beam: GCIB)について簡単に紹介したい．

アナライザーに印可する電圧の極性によって正・負どちらの

GCIB は有機材料の深さ方向分析に利用されるスパッタビー

イオンを検出するかが決まる．正イオンを検出する場合は－＋ムである．従来のスパッタビームである O＋
2 , Cs はスパッ

2 kV，負イオンを検出する場合は＋ 2 kV となる．正・負イ

タの過程で分子構造を破壊するため，有機物に関する有益なオンどちらをモニターするかは元素によって異なる．図に情報が得られない．一方，山田ら(9)が開発した画期的な技術

各元素が正・負どちらにイオン化しやすいかを示した周期表である GCIB は低損傷のスパッタが可能であることから，を示す．ただしこの図はあくまでも指標であり，元素によっ

スパッタイオン銃として開発され，有機材料の深さ方向分析ては正・負イオンどちらでも検出できる場合もある．金属酸が実現化した．ここで GCIB について触れたのは，GCIB は化物に関するピークは負イオンで検出される．

有機材料の深さ方向分析だけでなく，表面クリーニングにも

スパッタソースの選択利用できるためである(10)．通常，試料表面は大気や収納ケ＋ース等からの汚れに覆われている． O＋
2 , Cs でも汚れを除前述したように TOF SIMS でも Dynamic SIMS のよう去することはできるが，除去した場合はすでに表面の情報をな深さ方向分析を行うことができる． TOFSIMS で深さ方失っている．GCIB は有機材料のスパッタは効率よく行われ向分析を行う場合は，試料表面をスパッタビームでスパッタ＋
るが，金属材料の場合はスパッタ効率が低いため，O＋2 , Csよりも低損傷で表面に近いデータを取得することができる．


TOFSIMS のデータの表示方法と測定モード

TOF SIMS 分析では，イオン照射量をスタティックリミ

ット内に抑えるためパルス化されたビームが使用される．測
定時には測定領域内を指定した画素数で分割し，各画素にパルス化された一次イオンビームが打ち込まれる．検出された
各二次イオン強度は平面 x, y，更に積算を重ねれば深さ z 毎に生データ内に格納される． TOFSIMS のデータの表示方
法は図に模式的に示したようにスペクトル，イメージ，深さ方向分布(測定時間，スパッタ時間に対する強度の変化)，
3D イメージに分類される．材料表面から内部にかけての深さ方向分布， 3D イメージ表記をする場合は，スパッタビー
図3

極性選択の指標．

ムを併用しながらの測定となる．

解説

ため収差は生じず，空間分解能の高いイメージが得られる．しかし 100 nsec の長いパルスを使用しているため，得られる二次イオンはノミナルマス(整数質量)となる．
 Delayed Extraction モードAnalyzer の引き出し電極に◯電圧を印可するタイミングを遅らせることによって二次イオンパルスが圧縮される．このモードの場合，質量分
解能は一次イオンのパルス幅には依存しない．そのため
図4

TOFSIMS のデータ表示の種類．

Fast Imaging モードと組み合わせることによって質量分

解能，空間分解能ともに高いデータが得られる．引き出し電極に電圧を印可するタイミングを遅くしているため

 Spectromet測定モードの種類としては大きく分類して◯質量範囲 m / z 0 ～ 12 内の二次イオンの強度は極めて低く

 Fast Imaging (long pulse )モード，
ry ( bunching)モード，◯

なるか，あるいは検出されない．低質量範囲 m / z 12 40

 Delayed Extraction モードがある．モード名はメーカー，◯

では，二次イオンは検出されるが，二次イオン強度が低

 ，◯
 は一
時代によって異なるため別名を括弧内に記した．◯

下する．Delayed Extraction

 はアナライザー側の設定である．複数
次イオン側の設定で◯能，高空間分解能だけではなく， Spectrometry モードよ

モードの利点は高質量分解のモードが存在するのは，面分解能，質量分解能，検出感度

りも凹凸試料に強いことが利点として挙げられる(11)．

の全てを同時に得ることができず，これらのうち 1 つを犠

図に各モードで取得したパターン付きウェハのイメージ

牲にして測定するためである．そのため，分析目的に応じたおよびスペクトルを示す．イメージは Al＋ と Si＋ の分布を最適なモードを選択する必要がある．各モードの動作原理お重ね合わせて表示している． Al＋ と Si＋ の分布は図 5 ( a )によび利点・欠点を下記に述べる．

模式的に示した．測定視野角は数十 mm2 である．図 5 ( b ) , Spectrometry一次イオンのパルスの幅は数十 nsec に設◯( e )より， Spectrometry モードのイメージはぼやけている

定される．一次イオンカラム内にはバンチャー(Buncher)が，質量スペクトルを見ると同一質量数を持つ Si＋ ( m / zと呼ばれる機構があり，この領域内を通過するとパルス

27.9764 )と AlH＋ ( m / z 27.9888)の質量分離ができている．

が圧縮され，試料表面に到達するときには数百 psec 以下

一方 Fast Imaging モードのイメージは明瞭だが，得られるになる．非常に短いパルスを使用しているため，質量分スペクトルはノミナルマスであり，Si＋ と AlH＋ の質量分離解能が高いスペクトルが得られる．しかしパルスを圧縮はできていない(図 5(c), (f))．そのため，図 5(c)の Si＋ のしているため，パルス内にエネルギー分布が発生する．

分布には，Si＋ に AlH＋ のシグナルが混在している．しかしエネルギー分布を持ったパルスに対し，一次イオン光学

Spectrometry モードのスペクトル結果から， Si＋ の強度が系内のレンズでビームを収束させようとしても収差が生

AlH＋ に比較して十分高いため， Si＋ の分布として表示してじるため空間分解能は低下する．

い る ． こ の よ う に Spectrometry モ ー ド と Fast Imaging モ

 Fast Imaging モード100 nsec 程度の長さをもった一次◯ードは相互補完の関係にある．イメージ重視の測定を行う場

イオンパルスが一般的には使用される．このモードの場

合は Fast Imaging モードでイメージを取得し，ピーク同定合， Buncher 機構は OFF になっており，パルスは圧縮さのために別途 Spectrometry モードで測定することが多い．

れない．したがってパルス内のエネルギーは一定である

図 5 ( d ) , ( g )に示すように， Delayed Extraction モードでは

図5

各モードで取得したパターン付きウェハのイメージおよびスペクトル．(a ) Al＋ と Si＋ の二次イオン分布の模式図，(b)
(d) Al＋ と Si＋ の重ね合わせイメージ，(e)(f) 質量28付近のスペクトル．(オンラインカラー)

ま て り あ 第61巻 第11号(2022)
Materia JapanFast Imaging モードと同等のイメージが得られており，尚はシロキサン由来のピークが高く検出されているのに対し，且つ Spectrometry モードに近いスペクトルが得られる．

剥離紙無しではシロキサン由来のピークは確認できない．表Delayed Extraction モードを使用すれば，低質量領域の透過面分析を行ってシロキサン由来のピークが高く検出された場率が若干低下するものの，高空間分解能，高質量分解能のデ合は，両面テープもしくは保存容器の再検討が必要である．

ータを一度に取得することができる．

初めて TOFSIMS 分析を依頼する場合は分析担当者に試料容器および固定方法について予め尋ね，分析目的に合わせて

.

試料の保管容器に関して

保管容器を選択することをお勧めする．

.

TOFSIMS は最表面を分析する装置である．表面からの

TOF
SIMS の無機材料の分析事例情報を得る場合は保管容器に注意を払う必要がある(12) ．適した保管容器を使用しないと，保管容器の成分によって表面TOF SIMS は無機材料，有機材料，生体材料等，幅広いが汚染されるためである．深さ方向分析を行う場合はこの汚分野で利用されている．本章では無機材料にフォーカスしれはスパッタされるので，神経質になる必要はない．表面分

TOFSIMS の分析事例を紹介する．

析を行う場合は図( a )の半導体試料に使用されるウェハケース等が望ましい．ウェハケースが入手できない場合はアル




鉄鋼材料

ミ箔で試料を包んだ上，保管容器に収納することをお勧めす

鉄鋼材料において SIMS 分析は主に平面方向，深さ方向る．図 6( b )に示すチャック袋には直接試料は入れない．チの元素分布を得るのに利用される．鉄鋼材料には様々な元素

ャック袋は一見きれいに見えるが，離型剤・可塑剤等が含まが意図的にあるいは不可逆的に含有されており，熱処理の過れている．チャック袋に試料を直接入れるとその成分が表面程で偏析あるいは表面に向け拡散することがある．特に P,に付着し，妨害ピークとして結果に表れる．また容器に試料

S といった元素の粒界偏析や，(FeCr)23(CB)6 等の化合物のを固定する際は剥離紙付きの両面テープは使用しないか，あ

粒界析出は材料の脆化につながるためこれらの元素の分布状

るいは極力小さく切って試料を固定する．剥離紙付きの両面態を測定する必要がある． S, P, B 等の含有元素は数以下

テープには離型剤であるシロキサンが多く含まれている．シと微量であり，特に軽元素である B は他の分析手法では感ロキサンは非常に動きやすい成分で，試料裏面から試料表面度が低いため検出が困難である．そのため検出感度が高いへ移動し表面を覆う．図(a), (b)に剥離紙有り，無しの両SIMS が微量元素の測定に利用される(13)(14) ． TOF SIMS

面テープから得られたスペクトルを表示した．剥離紙有りででどのようなイメージが取得できるのか紹介する．図( a )に Mn を 19 mass，Ni を 0.34 mass含んだオーステナイ
ト系ステンレス鋼の溶体化処理後の深さ方向分布を示す．主要組成は表に示した．表面近傍では FeO－, CrO－, MnO－の強度が高く，一定の深さに達すると強度が急激に低下し，やがて一定の強度となる． FeO－, CrO－, MnO－ の強度が高い領域はステンレス鋼上に形成された酸化膜層であり，その厚みは約 30 nm である．酸化膜の厚みは熱処理の環境および添加元素によって変化する(15)．図 8(a)中の Layer 1, Lay-

図6

試料保管容器 ( a ) 適した容器ウェハートレーなど半導体用ケース，(b) 適さない容器チャック袋．

er 2 と記した領域から抽出したイメージを図 8( b )に示す．
Layer 1 では FeO－, BO－ は一様に分布している． Layer 2

では FeO－ の輝度が高い結晶粒と輝度が低い結晶粒が確認できる．これは結晶方位により二次イオン化効率が異なるために生じたアーティファクトである．ここで興味深いのがC－, CCr－ の分布である．これらのイオンは粒界で特に輝度が 高 く ， Layer 1 か ら Layer 2 に か け て 確 認 で き る ． C－,
CCr－ の分布から炭化物の粒界析出が示唆される．このように SIMS では平面方向，および深さ方向の元素分布が高感度で得られる．深さ方向分析ではその他の応用として B の拡散係数を求めるのにも用いられている(16) ．図に Al を
1.6 mass  , 2.9 mass 添加したオーステナイト系ステンレ

ス鋼の酸化膜層のイメージを示す．主要組成は表 3 に示した． Al1.6 massでは全イオンは比較的均一に分布してい図7



両面テープのスペクトル ( a ) 剥離紙付き両面テープ，(b) 剥離紙無しの両面テープ．

るのに対し， Al2.9 massでは FeO－, CrO－, NiO－ は局所的に分布していることから， Al の添加量増加に伴い酸化膜

解説

内で 2 相に分離したことが示唆される．このように特徴的

合は表面あるいは表面から深さにかけての水素の分布を取得な元素をモニターすれば異なる相のイメージが取得できる．

し，水素の強度から水素濃度の算出を行いたいところだが，この特性を利用した二相ステンレス鋼に関する非常に興味深

水素の拡散，脱離により正味の水素イオン強度を求めること

い研究がある．宍戸らはフェライトオーステナイト系二相が困難である．正しい水素の分布を得るには試料を冷却しな

ステンレス鋼に重水素をチャージし TOFSIMS で重水素のがら測定を行う必要があり， Fe / V 多層膜試料の APT 分析

イメージを取得した(17) ．水素を検出できる分析装置にはグ

では 60 K でも水素の移動が確認され，30 K まで冷却するこ

ロー放電発光分析装置(Glowemissionとで正しい水素の分布が得られている(18)．宍戸らは超高真GD OES )や 3 次元アトムプローブ( Atom

空下，常温で測定を行い，二相ステンレス鋼中で重水素がフProbe Tomography: APT)があるが，広視野でのイメージがェライト相に高濃度で分布しているのをとらえている．一般

spectrometry:

discharge

optical取得できる SIMS も材料中に含まれる水素の分析手法としに水素は fcc 結晶構造を持つオーステナイト相に固溶されて挙げられる．しかし，SIMS において鉄鋼材料等に含まれる．一方 bcc 構造を持つフェライト相の水素の拡散はオーる水素の分析は困難である．その理由は，SIMS は定量性がステナイト相に比較して桁違いに速い．そのため，文献ないため，濃度を算出するにはチャージした水素量に対して( 17 )のフェライト相における局所的な重水素の分布は，オ

検量線を引く必要があること，真空チャンバー内の残留ガス

ーステナイト相に固溶していた重水素がフェライト相から拡に水素が含まれること，材料中の水素の移動性が高く，水素散・散逸している過程を可視化したものと考えられる．

チャージ後に水素が材料から散逸することなどがあげられ

TOFSIMS による鉄鋼材料中の水素の分析事例としてオーる．チャンバー中に含まれる水素の影響は重水素を利用し，ステナイトステンレス鋼の Insitu 測定がある(19)．ノッチ付

水素の同位体 2H－ を測定すれば除去できる．単相試料の場

き試験片は予め電気化学的に水素がチャージされており，測定中の重水素の散逸を抑えるため 203 K まで冷却している．
TOFSIMS 装置内でこの試験片に負荷をかけ，ノッチ近傍のイメージを取得した結果，高い応力が作用しているノッチ
周辺に向かって重水素が移動しているのが確認されている．
SIMS で水素を分析するには定量性，水素の散逸といった課題が残されているものの，文献( 17)( 19 )の研究から，水素脆化等の分野で TOFSIMS 分析が活用できる可能性が広がったと言える．


磁気記録材料

ハードディスクの TOFSIMS 分析事例を紹介する．ハードディスクは多層構造を持ち，更に摩擦面を保護するために

図8

高 Mn 低 Ni オーステナイトステンレス鋼の (a ) 深さ方
向分析，( b ) Layer 1 (酸化膜層)と Layer 2 (バルク)から抽出したイメージ．(オンラインカラー)

表3

高 Mn 低 Ni
Al1.6 mass
Al2.9 mass

図9

Al 1.6 mass  , 2.9 mass 添加したオーステナイト系
ス テ ン レ ス 鋼 の 酸 化 膜 中 の イ メ ー ジ ( 文 献 15 よ り 転載)．(オンラインカラー)

各オーステナイトステンレス鋼の主要組成(単位 mass)．

C

Si

Mn

P

S

Cr

Ni

Mo

Al

N

0.344
0.025
0.116

0.30
0.02
0.05

18.89
0.06
10.27

0.021
0.007
0.010

0.002
0.006
0.005

18.20
14.74
12.98

0.34
10.62
7.93

0.06
0.02
0.03

―
1.640
2.870

0.014
0.021
0.020

ま て り あ 第61巻 第11号(2022)
Materia Japan表面は潤滑油で保護されている．そのため，各層の評価だけ学情報が得られる TOFSIMS が潤滑油評価に利用される．

でなくトライポロジーの分野でも TOFSIMS 分析が利用で図に潤滑油として使用されるパーフルオロポリエーテル

きる(20)(21)．図にハードディスクの深さ方向分析結果を示(PFPE)油の正極の質量スペクトルを示す．PFPE に特徴的

す．この測定は正極で行われているがスパッタビームにはな C x F y O＋
z 系のピークが多数検出されている．ハードディス

Cs＋ を使用し，スパッタの過程で生成する MCs＋ を検出しクの摩擦試験前後のスペクトルを比較することにより，潤滑 スパッタソースの選択に記述したように，正極ている．3

油の分解反応を評価することができる(20)(21)．

の深さ方向分析には O＋2 を使用するのが一般的である．しかし O＋
2 による深さ方向分布はマトリックス効果の影響が大き




電池材料

く，試料組成は反映されない．図10(a)では組成が異なる材

電池材料への TOFSIMS 分析の応用事例としてリチウム料間でも定量性が良いと言われる MCs＋ を検出することにイオン電池の測定結果を紹介する．リチウムイオン電池の正より材料組成を反映した結果が得られている(22) ．但し，

極は図(a)に示すように活物質(リチウム遷移金属酸化物)

Cs＋ では正イオンの感度増強が望めないことから，微量元とバインダ(ポリフッ化ビニルデン)，導電助剤(カーボンブ

素の測定には適さない．図10(a)のプロファイルを 3 次元的ラック)からなる．これらの材料が均一に分散しているのがに表記したのが図 10 ( b )である． 3D イメージを用いれば層望ましく，活物質の孤立や，バインダの偏在化により性能がの構造を視覚的に捉えることができ，さらに平面方向に構造低下する．そのため正極材内部の各物質の分布を調べることがある試料の場合は xyz の 3 方向からの評価が行える．

が重要である．しかし，図12(b)の二次電子像からわかるよ

次にハードディスク上の潤滑剤分析の事例を紹介する．ハ

うに正極材の表面は非常に粗い．深さ方向分析は表面が滑らードディスクはヘッドと接触するため，摩擦面を保護するたかで尚且つ深さが数 nm～数 mm の範囲で有効だが，電池材

め潤滑油膜で被覆されている．この被覆膜は 1 nm 程度と非料のように表面凹凸が激しく，数十 mm の深さまでの分布を常に薄い．そのため情報深さが 1 nm 以下で更に摩擦面の化得るには適さない．このような場合は試料の断面を作成し測定することが提案されるがリチウムイオン電池のように脆い材料では断面試料作製が困難である．そのため，収束イオン
ビーム(FIB)を搭載し，insitu で加工できる装置が開発された ． 図( a ) に 装 置 構 成 図 を 示 す ． IONTOF 社 の TOF ＋SIMS の場合， Cs＋ と O＋2 (あるいは Ar )， GCIB と FIB でカラムを共用することで，最大 5 つのイオン源を搭載できる．図13(b)に模式的に示したように，一次イオンガンに対

図11

図 10



ハードディスクの ( a ) 深さ方向分析，各強度は Cs＋ の強度で規格化 (b) 3D イメージ．(オンラインカラー)

図12

ハードディスクの潤滑剤スペクトル．

ニッケルイオン電池の (a) 正極模式図と (b) 二次電子像．

解説

データ使用に関してカールスルーエ大学の Prof. Dr. Astrid
Pundt より許可をいただきました．ここに謝意を表します．

また一部のデータに関して IONTOF GmbH より提供頂きましたことを感謝致します．

文

献料の特性を向上させるために無機・有機の複合材料や表面処( 1 ) 吉原一紘，吉武道子表面分析入門，裳書房，(1997), 105.
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https://www.iontof.com/( 7 ) F. Kollmer: Appl. Surf. Sci., 231232(2004), 153
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理された材料では無機の情報だけではなく，質量スペクトル★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★

図13

図 14

(a) 装置構成図と (b) FIB 測定の模式図．

FIB 加工面の二次イオンイメージ ( a ) 負，正の二次イ
オンイメージ，( b ) O－, F－, C－ の重ね合わせイメー
ジ．(オンラインカラー)

して90°の角度に FIB が搭載されており，加工された断面を一次イオンで分析する構成になっている．図(a)に断面加工後に得られたイメージを示す． Ga により 140 × 70 × 70
mm3 サイズのクレータ加工を行い，その表面および壁面を75 mm2 で分析している．図中内，線の上部が表面，下部が断面加工された領域である．図14(a)から活物質由来の Li＋,
Mn＋, Co＋, O－ ，バインダ由来の F－ ，導電助剤由来の C－の分布が確認できる．C－ の分布から導電材が局所的に存在していることが確認できる．図 14 ( b )に O－, F－, C－ のイメ
ージを重ね合わせた結果を示す．バインダ由来の F－ は網目状に分布しているのに対し， C－ は O－ が欠乏している領域
で高く検出されていることがわかる．

.

お わ

り

に

SIMS の 原 理 と Dynamic SIMS と Static SIMS の 基 礎 に関して解説した．本解説で示したように TOFSIMS は無機材料においては特に低元素を効率的に分析できる．また，材

2003年 東海大学工学部金属材料学科修士課程修了
2015年 ドイツゲッチンゲン大学にて博士号取得
株 日立サイエンスシステムズ
2003年～2006年 株 日立ハイテクサイエンス2016年～2022年 
2022年 4 月現職
専門分野表面分析◎TOFSIMS を中心とした表面分析分野にて活動．

から有機分子構造の変化も捉えることができる．このように無機・有機材料共に有益の情報が得られる TOFSIMS は材料分野の研究，開発現場で大きく貢献できる分析手法であるといえる．
本稿のステンレス鋼の測定に関しては Bundesministeriumf äur

Wirtschaft

undTechnologie ( BMWi )プロジェクト★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★
源馬智香

0327802C の支援を受け行われました．またステンレス鋼の

ま て り あ 第61巻 第11号(2022)
Materia Japan平面波基底の第一原理計算法(第三回)
香

山

正

憲

(第二回からの続き)

るが間違い)．証明は以下． G• ′－ G• ＝ l1 •b1 ＋ l2 •b2 ＋ l3 •b3 ( li は整.

ら基本格子ベクトル …a1 ， …a2 ， …a3 の三方向に沿う平行六面体数)とし，単位胞内(体積 Qc ＝ …a1 ・ …a2 × …a3 )の積分は，原点か

第一原理擬ポテンシャル法での平面波基底とハミルトニアン
格子周期関数のフーリエ級数展開

なる(16)(39)．

擬ポテンシャルのもと，全領域でスムーズな価電子波動関数を平面波基底で展開する．本章では，波動関数やハミルト
ニアンの平面波基底表現を説明する．関連する重要項目として，格子周期関数の逆格子ベクトル・フーリエ級数展開から説明する．格子周期関数は，式( 14 )の周期系のポテンシャ
ル Veff ( r… )，式( 17 )の固有関数内の U •kn ( r… )，電子密度分布r(r… )など多数あり，各単位胞で同じものが繰り返す．

エ級数展開は
(38)

G•

f

1
Qc

f(r… ) exp [－iG• ・r… ]d…r

(39)

Qc

で与えられる．Qc は単位胞の体積．G• の exp [iG• ・r… ]自体が格子周期関数である(式( 16 )から exp [ iG• ・( r… ＋ R• )]＝ exp[iG• ・r… ])．式(39)で f(r… )から様々の G• の{f(G• )}を求めることをフーリエ変換，逆に式( 38)で{f( G• )}から f( r… )を組み立てることをフーリエ逆変換という(本ノートでは括弧{ }は様々な G• のフーリエ成分やベクトル係数の集合の意味)．
式(38)，(39)の展開には，以下の関係式が必要である．

f

1
Qc

Qc

・r… ]d…r＝dG• G• ′exp [－iG• ・r… ] exp [iG• ′・r… ]dr…
exp [－iG• ・r… ] exp [iG• ′

Qc

＝

1
Qc

－G• )・r… ]d…r
exp [i(G• ′

Qc

1
＝ Qc
Qc

3

1
0

dl1dl2dl3 exp [ilj •bj・lj …aj]

j＝1

＝

0

＝

dl1dl2dl3 exp [i2pl1l1] exp [i2pl2l2] exp [i2pl3l3]

exp [i2pl1l1]
i 2p l1

10

exp [i2pl2l2]
i 2p l2] [exp [i2i2ppl l l ]]10＝dG• ′－G• , 0＝dG• ,G• ′

3 3

3

1
0

(41)

式(15)から …ai・ •bj＝2pdij を使っている．
exp [iG• ・ r… ]は，同じ位相の点 r… が G• に垂直な平面になるとなる．フーリエ係数(フーリエ成分)はf(G• )＝

f
f
∑
f
f
[
][

1
Qc

1

一般に格子周期関数 f(r… ＋R• )＝f(r… )につき，R• の格子系から組み立てた逆格子の逆格子ベクトル G• を用いて，フーリ
f(r… )＝∑f(G• ) exp [iG• ・r… ]内の積分で， l1 …a1， l2 …a2， l3 …a3 として各々 l1， l2， l3 の 0～
1 の積分に変換する．変数変換のヤコビアンが Qc で以下と(40)

積分範囲は単位胞内である(全空間としているテキストもあ波(平面波)で，波長(同じ位相の平面間の間隔)が 2p/|G• |である．例えば G• ＝m1 •b1 の場合，exp [iG• ・r… ]は，式(15)から…a1， …a2， …a3 の平行六面体で形成される単位胞のうち， …a2， …a3

で作る面と面の間を， …a1 に沿って平行に m1 分割する波長の波である．格子周期関数の単位胞内での値の変化を様々な波長と進行方向の平面波の重ね合わせで表わす．変化がスムー
ズでない場合，式( 38 )の展開は， G• ＝ 0 から大きな G• (短波長の G• )まで必要で，G• ＝ m1 •b1＋m2 •b2＋m3 •b3(mi は整数)の大
きな絶対値の mi まで含めた展開になる．
こうして，格子周期関数は，そのフーリエ係数のセット，
例えば{Veff(G• )}，{U •kn(G• )}，{r(G• )}で扱われる．実際の演算は，高速フーリエ変換(fast Fourier transformation; FFT)

国立研究開発法人 産業技術総合研究所 エネルギー・環境領域 電池技術研究部門名誉リサーチャー(〒5638577 池田市緑が丘 18
31 産総研関西センター)
Lecture Notes on FirstPrinciples Methods Using a PlaneWave Basis Set (Part 3); Masanori Kohyama(Research Institute of Electrochemical Energy, Department of Energy and Environment, National Institute of Advanced Industrial Science and Technology, Ikeda,
Osaka)
Keywords: plane-wave basis, Fourier series expansion, Hamiltonian matrix, total energy, separable non-local pseudopotential, Ewald method, fast
Fourier transformation
2022年 2 月21日受理[doi:10.2320/materia.61.782]



講義ノート

により効率化される．FFT の詳細と G• の条件(mi の範囲)は〈f|A|ψ〉＝ff(r… )Aψ(r… )d…r である．

 節)．
後述する(第 6 章

ここで，平面波基底間の規格直交性は

平面波基底での展開

Q

1
Q

Q

式( 17 )の固有関数形ψ •kn ( r… )＝ e i •k・r… U •kn ( r… )で，式( 18 )の格
子周期関数 U •kn ( r… )のフーリエ級数展開({ U •kn ( G• )}が展開係
数)から

f
f

1
〈 •k＋G• | •k＋G• ′
〉
＝
Q

＝

)・r… ]d…r
exp [－i( •k＋G• )・r… ] exp [i( •k＋G• ′－G• )・r… ]d…r＝dG• ,G• ′exp [i(G• ′(44)となり，式( 40 )，( 41 )と同様に証明される．この式の積分U •kn(G• ) exp [iG• ・r… ]∑•ψ •kn(r… )＝e i •k・r… U •kn(r… )＝e i •k・r…

領域は，結晶 Q 全体である(各単位胞 Qc 内でも直交性が証明

G＝∑U •kn(G• ) exp [i( •k＋G• )・r… ]

(42)

G•

となる．この式は波動関数の平面波基底展開と見なせる．
exp [ i ( •k ＋ G• )・ r… ]が平面波基底，{ U •kn ( G• )}が展開係数で，固有状態を指定する •k を固定し( •k は第一ブリルアンゾーン内)， G• を変えた和である．当然だが，平面波基底自体がe i •k・r… e iG• ・r… ，e iG• ・(r… ＋R• )＝e iG• ・r… でブロッホの定理を満たす．

一方，前述(第 3 章図 1 )の結晶のマクロの周期境界条件(ボルン・フォンカルマンの周期条件(16))で，単位胞が …a1，
…a2， …a3 方向に各々 N1 …a1, N2 …a2, N3 …a3 の周期で繰り返す，体積
Q＝NQc(N＝N1N2N3，N は巨視的な数)の結晶部分で存在確
率 1 に規格化された平面波基底| •k ＋ G• 〉＝ Q－1/2 exp [ i ( •k ＋G• )・r… ]を考えると

ψ •kn(r… )＝∑Q1/2U •kn(G• )| •k＋G• 〉＝∑C n•k＋G• | •k＋G• 〉
G•

(43)

G•

される)．固有関数自体の結晶での規格化は

f

f

1
ψ
•kn(r… )ψ •kn(r… )d…r＝∑∑
Q
G•
G• ′

Q

G• C n•k＋G• ′exp [i(G• ′－G• )・r… ]d…r
C n•k＋

Q＝∑∑C n•k＋G• C n•k＋G• ′dG• ,G• ′＝∑|C n•k＋G• |2＝1
G• G• ′

(45)

G•となり，固有ベクトルの規格化条件である．
固有状態は，固定した •k に対し G• の異なる平面波で展開するので， •k の異なる平面波間の直交性は扱われないが，一般に， •k の異なる平面波間の結晶全体での直交性は，式(41)と同様の積分(ただし，積分領域が N1 …a1, N2 …a2, N3 …a3 での平行六面体の結晶 Q)で証明できる．これは，ボルン・フォン
カ ル マ ン の 周 期 条 件 に 関 わ る •k 点 の 定 義(16) か ら ， N1 …a1,
N2 …a2, N3 …a3 の平行六面体の向かい合う二面間で exp [ i ( •k －)・ r… ]の位相が揃い，式(41)の最終形のように消えるため
•k′
である．

となる．固有ベクトルは{ C n•k＋G• }＝{ Q1/2U •kn ( G• )}である．

平面波基底| •k＋G• 〉は，フーリエ級数展開の G• の平面波とC n•k＋G• の右肩の n はバンド指標で， •k について下から n 番目の固有状態の意味( n 乗の意味ではない)．| •k ＋ G• 〉の表記同様， •k＋G• による波長 2p/| •k＋G• |と進行方向を持つ．価電は，規格化された平面波基底を表し，逆向きの表記〈 •k ＋ G• |は，左から複素共役の基底をかけて体積 Q で積分する際に用いる．一般に，波動関数 f ( r… )，ψ( r… )，演算子 A (ハミル子の波動関数がノードを持たないスムーズなものであれば，式( 43 )は，それほど大きくない •k ＋ G• (それほど短くない波長)の平面波の展開で表現できる．格子周期関数のスムーズさとフーリエ級数展開の G• の範囲の関係と同様である．

トニアンやポテンシャル)で，ブラ“〈”，ケット“〉”を用い

平面波の運動エネルギーはた表現の意味は，| f 〉＝ f ( r… )，〈 f |ψ〉＝ ff( r… )ψ( r… ) d…r ，〈 •k＋G• |－

f

2 2
1
: | •k＋G• 〉＝2m
Q( 2m: ) exp [i( •k＋G• )・r… ]d…r＝2m| •k＋G• |exp [－i( •k＋G• )・r… ] －

Q

2

2

2

2

(46)

で，自由電子のそれに対応する．平面波基底展開の G• は，
G• ＝ 0 から始めて，平面波の運動エネルギーの打ち切りエネ

束の様子から決める(図)．通常，元素種毎の擬ポテンシャ
ル形状が Ecut を決める因子である．一方，逆空間の G• 点のルギー(カットオフエネルギー)Ecut から

密度，つまり，逆空間で同じ半径 Gmax の球内に存在する G•22m| •k＋G• |2Ecut(47)を満たす範囲でとる．平面波基底の波長の下限の指定に相当
2

す る． •k は 第一 ブリ ルア ン ゾー ン内 なの で， 実 質的 に 2m
2|G• |2Ecut で，逆格子空間で G 2max＝Ecut から半径 Gmax の
2m

球内の G• 点を用いる．

点数( NG)は，実空間の単位胞体積に比例する．単位胞体
積とブリルアンゾーン体積(逆空間での G• 点当たりの体積)が互いに反比例するからである．なお，平面波のカットオフ
エネルギー Ecut ( Gmax )と前述のフーリエ変換で用いる G• 点
 節で説明する．
の範囲の関係については，第 6 章

ところで，上記では，平面波基底も固有関数も，体積 Q

この条件から，平面波基底の総数 NG が決まる． NG は計の結晶で規格化されているとした．それで問題ないが，後述

算の負荷を 決める(ハミルトニアンの行列サイズが NG ×の単位胞(スーパーセル) Qc 当たりの全エネルギーの議論でNG )．波動関数がノードを持たずスムーズなら(擬ポテンシ

は，単位胞 Qc 当たりで規格化されているとして扱う方が表

ャルが浅くスムーズなら)Ecut が小さくて済み，NG が抑えら現上便利な場合もあり，適宜，そうした扱いも検討する．

れる．必要な Ecut は，扱う物質について幾つかの値で実際に第一原理計算を行い，Ecut に対する全エネルギー Etot の収

ま て り あ 第61巻 第11号(2022)
Materia Japan







平面波展開と対称操作

平面波展開の固有関数について，結晶系の持つ対称要素(対称操 作 ) { S | t• S } の 効 果 を 考 え る ． •k と S •k で の 固 有 ベ ク ト ル
節で説{C n•k＋G• }，{C nS •k＋G• }の互いの関係の問題である．第 3 章

明したように{S|t• S}ψ •kn(r… )＝ψS •kn(r… )(48)

である(位相因子 eiu がかかる不定性はある)．式(43)を左辺に入れると，式(20)から

図8

平面波のカットオフエネルギー Ecut に対する全エネル
ギー Etot の収束の様子(35) ． diamond について，作成条件や作成方法を変えた各種ノルム保存擬ポテンシャル
での比較．Present Method は，文献(35)の TM 型擬ポ
テ ンシ ャルの 結果 ．ノル ムを保 存し ない USPP 法 ，
PAW 法では，もう少し小さい Ecut で収束する．なお，
1Ry13.6 eV である．

{S|t• S}ψ •kn(r… )＝∑C n•k＋G• {S|t• S}| •k＋G• 〉＝Q－1/2∑C n•k＋G• exp [i( •k＋G• )・S－1(r… －t• S)]
G•

G•＝Q－1/2∑C n•k＋G• exp [i(S •k＋SG• )・r… ] exp [－iS •k・t• S] exp [－iSG• ・t• S]
G•

C n•k＋S G• exp [i(S •k＋G• )・r… ] exp [－iG• ・t• S]∑•＝Q－1/2 exp [－iS •k・t• S]－1

G＝exp [－iS •k・t• S]∑exp [－iG• ・t• S]C n•k＋S－1G• |S •k＋G• 〉

(49)

G•

3 行目で，G• の和を SG• の和に替えているが，G• は対称操作〉を考える．同じ •k に対し G• を変の行列表現〈 •k＋G• |H| •k＋G• ′の行列 S で一対一に移りあうので問題ない．式(48)の右辺は(50)
ψS •kn(r… )＝∑C nS •k＋G• |S •k＋G• 〉

えた NG × NG 行列である．運動エネルギー項は式( 44 )，(46)からG•〈 •k＋G• |－である．従って以下のようになる．
C nS •k＋G• ＝exp [－iS •k・t• S] exp [－iG• ・t• S]C n•k＋S－1G•(51)

こうして， •k の固有ベクトル{ C n•k＋G• }を求めれば， S •k の固有ベクトル{C nS •k＋G• }も式(51)から組み立てられる．固有ベク
トルには，位相因子 eiu をかける不定性があるので，式(51)の G• に依らない exp [－ iS •k ・ t• S]は無視しても構わない．電子密度分布や全エネルギー，原子に働く力等の計算(第 6章)では，固有ベクトル成分を含む項の •k での積分が行われる．ブリルアンゾーン全体(あるいは半分)の領域の •k 点の固有ベクトルが必要だが，既約領域の •k 点の固有ベクトルを求めれば，既約領域外の S •k の固有ベクトルも式( 51 )で求ま
り，計算量が節約できる．


平面波基底でのハミルトニアン運動エネルギー項と局所ポテンシャル項

第一原理擬ポテンシャル法では，ハミルトニアン，全エネ
ルギー，原子に働く力等が，平面波展開や逆格子ベクトル・
フーリエ級数展開によりシンプルに表現され，特に逆空間表
現と呼ばれる．第 3 章や文献( 16 )で説明したように周期構造の系を扱うからである．
Kohn Sham 方程式( 4 )のハミルトニアンの平面波基底で



2 2
2
〉＝ | •k＋G• |2dG• ,G• ′: | •k＋G• ′
2m
2m

(52)

で，対角項のみゼロでない．
ポ テ ン シ ャ ル Veff は ， 原 子 か ら の 擬 ポ テ ン シ ャ ル
VPS ( r… )，価電子の電子密度分布からの静電ポテンシャル
VH(r… )，交換相関ポテンシャル mxc(r… )の和である(式(26))．
VPS ( r… )は，原子の擬ポテンシャル V PS
a の総和で(式( 27 ))，V PS
a は非局所項と局所項の和(式( 34 ))であり， VPS ( r… )は以下のようになる．
PS
VPS(r… )＝V PS
local(r… )＋V NL(r… )＝∑∑V alocal(r… －t• a－R• )＋∑∑V aNL(r… －t• a－R• ) (53)
R• a

R•

a

R• の和は結晶の全格子点，a の和は単位胞内の内部座標 t• a の

全原子．V aNL(r… －t• a－R• )は t• a＋R• の位置にある非局所項∑|l〉l〈 l |を意味する．周期系全体のポテンシャル Veff のDV NLa, l ( r )内， V PS
local ( r… )と VH ( r… )， mxc ( r… )は，射影演算子を含まない局
所形であるので，まとめて Vlocal と表すと，式(26)は以下のようになる．
PS
Veff(r… )＝V PS
local(r… )＋V NL(r… )＋VH(r… )＋mxc(r… )＝Vlocal(r… )＋V PS
NL(r… )

(54)

まず，Vlocal(r… )の平面波基底間の行列要素を考える．格子
周期関数であるから，式(38)，(39)のフーリエ展開表示で講義ノート

Vlocal(r… )＝∑Vlocal(G• ) exp [iG• ・r… ]

(55)

f

(56)

積分は単位胞(スーパーセル)Qc 内でよい．行列要素は，G•

Vlocal(G• )＝

1
Qc

Qc

Vlocal(r… ) exp [－iG• ・r… ]d…r

〈 •k＋G• |Vlocal(r… )| •k＋G• ′
〉
＝

f

1
Q

Q

)・r… ]d…r
exp [－i( •k＋G• )・r… ]∑Vlocal(G• ″) exp [iG• ″・r… ] exp [i( •k＋G• ′
G• ″

f

1
＝∑Vlocal(G• ″)
Q
G• ″

Q

＋G• ″－G• )・r… ]d…r＝∑Vlocal(G• ″)dG• ″,G• －G• ′exp [i(G• ′G• ″＝Vlocal(G• －G• ′)(57)となる．式(40)を使っている．これは Vlocal(r… )のフーリエ変換，式(56)の G• －G• ′の項である．

出される．式(39)から r(r… )のフーリエ成分 r(G• )を計算すればよい． mxc ( G• )も同様に，実空間メッシュ点毎の r ( r… )の値

Vlocal(r… )＝V PS
local( r… )＋ VH( r… )＋ mxc( r… )の各項も格子周期関数• )， VH ( G• )， mxc ( G• )の G• －で，各項のフーリエ成分 V PS
local ( G

等から mxc ( r… )を求め，式( 39 )から計算する．なお， r ( r… )やr( G• )の効率的計算法(高速フーリエ変換の利用)については項を与えればよい．静電ポテンシャル VH ( r… )は，ポアソ
G• ′


 節)．
後述する(第 6 章ン(Poisson)方程式:2V

H(r… )＝－4pe2r(r… )(58)

Vlocal 中 の 残 り の 原 子 の 局 所 擬 ポ テ ン シ ャ ル の 総 和• )は，∑∑V alocal(r… － t• a－ R• )のフーリエ成分 V PS
local ( GV PS
local ( r… )＝R• aから，フーリエ成分の関係式として
VH(G• )＝4pe2r(G• )/|G• |2(59)

式(39)からとなる．これは， :2VH (r… )＝∑VH ( G• ) :2 exp [ iG• ・ r… ]から導
G•

f
∑∑
f

• )＝
V PS
local(G

1
Qc

Qc

＝

1
Qc

Qc R• a• ・r… ]d…r
V PS
local(r… ) exp [－iG
V alocal(r… －t• a－R• ) exp [－iG• ・r… ]d…rf

1
＝ ∑∑exp [－iG• ・(t• a＋R• )]Qc R• aQc

V alocal(r… －t• a－R• ) exp [－iG• ・(r… －t• a－R• )]d…rff

1＝ ∑exp [－iG• ・t• a]∑ V alocal(r… －t• a－R• ) exp [－iG• ・(r… －t• a－R• )]d…r
Qc a
Qc
R•
1
＝ ∑exp [－iG• ・t• a]
Qc a

Q

V alocal(r) exp [－iG• ・r… ]d…r

1
＝ ∑exp [－iG• ・t• a]V alocal(G• )Qc a

最後から二行目で，前の行の単位胞 Qc での積分が， R• の全単位胞の和により結晶全体 NQc＝Q(事実上全空間)での積分に変わり，積分の原点を単位胞内の t• a に変えている． V alocal(r )はクーロン形が遠方まで及ぶのでリーズナブルである．
最終形の a の和は，式( 53 )の説明と同様，一つの単位胞内の全原子である．

(60)

f
f
f
f
f

V alocal(r) exp [i|G• |rv]r 2drdvdq

＝

∞

＝ 2p

0

＝

4p
|G• |

V alocal(r)r 2

∞

0

•

[exp i[|iG|• G|r|rv]] dr

V alocal(r)r sin(|G• |r)dr

1

－1

(61)

式( 60 )の最後の V alocal( G• )の計算を説明する．これは，格となる．積分は G• ベクトル方向を z 軸とした極座標積分 d…r子周期関数のフーリエ変換ではなく，単一の原子の(球対称＝ r 2 sin udrdudq で行う． q の積分で 2p ， u の 0 ～ p の積分の)局所ポテンシャル V alocal ( r )の空間全体でのフーリエ変は ， v ＝ － cosu ， v ＝ － 1 ～ 1 の 積 分で ， dv ＝ sinudu で あ換(39)でる．最終的に r の積分を行う．

f
f
f
f

V alocal(G• )＝ V alocal(r) exp [－iG• ・r… ]d…r＝

V alocal(r) exp [－i|G• |r cosu]r 2 sinudrdudq

原子の局所擬ポテンシャル V alocal( r)は， rc 外で－ e2Za/r ，rc 内で底上げされた形で(前章参照)，rc 外で－e2Za/r になる

適当な解析関数と rc 内の残差で表せる．式( 61 )は，解析関
数部分は一行目に戻って積分を解析式で行い，残差部分は最終形の r のメッシュの数値積分で行う(後述式( 83 ) , ( 84 )参

ま て り あ 第61巻 第11号(2022)
Materia Japan




照)．

 節)．
が厳密に処理される(第 6 章

ところで，式( 59)のフーリエ成分 VH (G• )は，その形から• )の G• ＝0
も G• ＝0 の項が発散成分を持つ．式(60)の V PS
local( G項も同様である．これは，V alocal(r)のクーロンポテンシャル
形のために式( 61 )の V alocal ( G• )の G• ＝ 0 項が発散成分を持つ• )の G• ＝ 0 項は，式ためである．これら VH ( G• )と V PS
local ( G(57)のハミルトニアンの対角項(G• ＝G• ′)にだけ出現するが，簡単のためゼロとして扱われる．固有値全体の値のシフトに対応するが問題は生じない(固有値の絶対値が不定性を持つことになる)．しかし，次章で扱う全エネルギーでは，• )の G• ＝ 0 項における発散成分と残留成分
VH ( G• )と V PS
local ( G

平面波基底でのハミルトニアン非局所擬ポテンシャ



ル項式(53)に戻って，非局所擬ポテンシャル V PS
∑V aNL
NL(r… )＝∑R• a(r… －t• a－R• )の平面波基底間の行列要素を考える．式(33)から＋l〈l|で，射影演算子|l〉＝ ∑ |Ylm(u,q)〉
V aNL は∑|l〉DV NL
a,l ( r)m＝－llにより， t• a ＋ R• の位置の a 原子の周りで平面波の各 l 波成分を抜き出して DV NL
a,l (r)を作用させる．式(57), (60)を参考に• ′〈 •k＋G• |V PS〉
NL(r… )| •k＋G

＝
＝
＝

f
∑∑f
∑f

1
Q

Q

)・r… ]dr…
exp [－i( •k＋G• )・r… ]∑∑V aNL(r… －t• a－R• )exp [i( •k＋G• ′1
Q R• a

Q

N
Qa

Qc

R• a

)・r… ]d…r
exp [－i( •k＋G• )・r… ]V aNL(r… －t• a－R• ) exp [i( •k＋G• ′)・r… ]d…r
exp [－i( •k＋G• )・r… ]V aNL(r… －t• a) exp [i( •k＋G• ′

f
f
∑f

1
＝ ∑exp [i(G• ′－G• )・t• a] exp [－i( •k＋G• )・r… ]V aNL(r… ) exp [i( •k＋G• ′)・r… ]d…r
Qc a
Qc1＝ ∑exp [i(G• ′－G• )・t• a] exp [－i( •k＋G• )・r… ]∑|l〉DV NL〈l|exp [i( •k＋G• ′)・r… ]d…r
a, l ( r )
Qc a
Qc
l
1
＝ ∑exp [i(G• ′－G• )・t• a]
Qc a
l

Qc

〈l|exp [i( •k＋G• ′)・r… ]d…r
exp [－i( •k＋G• )・r… ]|l〉DV NL
a,l (r)と展開できる．3 行目から 4 行目の変形は，各単位胞での和が一つの単位胞での各原子の作用で代表できるので，単位胞総数 N を掛け，積分範囲を単位胞内としている．非局所擬ポテンシャルは，原子の半径 rc 内のみで作用する( r ＞ rc で分と関わらない)．方位座標 râ の積分を先に実行する．射影＋l演算子| l〉＝ ∑ | Ylm (u,q )〉の作用は，以下の球面調和関数
m＝－lの規格直交性を用いる(u は 0～p，q は 0～2p の積分)(40)(41)．

DV NLa,l (r)＝0)． 5 行目で実空間積分の原点を a 原子位置に移ff(u, q)sinududq＝dll′dmm′Ylm(u,q)Yl′
m′

している．

〈

＋l

exp [i( •k＋G• )・r… ]＝4p∑ ∑ il jl(| •k＋G• |r)Ylm(râ )Yl m( k ＋ G )l m＝－l(63)
l の和は l＝0, 1, 2…，m の和は l 毎に－l から＋l までである．

〈

jl は球ベッセル関数(実数の関数)，Ylm は球面調和関数，râ やk＋G は，r… や •k＋G• の方位座標(u, q)である．この展開式や)jl(| •k＋G• |r)jl(| •k＋G• ′|r)DV NLYl m( k ＋ G ′a,l (r)で，最終的に式(62)は以下のようになる．
• ′〈 •k＋G• |V PS〉
NL(r… )| •k＋G＝(4p)2
－G• )・t• a]×∑exp [i(G• ′
Qc a

f
rc

2
|r)DV NL
∑ jl(| •k＋G• |r)jl(| •k＋G• ′a,l (r)r dr

l

0

＋l

〈

出ており，電子構造計算関連で頻繁に使われる．

m＝－l

〈

特殊関数は，多くの応用数学・物理数学の本(40)(41)に詳しく＋l

式 ( 64 ) の 方 位 座 標 積 分 の 結 果 は ， ( 4p )2 ∑ Ylm ( k＋G )〈平面波の原点の周りの球関数展開(部分波展開)を利用する．

(65)

〈

式( 62 )の最後の行の実空間積分は，原子毎の半径 rc の球内積分である．射影演算子| l〉の平面波への作用は，次式の(62)× ∑ Ylm(k＋G)Y)lm(k＋G′m＝－l(66)

単位胞内 a 原子の周囲で平面波を部分波展開し，l 波成分に(râ )Yl′m′(k＋G)|l〉DV NL〈 l|＝4p (－i)l′jl′(| •k＋G• |r)Yl′m′a,l (r)l′m′

値的に行う．

∑〈 〈式(62)の最後の被積分関数は式(63)の展開を使うと〈l|exp [i( •k＋G• ′)・r… ]
exp [－i( •k＋G• )・r… ]|l〉DV NL
a,l (r)|r)Yl″m″(râ )Yl″m″(k＋G′)
4p ∑ il″jl″(| •k＋G• ′DV NLa,l を作用させている． r の一次元積分はメッシュ点で数

(64)

l″m″

の異
この式(66)の形(非分離形)では，予め •k＋G• と •k＋G• ′なる G• の全組み合わせ( NG × NG 個)で積分を実行するため手間がかかる．そこで， Kleinman Bylander の分離形が用

方位座標 râ ＝( u, q )と動径座標 r に分けて行う( k＋G 等は積いられる(36)．これは，式(33)の射影演算子を用いる非局所〈である．この式の rc 球内極座標積分( d…r ＝ r 2 sinudrdudq )を



講義ノート

形において，同じ DV NL
a,l (r)成分で以下の表現を使う．
PS
PS|DV NL〈DV NLa,l (r)Ra,l (r)Ylm〉
a,l (r)Ra,l (r)Ylm|
PS
NL
PS〈Ra,l (r)Ylm|DV a,l (r)|Ra,l (r)Ylm〉
l m＝－l＋l

V aNL(r… )＝∑ ∑PS
PS|DV NL〈DV NLa,l (r)Ra,l (r)Ylm〉
a,l (r)Ra,l (r)Ylm|
(67)
C a,l
l m＝－l

＋l

＝∑ ∑

NL
PS
は，方位座標積分で
C a,l＝〈RPSa,l ( r ) Ylm | DV a,l ( r )| Ra,l ( r ) Ylm 〉

fの Ylm の規格直交性から C a,l ＝

rc

0

PS
2 2
DV NL
a,l ( r ) Ra,l ( r ) r dr とな.

第一原理擬ポテンシャル法での全エネルギーと原
子に働く力




電子密度分布と全エネルギー

平面波基底で行列表示されたハミルトニアン〈 •k ＋ G• | H | •k
＋ G• ′〉の固有値問題を解いて，固有値 E •kn ，固有ベクトル{ C n•k＋G• }を求める(効率的解法は第 7 章で説明)．出力の固有る(原子球内積分)． RPSa,l ( r )は， a 原子の擬ポテンシャルの l

ベクトルから電子密度分布 r ( r… )を組み立てる．式( 19)のよ成分を構築するときの擬動径波動関数で，RPSa,l (r)Ylm(u,q)のうに占有状態の波動関数のノルムの二乗の重ね合わせであ 節参照)．原子近傍 rc
セットが擬原子軌道である(第 4 章る．式(43)をそのまま代入すると

内では，価電子の擬波動関数は，擬原子波動関数 RPSa,l ( r )Ylm ( u,q )のセット で展開される 挙動をする．そ れへの式

occ

r(r… )＝∑∑w •kin|ψ •kin(r… )|2nPSの展開の形で(67)(分離形)の作用は，|DV NL
a,l ( r ) Ra,l ( r ) Ylm 〉

•ki

occ

n
1
＝∑∑w •kin∑∑C n•ki－G• )・r… ]Q－
exp [i(G• ′＋G• C •ki＋G• ′cある．本来の非分離形の式(33)の作用も同様に|RPSa,l ( r ) Ylm 〉

n •kiG• G• ′の展開に DV NL
a,l ( r )を掛けた形で，分離形で扱っても良いことになる．
分離形の式( 67 )を使うと，式( 62 )の最終形の原子位置をl

尾に記したように，ここでは基底関数や固有関数の規格化の

f1
C a, lrc

0PS
2
jl(| •k＋G• |r)DV NL
a,l (r)Ra,l (r)r dr×

1 を使って範囲を結晶 Q から単位胞 Qc に変えているため Q－cいる．この場合，占有状態の和を単位胞当たりの電子数で勘定することになり，都合が良い．式( 72 )は， G• の和の二重

f
rc

0

PS
2
|r)DV NLjl(| •k＋G• ′a,l (r)Ra,l (r)r dr

〈

〈

＋l

× ∑ Ylm(k＋G)Y
)l m ( k＋ G ′

(68)

m＝－l

となる．演算子の積分は，左右別個に極座標で r を含めて行
える．r 2 は極座標積分による．結局，式(62)の行列要素は，• ′〉〈 •k＋G• |V PS
NL(r… )| •k＋G＋l1• )Aa,lm( •k＋G• ′)＝∑∑C －a,l ∑ Aa,lm( •k＋G

(69)

m＝－l

〈

a l

1/2Y(k＋G)×
Aa,lm( •k＋G• )＝exp [iG• ・t• a]4pQ－
c
lm

f
rc

0

以外の領域の S •ki の固有ベクトルは式(51)で構築できる．
1 は本来は Q－1 であるが，第 5 章
 節の末式( 72 )中の Q－
c原点とした積分部分は，式(63)～(65)から(4p)2∑(72)となる．既約領域の •ki 点で固有ベクトルを求めた後，それPS
2
jl(| •k＋G• |r)DV NL
a,l (r)Ra,l (r)r dr

ループを含み，NG×NG のオーダーの手間がかかる(NG は平面波基底数)．この問題は高速フーリエ変換で解決できる(第
 節)．
6 章
 節で説明したように，ハミルトニアンの固有
第 3 章

値・固有ベクトルを一度解いただけではだめで， SCF ルー
プで自己無撞着な{ C n•k＋G• }， r ( r… )を求める．その後，式( 1 )の全エネルギー Etot を計算する．以下，Etot の各項を順に説明する．単位胞(スーパーセル)当たりの全エネルギーとする．

(70)

式( 1 )の第一項の運動エネルギー T は，式( 3 )より求める．式(19)，(72)のように占有準位の重み付きの和としてとなる．a の和は単位胞内の原子のみである．この分離形の場合， NG 個のオーダーの Aa,lm ( •k ＋ G• )だけを予め計算して

occ

n •ki

メモリーすればよい．非分離形の式( 66 )の NG × NG のオー

2

Q

ψ
k• in(r… ) －

2

occ

•kin

• |－
＝∑∑w •kin∑∑C •kni＋
G• C n•ki＋G• 〈′ •ki＋G

ダーに比べ，計算負荷が NG のオーダーに低減化する．
これまでの各項をまとめると，平面波基底でのハミルトニn •kiG• G• ′occ

2
|C n•ki＋G• |2| •ki＋G• |2G• 2m＝∑∑w •kin∑

アンの行列要素は以下となる．
〈 •k＋G• |H| •k＋G• ′〉＝
f ( 2m: )ψ (r… )d…r

T＝∑∑w •kin

n •ki

2 2
〉
: | •ki＋G• ′2m(73)である．式( 52 )を利用している．波動関数は体積 Q で規格2• －G• ′
| •k＋G• |2dG• ,G• ′＋V PS)
local(G2m

化し，Q で積分している(単位胞 Qc で規格化した場合も結果• ′＋〈 •k＋G• |V PS〉＋VH(G• －G• ′)＋mxc(G• －G• ′)NL(r… )| •k＋Gは同じ)．占有状態の和が単位胞当たりの電子数に相当する

右辺の第一項は式( 52)，第二項は式(60)，( 61)，第三項は状態数を勘定に入れれば問題ない．式( 51 )から| C nS •k＋G• |2 ＝
|C n•k＋S－1G• |2 で，|S •k＋G• |2＝| •k＋S－1G• |2 から，式(73)の •ki 点式(69)，( 70)(分離形)，第四項は式( 59)を参照．第五項はの和は，ブリルアンゾーン内の既約領域に限ってよい．

(71)

mxc(r… )のフーリエ成分．上述のように行列の対角項に出てく• ＝ 0)， VH (G• ＝ 0)は，発散項のためゼロとして扱る V PS
local ( G

は，式( 53 )から周期系の擬ポテンシャルの局所項と非局所う．

項で別々に計算する．局所項の寄与 EL は， V PS
local ( r… )のフー式( 1 )の 第二 項 の 原子 か ら のポ テ ン シャ ル エネ ル ギ ー

リエ成分の式(60)，r(r… )のフーリエ成分を使い，単位胞当たりでま て り あ 第61巻 第11号(2022)
Materia Japanまれる．その処理は次節で説明する．

f

EL ＝

Qc

V PS
local(r… )r(r… )d…r

式( 1 )の第四項の交換相関エネルギー Exc は，式( 12 )のLDA の場合として， r (r… )を使って求める交換相関エネルギ
ー密度 exc ( r… )のフーリエ成分を exc ( G• )として，式( 74 )，f• )r(G• ′＝∑∑V PS)
local(GG• G• ′

)・r… ]d…r
exp [i(G• ＋G• ′Qc• )r(－G• )＝Qc∑V PS
local(G(74)

G•• )の G•となる．式( 40)を使っている．前述のように V PS
local ( G

＝0 項には発散成分が含まれる．その処理は次節で説明する．

(76)と同様に次式で与えられる．
Exc＝Qc∑exc(G• )r(－G• )

(77)

G•

以上のように，式( 1 )の Etot は，T，EL，ENL，EH，Exc，

非局所項 V PS
NL ( r… )によるポテンシャルエネルギー ENL は，

EI－I の和で与えられ， EI－I (正イオン間静電相互作用)以外

射影演算子を含むので，占有された波動関数に作用させる形の項の詳細を説明した． T と ENL は，占有状態の固有ベクトルを含み，平面波基底の G• に関する和と •k についての積で，運動エネルギー項式(73)に近い表現となる．
occ

n •ki

分(メッシュ点での重み付きの和)がある． •k 点を抽出する領f

ENL＝∑∑w •kin

Q

PS
ψ
k• in(r… )V NL(r… )ψ •kin(r… )d…r

域は系の対称性を利用して既約領域でよい． EL ， EH ， Exc
は，フーリエ級数展開に関する G• の和である．EL，EH の G•の和は， G• ＝ 0 項が発散成分を持つ(その処理は次節で説明

occn• |V PS• ′＝∑∑w •kin∑∑C n•ki
〉＋G• C •ki＋G• 〈′ •ki＋G
NL(r… )| •ki＋Gn •ki

G• G• ′occ＋lする)．なお， USPP 法や PAW 法でも Etot の各項が基本的

n •ki

m＝－l

に同様の表式で表されるが，特に ENL については，様子の

n
－1
• )
＝∑∑w •kin∑∑C n•ki
＋G• C •ki＋G• ∑′ ∑C a,l ∑ Aa,lm( •ki＋GG• G• ′al)
×Aa,lm( •ki＋G• ′かなり違う複雑な表式となる(28)(30)．
＋l

occ

1
＝∑∑w •kin∑∑C －∑ |∑C n•ki＋G• Aa,lm( •ki＋G• )|2
a, l

n •ki

a

(75)




Ewald 法と発散項の処理

m＝－l G•l

式(67)，(69)の分離形を用いた．Aa,lm( •ki＋G• )は，式(70)参式( 1 )の正イオン間クーロン相互作用 EI－I は， Ewald 法

照．式( 73 )の場合と同様，波動関数の積分は結晶全体であるが，原子の和は単位胞内のみ，占有状態の和は，単位胞当で計算される．発散項が含まれるが，上述の EL，EH 内のフーリエ成分の G• ＝0 項に含まれる発散成分と打ち消しあうのたりの電子数分に取る．また，式( 73 )と同様に， •ki 点の和で，Etot 全体では問題ない(42)(43)．本節ではそれを説明する．

は既約領域内のものに限ってよい．これは，式( 51 )や式(70)の Aa,lm( •ki＋G• )内の Ylm やjl の性質から証明される．

単位胞当たりの正イオン間クーロン相互作用の総和は式( 1 )の第三項の静電エネルギー EH は，EL と同様に
EH ＝

1
2

f
Qc

{

e2
Z 2a
Z aZ a ′＋∑∑EI－I＝ ∑ ∑2 a R• ≠0 |R• | a′≠a R• |R• ＋t• a′－t• a|
e2

}

e2

1
1
＋ ∑ ∑ ZaZa∑＝ ∑Z 2a ∑′• ＋r… aa′|
2 a R• ≠0|R• | 2 a a′≠a
•R |R

VH(r… )r(r… )d…rである．a，a′は単位胞内原子，Za，Za′は正イオンのイオンf＝1) exp [i(G• ＋G• ′)・r… ]d…r∑∑VH(G• )r(G• ′2 G• G• ′Qc＝

1Qc∑VH(G• )r(－G• )＝2pe2Qc∑|r(G• )|2/|G• |2
2 G•
G•

(78)

価， r… aa′＝ t• a′－ t• a である．周期系での同値原子間と同値でな(76)

い原子間の和で，単位胞を超えた距離は R• を加えて表現さ1

1

れる． ∑ |R• | と∑|R• ＋r… | の R• の和は，収束が遅い．次式の
R• ≠0

R•

aa′

となる．最後の形は，式( 59 ) VH ( G• )＝ 4pe2r ( G• )/| G• |2 と実関数 r(r… )のフーリエ成分間の関係式 r(－ G• )＝ r(G• )を使っように Ewald 法で実格子と逆格子の和に変換すれば，比較的短範囲の R• ， G• の和で収束する(変換の証明は，本講義ノている．前述のように VH ( G• )の G• ＝ 0 項には発散成分が含ート最終回末尾の補論 A 参照)．

1∑ • ＝∑| R• ≠0R• ≠0 |R

erfc[|R• |g]p
exp [－|G• |2/4g2] 2g
p
4p
＋ 2 ∑
－ － 2 ＋ lim |G• |－2|R• ||G• |2/4g2
g Qc G• ≠0
p g Qc Qc G• →0(79)

1
erfc[|R• ＋r… aa′|g]p
exp [－|G• |2/4g2]＝∑＋ 2 ∑ exp [－iG• ・r… aa′]| R•
|R• ＋r… aa′||G• |2/4g2
g Qc G• ≠0R• |R＋r… aa′

∑ •

p
4p
－ 2 ＋ lim |G• |－2
g Qc Qc G• →0
g は，収束が速くなるように適当に選ぶパラメータ．erfc は補誤差関数 erfc[x]＝

f

2
p

∞

e－t dt である．もともと式(80)の
2

x

(80)

分，それらの項を R• → 0 ， G• → 0 とした極限の残留項，発散項が各式に追加されている．式( 79 )の第三，四，五項，式( 80 )の第三，四項である(導出は補論 A 参照)．式( 79 )，導出の後，r… aa′→0 の極限として式(79)が導出される．
式(79)では R• ，G• の和が，式(80)では G• の和が，R• ＝0，(80)を式(78)の EI－I に入れると 2∑Z 2a や 2∑ ∑ ZaZa′を掛けG• ＝ 0 の項を除いている．発散成分があるからである．そのた形の和になり，残留項，発散項もまとめて記すと次式になる．



e2

e2

a

≠a
a a′

講義ノート

EI－I＝

(

e2 2
∑Z a
2a

＋
－

e2

erfc[|R• |g]p
exp [－|G• |2/4g2]
＋ 2 ∑
|R• |
|G• |2/4g2
g Qc G• ≠0
R• ≠0

)(

)

∑

(

erfc[|R• ＋r… aa′|g]p
exp [－|G• |2/4g2]＋ 2 ∑ exp [－iG• ・r… aa′]|R• ＋r… aa′||G• |2/4g2
g Qc G• ≠0R•∑ ∑ Z aZ a′ ∑2 a a′≠a)e 2g

pe2N 2c 2pe2N 2c
Z 2a－ 2 ＋
lim |G• |－2pa
2g Q cQc G• →0∑(81)

三行目が残留項と発散項で，∑Z 2a ＋∑ ∑ ZaZa′＝∑∑ZaZa′＝
a

a a′
≠a

f

一行目に G• ＝0 を入れた V alocal(r)d…r の形の極座標積分(dr… ＝a a′

N 2c ，∑Za＝Nc の関係を使っている．Nc は単位胞当たりのイ

r 2sinudrdudq)でa

オン価総数(価電子総数)．正負のイオンを含む古典系では
Nc ＝ 0 なので発散項

2pe2N 2c

Qc

f

1
∑4p
Qc a

lim | G• |－2 は消えるが，第一原理計算の EI－I は正イオンのみで，発散項

Qc

0

1
(V alocal(r)－(－e2Za/r))r 2dr＝ ∑aa
Qc a

(83)

となる． aa は残差の数値積分， 4p は u ， q の積分からのもの．長距離形の寄与は，式(61)の一行目に入れて G• ≠0 のまG• →02pe2N 2crc

lim | G• |－2 はま変形するとG• →0

EI－I 内に残る．

f(－e2Za/r)exp [－iG• ・r… ]d…r＝－

一方，前述のように式( 74 )，( 76 )の EL ， EH のフーリエ4p e 2Z a|G• |2(84)

成分の積の和のうち， G• ＝0 項が発散成分を含む．これらのである．これは，クーロンポテンシャルのフーリエ変換とし発散項が式( 81 )の末尾の発散項と打ち消しあうことを示て有名な式である(証明は本講義ノート最終回末尾の補論

1• )r(－G• )}と Qc lim {VH(G• )r
す．具体的には Qc lim {V PSlocal( G
2 G• →0G• →0B)．式(84)を式(60)の最終形に入れ，式(83)も考えると，• )は，以下の残留項と発散項となる．
lim V PS
local(GG• →0(－G• )}を検討する．r(－G• )は小さい G• で r(－G• )＝Nc/Qc＋
b|G• |2＋ 高次項と展開できる(42)．Nc/Qc は価電子の平均濃度，

b は平均からの局所的なズレの効果に関する係数．

11
4 p e 2Z a• )＝ ∑aa－ lim ∑lim V PS
local(GQc a
Qc G• →0 a |G• |2G• →01
Qc lim
2 G• →0

1
4 p e 2N c
＝ ∑aa－
lim |G• |－2
Qc a
Qc G• →0

{ VH ( G• ) r (－ G• )}の方から扱うと，式( 59 ) VH ( G• )＝ 4pe2r(G• )/|G• |2 と r(－G• )＝r(G• )から
1
1
4pe2|r(G• )|2
Qc lim {VH(G• )r(－G• )}＝ Qc lim|G• |2
2
2
G• →0
G• →0

{

＝

Za＝Nc を使っている．式(85)を r(－G• )＝Nc/Qc＋b|G• |2＋∑a

高次項の展開と合わせて代入すると}• )r(－G• )}＝－
Qc lim {V PSlocal(G2pe2N 2c
lim |G• |－2＋4pe2Nc b
Qc G• →0

G• →0

(82)

＋

となる．|r(G• )|2N 2c /Q2c ＋2Nc b|G• |2/Qc を使っている．
• )r(－ G• )}のうち lim V PS• )を考え一方， Qc lim {V PSlocal ( Glocal ( G
G• →0

G• →0

4pe2N2c
lim |G• |－2－4pe2Nc b
Qc G• →0
Nc
∑aa
Qc a

以上から，式( 81 )の EI－I 内発散項

G• →0

• )＝
ると，式( 60 )から lim V PS
local ( G(85)

1∑lim V alocal ( G• )である．
Qc a G• →0(86)

2pe2N 2c
lim | G• |－2 と，
Qc G• →0

式(82)，(86)の EH，EL の G• ＝0 項内の発散成分

2pe2N 2clim
Qc G• →0

4pe2N 2c
lim | G• |－2 の総和がゼロとなり，消える．
Qc G• →0lim V alocal ( G• ) の 発 散 項 は ， 原 子 の 局 所 擬 ポ テ ン シ ャ ル| G• |－2，－

V alocal ( r ) が rc 外 で ク ー ロ ン 形 を 持 つ こ と に 起 因 す る ．

同様に EH ， EL の G• ＝ 0 項内残留成分の和は， b の項が消え

V alocal ( r ) を 長 距 離 形 ( － e2Za / r ) と 短 範 囲 の 残 差 の 寄 与

cて， Q∑
aa のみになる．

G• →0

N

c a

(V alocal(r)－(－e2Za/r))に分けて式(61)の積分 V alocal(G• )を考

これらの残留項，発散項に留意しながら EI－I と Etot をまと め て 記 す ． 式 ( 81 ) の EI－I か ら 発 散 項 を 除 い た も の を• )への寄与は，式(61)のえる．短範囲形(残差)の lim V PS
local(GEEwald とすると，次のようになる．

G• →0

•

•

G| /4g ](e2∑Z )( ∑ erfc|[|R• R| |g]＋gpQ ∑ exp [－|)－e pg∑Z －p2eg NQ|G• | /4geerfc[|R• ＋r… |g]pexp [－|G• | /4g ]＋＋ ∑∑ Z Z ∑exp [－iG• ・r… ]∑()|R• ＋r… ||G• | /4g
gQ
2
2

EEwald＝

2
a

a

2

R• ≠0

2

2

• ≠0
cG

2

2

2

2

2

2
a

a

2

≠a
a a′

a′

R•

ま て り あ 第61巻 第11号(2022)
Materia Japan

aa′

c

2

aa′

a

2
c

2

c G• ≠0

aa′

2

2

2

(87)




occ

2
N
• )r(－G• )＋ c∑aa
|C n•ki＋G• |2| •ki＋G• |2＋Qc ∑ V PS
local(G
Qc a
G• 2m
G• ≠0

Etot＝∑∑w •kin∑
n •ki

occ

＋l

1
＋∑∑w •kin∑∑C－∑ |∑C n•ki＋G• Aa,lm( •ki＋G• )|2
a,l

n •ki

a

m＝－l G•l＋2pe2Qc ∑ |r(G• )|2/|G• |2＋Qc∑exc(G• )r(－G• )＋EEwald
G• ≠0

(88)

G•

式(88)は，式(73)～(77)を使っている．以上の EI－I と EH，( 38 )，( 39 )のフーリエ変換の演算は，高速フーリエ変換

EL に 関 す る 発 散 成 分 ， 残 留 成 分 の 問 題 は ， USPP 法 や(FFT)を用いて行う．

PAW 法でも共通であり，同様の処理がなされ，式(83)に基FFT は，離散フーリエ変換である． …a1 ， …a2 ， …a3 で形成さNc
づく Q ∑
aa が付加される．なお， Etot の値は，イオン(裸のれる平行六面体の単位胞内で， …a1， …a2， …a3 方向に各々 M1 ，

擬ポテンシャル)と価電子がばらばらに無限遠に遠ざかった

M2 ， M3 分割で， M ＝ M1M2M3 個の実空間メッシュ点 r… n ( r… n静的状態を原点とし，電気的に中性の系なら必ず負の値であ＝ M1 …a1 ＋ M2 …a2 ＋ M3 …a3 ， ni は整数， 0  ni  Mi － 1 ， i ＝ 1 ～ 3 )る．

で，格子周期関数 f ( r… )の単位胞内データが与えられる．

c a




n

n

1

n

2

3

FFT の順変換式(89)では，M 個の実空間データ{f(r… n)}のセットが，同数の M 個の逆格子点 G• m(G• m＝m1 •b1＋m2 •b2＋m3 •b3，

高速フーリエ変換の活用(その 1)

平面波基底の第一原理擬ポテンシャル法では，上述のよう

mi は 整 数 ， 0  mi  Mi － 1 ， i ＝ 1 ～ 3 ) 上 の デ ー タ セ ッ ト{f(G• m)}に変換される．

に格子周期関数が逆格子ベクトル・フーリエ級数展開で表さ
れ ， ハ ミ ル ト ニ ア ン や Etot の 計 算 が 効 率 化 さ れ る ． 式

f(G• m)＝

これは，式(39)のM 1－ 1 M 2－ 1 M 3－ 1
1∑
∑ ∑ f(r… n) exp
M 1M 2M 3 n 1 ＝ 0 n 2 ＝ 0 n 3 ＝ 0[－i 2pMn m ]exp [－i 2pMn m ]exp [－i 2pMn m ]
1

1

2

1

2

3

2

3

(89)

3

f

1
Qc

Qc

f(r… )exp [－iG• m・r… ]d…r の単位胞内の r… 積分を等間隔メッシュ点 r… n の台形公式で行い，ai・ •bj＝2pdij から

exp [－iG• m・r… n]＝exp[－i 2pMn m ]exp [－i 2pMn m ]exp [－i 2pMn m ]
1

1

2

1

2

3

2

3

(90)

3

を用いている．一方，逆変換(逆 FFT)は次式で計算される．
M 1－ 1 M 2－ 1 M3 － 1

f(r… n)＝∑ ∑ ∑ f(G• m)exp
m 1 ＝ 0 m 2 ＝ 0 m3 ＝ 0[i 2pMn m ]]exp [i 2pMn m ]exp [i 2pMn m ]
1

1

2

1

2

2

3

3

(91)

3

M

ば， G• m＝M1 •b1 の exp [iG• m・ r… ]の波長は， …a1， …a2， …a3 の平行m＝ 1六面体の単位胞の …a2， …a3 で作られる面と面の間を …a1 に沿っ実空間のメッシュ点の離散データ{ f ( r… n )}は，格子周期で上の大きな G• m (メッシュ間隔より短い波長の G• m )は不要で単位胞内のものが繰り返すわけだが，逆空間のデータ{ f ( G• m )}も f ( G• m )＝ f ( G• m ± Mi •bi )で，逆格子点の大きな平行ある．また，上述のように離散メッシュ点上の位相が同じに式( 38 )を M 個の G• m 点の和 ∑ f ( G• m ) exp [ iG• m ・ r… n ]で行うものである．

て M1 分割したメッシュ間隔に相当し， •b1 方向では，これ以六面体(M1 •b1，M2 •b2，M3 •b3 で形成)でサイクリックに同じ値なるので(式( 90 ))，図 9 の原点を中心とする大きな平行六面体内の G• mの展開として扱える．

が繰り返すことが，式( 89 )の形からわかる．± Mi •bi は式

 節で触れたように，電子密度分布 r ( r… )な
一方，第 5 章

( 90 )で m1, m2, m3 に各々± M1, ± M2, ± M3 の効果で， exp

ど格子周期関数の単位胞内の変化の様子に対応して，どこま内で 2pi ×整数の効果なので不変で， f ( G• m )＝ f ( G• m ± Mi •bi )での細かい r… n メッシュを用いるか(どこまでの大きさの(短波長の)G• m を用いるか)，M1, M2, M3 で設定される．平面波が 証 明 さ れ る ． こ う し て ， FFT の 逆 格 子 空 間 デ ー タ{f(G• m)}は，±Mi •bi 等のシフトで，原点を中心とする平行六面体に移し，その中の G• m と f(G• m)を扱うと考えることがで基底は，式( 47 )のように，平面波のカットオフエネルギー2
Ecut＝ G2max で，最大の G• の大きさ Gmax が決まる．VH, mxc
2m

また，実空間データが離散的なので，実空間メッシュよりを含む Vlocal の平面波基底間の行列要素〈 •k ＋G• |Vlocal(r… )| •k ＋〉は，式(57)のように Vlocal(G• －G• ′)だが，平面波基底の G•
G• ′短い波長の G• ( exp [ iG• ・ r… ]の波長は 2p /| G• |)は意味がないの 範 囲 を 考 え る と ， G• － G• ′は ， 原 点 を 中 心 に 2Gmax とため，大きな平行六面体(M1 •b1，M2 •b2，M3 •b3 で形成)の M＝－2Gmax に渡って変化することになる．フーリエ変換で用意• ), VH(G• ), mxc(G• ))が，この G• －G• ′のする Vlocal(G• )(V PS
local( G

きる(図)．

M1M2M3 個の G• m 点のフーリエ成分だけを扱えばよい．例え



講義ノート

範囲をカバーせねばならないので，原点を中心に半径 2Gmaxの球内の G• 点が，上記の FFT の M1 •b1，M2 •b2，M3 •b3 で構成
される大きな平行六面体(原点が中心に来るようシフトしたもの)に収容される必要がある(図 9)．こうして，大きな平行六面体の二面間隔が 4Gmax 以上ということが，Ecut からのFFT の M1，M2，M3 の条件である．
 節で説明したように Ecut は Etot の収束の様子か
第 5 章

ら決まる(図 8)．主に擬ポテンシャルの形状が支配因子である．通常，Ecut を与えて Gmax が決まると，FFT の M1，M2，
M3 (実空間メッシュと G• m の範囲)は自動的に上記条件を満たすように与えられる．
 高速 フーリエ変換 の活用(そ の(紙数の関係で ，第 6 章
 原子に働く力は，次回にまわします)2)，第 6 章
(次号へつづく)

文

図9

FFT で用意される G• m 点とフーリエ成分 f ( G• m )の値の周期性．単位胞内 M1 ， M2 ， M3 メッシュの実空間デー
タに対し，フーリエ成分 f ( G• m )は G• m ＝ m1 •b1 ＋ m2 •b2 ＋
m3 •b3(0miMi－1，i＝1～3)で与えられる．その値には f ( G• m )＝ f ( G• m ± Mi •bi )の関係があり， M1 •b1 ， M2 •b2 ，
M3 •b3 で形成される逆格子点の並びの大きな平行六面体
で f ( G• m )の値が周期性を持つ． G• m ， G• m － M1 •b1 ， G• m －M2 •b2 等のフーリエ成分は同じ値で，太線のように平行六面体を原点の周りにシフトできる．平面波のカット
オフエネルギー Ecut からの平面波基底の最大の G• ベク
トルの大きさ Gmax について，ハミルトニアンの行列要の範囲は－2Gmax～
素で必要になるフーリエ成分 G• －G• ′＋ 2Gmax になる． M1 •b1 ， M2 •b2 ， M3 •b3 で形成される平行六面体が半径 2Gmax の球を収容するよう M1 ， M2 ， M3
を決める．

献

(39) 今村 勤物理とフーリエ変換，岩波書店，(1976).
(40) 森口繁一，宇田川 久，一松 信岩波 数学公式～，岩波書店，(1987).
( 41 ) ジョージ・アルフケン，ハンス・ウェーバー基礎物理数学
第 4 版 Vol. 1～4，講談社，(1999).
(42) J. Ihm, A. Zunger and M.L. Cohen: J. Phys. C, 12(1979),
44094422.
(43) M.T. Yin and M.L. Cohen: Phys. Rev. B, 26(1982), 3259
3272.
(
全ての文献番号は，第一回からの通しとなっております)★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★

香山正憲

1985年 東京大学大学院工学系研究科(金属材料学専攻)博士課程中退
同年 工業技術院 大阪工業技術試験所(現産業技術総合研究所関西センター)入所
2004年 産業技術総合研究所 ユビキタスエネルギー研究部門 グループ長
2015年 産業技術総合研究所 エネルギー・環境領域
電池技術研究部門 首席研究員
2021年～現職
専門分野計算材料科学，粒界・界面・ナノ構造の材
料科学，新規手法・コードの開発
Modelling and Simulation in Materials Science andEngineering 誌 Editorial Board member
mail: mkohyama＠aist.go.jp
E★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★

ま て り あ 第61巻 第11号(2022)
Materia Japan“材料における拡散―格子上のランダム・ウォーク”
小岩昌宏・中嶋英雄(著)内田老鶴圃 2009年
宇部工業高等専門学校機械工学科

山R由勝■現在も使用しております．

高校の頃，物理という科目が始まると私はすぐにのめり込と，基本的な事項を妥協することなく説明するのは大変なこみました．何故それほど強く惹かれたのか未だに分かりませとだと感じています．その事項について深く理解し，かつ強んが，当時の私には面白い世界に思えました．その後，私はい情熱がなければ達成することはできません．その意味で今東京理科大学理工学部物理学科に進学し，高度な物理学を学

では本書は私に教育者として刺激を与え続けてくれている存

ぼうとやる気に満ち溢れていました．…のはずだったのです

在になっています．本書の序盤は他の教科書でも見られるオが，大学で学んでいく過程で高校物理とのギャップから次第

ーソドックスな展開ですが，ランダム・ウォークについて詳にやる気を失っていきました．大学レベルの物理学を学ぶ上しく言及してある点が大きな特徴の一つと言えるでしょう．

では数学の理解が必要不可欠で，大学 1 年生の頃は数学ば微視的なランダムな原子ジャンプが巨視的な現象にどう繋がかりを学んでいる印象でした．これは物理学を学ぶには通るっていくのかについて理解することは，本質論的な話でありべき教育プロセスですが，学生当時の心境としてはどこに辿非常に重要です．ランダム・ウォーク理論を学ぶ上ではどうり着くか分からないトロッコに乗せられている心境でした．

しても難しい数式をクリアしなければならなりませんが，前つまるところ私が当時持っていた物理学への情熱はその程度

述した通り丁寧に解説されているのが嬉しいところ．本書をだったのです．そして卒業できるギリギリの範囲で勉強する読んでいた学生当時は数式には苦手意識が強かったのです

生 活 が 続い て い まし た が ，そ れ が 変わ っ たの が 大 学 4 年が，挫折せずに取り組めたのは本書の丁寧な解説のおかげだ

生．研究室に配属され，当時の指導教官である春山修身教授と思います．また，本書の後半では，電場や温度勾配下でのの下で金属物性の研究に携わるようになりました．教育熱心

拡散，析出と粗大化の速度論など，拡散現象に伴う応用的なな先生の下で学術研究の面白さを学び，自然と「もっと勉強現象に話が展開されています．基本的な事項に関してマニアしたい」という気持ちが芽生え始めていました．そう思い始向けになりすぎない程度にしっかりと網羅しつつも，材料工めた時期に書店で何気なく購入したのが今回紹介する教科書

学を意識した出口がはっきりした構成になっています．関連です．「研究に役立ちそう」というぼんやりとした気持ちでして付録では核形成過程についても少し言及されています

購入したのですが，これが勉強することの面白さを教えてくが，「DGを核形成の活性化エネルギーと呼ぶのは適当ではれた思い出の一冊になろうとはこの時思ってもみませんでし

ない」という著者の主張が書かれています．本書の文章表現た．

に細心の注意が払われていることがここからも伺えます．付

本書は材料における拡散現象を基礎から述べたものです．

録関連で言うと，化学ポテンシャルにもページを割いて説明

材料物性を理解する上で原子あるいは分子の拡散現象は非常しているのが面白いところ．流石にこの部分については熱力に重要な知識です．まえがきにも書いてある通り，数式の意

学の教科書に説明を任せたくなるところですが，読者が自学味するところを丁寧に解説するなど，独学で学べるよう強く自習をできるように痒い所に手が届く配慮だと言えます．

配慮されています．すっかり勉強嫌いになっていた私にも理

本書は，これから材料を学ぼうとする学生にとって素晴ら解でき，かつこの学問の面白さを伝えてくれた素晴らしい教

しい一冊になるでしょう．また，教員にとっても学生の教育科書です．この教科書に出会ったのは本当に幸運でした．本について改めて考えさせてくれる一冊でもあります．

書の構成はフィックの第 1，第 2 法則から始まり，拡散方程(2022年 7 月29日受理)[doi:10.2320/materia.61.792]

式やランダム・ウォークなど基礎事項からしっかりと言及しています．その後は金属における原子拡散を中心に具体論へと自然に展開されていきます．教員になった今から考える

思い出の教科書，この一冊がみられるか，加える TiO2 を 0.10 g に固定して，乳酸 Ca
濃度を 0.5, 1.0, 1.5 mass に変えたビーズ状材料も作製しました．

～第 7 回「高校生・高専学生ポスター発表」優秀賞～

アルギン酸酸化チタン系
光触媒材料の活性評価
藤田耀しました． MB 溶液の波長 660 nm における吸光度を測定
し ， 直 線 回 帰 式 A ＝ 8.9742c ( A  吸 光 度 ， c  MB 濃 度(mass))を求め，照射前後の吸光度の変化から MB 溶液の還元率(以下，分解率とする)を算出しました．

青森県立弘前中央高等学校

喜多島悠暉

酸化還元指示薬として使われる MB(メチレンブルー)溶液
50 ml にそれぞれの試料を入れ，自作の装置で紫外線を照射

佐藤琉生

TiO2 にドーピング処理を施すと，バンドギャップが狭まり，応答波長域が広がります．そこで， TiO2 と尿素またはチオ尿素を物質量比(モル比) 1 3 になるように混合し，焼

.

緒

言

成処理をすることで，TiO2 に N, S 元素をドープしたものを作製しました．条件は N 元素ドーピングは400°
C, 600°Cでそコロナ禍で光触媒作用に注目が集まりました．しかし，光れぞれ 3 時間， S 元素ドーピングは 200°
C で 3 時間行いまし

触媒材料としての課題は，使用にあたって固定する材料が，た．同様の材料を作製し，ドーピング処理した TiO2 を用いガラスや有機，無機バインダーなどに限られていることでても本材料に使用できるかを検討しました．

す．また，有機バインダーを用いた場合，光触媒作用によっ

ここまでは，太陽光に 3しか含まれない紫外線のみの照て有機物が分解されてしまい，無機バインダーを用いた場射だったので，実用化を見据え， TiO2 を 0.10 g ，乳酸 Ca合，光触媒に光が当たらず光触媒性能の低い材料しか作るこ

濃度を 1.0 mass の条件で太陽光照射下での分解率を測定とができないため，用いられる場面が少なくなってしまいましました．

す．そこで，海藻に含まれ，安価に得られるアルギン酸 Na

.

に着目しました．

実験結果・考察

2＋ を添加すると，ゲル
アルギン酸イオン( C6H7O－
6 )に Ca化が起こり，柔軟で保水性が高い物質が得られます．そこアルギン酸 Ca 膜内に取り込まれた TiO2 のビーズ状材料

で ， ア ル ギ ン 酸 Na と 光 触 媒 作 用 の 代 表 的 な 物 質 で あ る

でも光触媒活性の発現を確認できました．今回行った条件下

TiO2 を混合した溶液に Ca＋ 溶液を添加したものが光触媒活

で は ， TiO2 の 質 量 は 0.10 g ( 図) ， 乳 酸 Ca 濃 度 は 1.0性を発現できるかを光触媒実験によって評価しました．

mass(図)が最も分解率が高く，最適条件である結果が得

2＋→Ca(C H O )2C6H7O－
6 ＋Ca
6 7 6 2られました．また，pH 2 から12に種々調整した MB 溶液に対しても，同等の活性がみられたことから，広範な pH 条件

.

実 験

手

法

の物質に作用できるとみられます．
私たちは TiO2 粒子間の電荷再結合に着目しました．

1.0 mass アルギン酸 Na 水溶液 25 mL にそれぞれ 0.05,

TiO2 が 0.05 g の場合，作用する光触媒の絶対量が少なかっ

0.10, 0.20 g の TiO2 を加え，分散処理しました．次いで，たため，活性が低かったとみられます．一方， TiO2 が 0.20処理した 1.0 mass乳酸 Ca 水溶液に駒込ピペットで先ほどg の場合は，光照射によって多くの電子が励起しましたが，作製した試料を滴下し，5 mm 程のビーズ状材料を作製しました(図)．
また，我々は乳酸 Ca 濃度が変化することで，形成する膜の厚さが変化すると考え，膜の厚さによって，分解率に変化

図2
図1

作製されたビーズ状材料．(オンラインカラー)

ま て り あ 第61巻 第11号(2022)
Materia JapanTiO2 の質量と分解率．(乳酸 Ca 1.0 mass)(オンライ
ンカラー)




図3

乳酸 Ca 濃度と分解率．(TiO21.0 g)(オンラインカラー)

図5

太陽光照射下での分解率．(オンラインカラー)

度は 1.0 massとなりました(図)．また， pH を 2 から 12に設定した MB 溶液に対しても，未ドープの TiO2 と同等の活性がみられました．
太 陽 光に 対 し て も 十 分 な MB の 分 解 が 観 測 さ れ た こ とは，光触媒活性を発現し(図)，アルギン酸TiO2 系光触媒
材料は，ビーズ状だけでなく，膜状など，形状の検討次第では実用化の可能性も十分秘めているといえます．

.
図4ドーピング処理の有無と分解率の関係．( TiO2 1.0 g ，
乳酸 Ca 1.0 mass)(オンラインカラー)

結言

本材料の展望としては，植物の養液栽培への活用が考えられます．種子の発芽には活性酸素が必要ですが， TiO2 は触媒活性によって豊富に活性酸素を発生させることができるため，アルギン酸の保水性と TiO2 の触媒活性を組み合わせる

光触媒内で励起した電子が他の TiO2 の正孔との再結合が起ことで，水耕栽培や乾燥地帯での栽培に活用できるのではな

こりやすく，MB の還元に使われる励起子が少なくなってしいかと考えています．

まったため，分解率が低下したとみられます．

今回の大会で，たくさんの質問や指摘を頂きました．光触乳酸 Ca 濃度が 0.05 massと低い場合，Ca2＋ による連結

媒材料の形状についても質問を受けました．多様な場面での部分が少なくなり，MB 溶液がビーズ内に流入しやすい一方実用化を見据えて，今回作製したビーズ状材料だけでなく，で，分解される前にビーズ外に出てしまい，効率が低下した

様々な形状を検討しようと考えています．我々の視点とは異とみられます．乳酸濃度が 1.5 massと高い場合， Ca2＋ になる，様々な視点からご指摘頂いたことで，我々だけでは気よる連結箇所が増えるため，ビーズ内に溶液が入りにくかっ

づけなかった，この研究をより深めるための糸口を見つける

たため，効率が低下したとみられます．

ことができました．ここで得た貴重な体験を糧に，今後もよ

また，ドーピング処理を施すことで未ドープのものと比較

り良い研究となるように研究を進めていきます．

して活性が向上しました．窒素をドープしたものでは，焼成温度によって顕著な差はみられず，硫黄をドープしたものが文

献

最も分解率が高くなりました．また，ドーピング処理をした
TiO2 を用いて作製した試料であっても，最適条件は，未ドープのものと同じく， TiO2 の質量は 0.10 g ，乳酸 Ca の濃( 1 ) 西島一元九州工業大学大学院博士学位論文，(2008).
(2022年 5 月30日受理)[doi:10.2320/materia.61.793](連絡先〒036
8550 弘前市大字蔵主町 71)

スポットライトは 1 NL / min ，還元時間は 10 min ，還元温度は 600 ， 700 ，
800°
Cの条件としました．試料は疎圧粉体としてバスケットに注ぎ，バスケットとそれを吊るすチェーンはマイクロ波を～第 7 回「高校生・高専学生ポスター発表」優秀賞～

マイクロ波加熱と脱・炭素化

吸収しない素材である石英を用いました．また，試料の温度は 2 色式放射温度計を用いて測定し，マイクロ波発振器の出力を試料の温度が一定になるよう機械制御を行いました．
実験中に質量を測定することで，還元率の算出を行いまし福岡県立明善高等学校

中島克

た．ここで，反応の過程は擬定常状態の近似を行い反応式( 1 )に沿って進むと考え，還元率 R は式( 2 )で算出しました．

私は学校でふと目に入ったポスターから，最先端の科学に関する講義や，大学研究室での実験器具等の使用を含めた大WO3(s)＋3H2(g)＝W(s)＋3H2O(1)

R＝(DWt/WRo×Wi)×100(2)

学の研究活動に惹かれ，「九州大学未来創生科学者育成プロ

R還元率()ジェクト(QFCSP)」という高校生を対象とした教育プログ

DWt時間 t までの質量変化量(g)ラムに参加しました．私はこのプログラムの前期課程で，自WRoWO3 中の酸素質量比率，0.207(－)

然科学とそれが社会に及ぼす影響について学び，特にカーボWi試料の初期質量(g)ンニュートラルの考えをはじめとしたエネルギー問題に興味

また，還元後に得られた試料を樹脂埋めして，光学顕微鏡を持ちました．

を用いて断面を観察しました．

近年，気候変動が問題視され，各国が脱炭素化・低炭素化

電気抵抗炉( Conventional Heating  CH )を用いた実験でに向けた動向をみせており，世界の鉱業界でも「カーボンニ

は，実験の手順やガスの流量，還元温度等の条件はマイクロュートラル」や「脱炭素化・低炭素化」へのシフトが急速に波による実験と統一しました．違いとして，融点が高く不活

進みつつあります．その中でも，鉱山や製錬所で利用される性な金属として知られる白金製のバスケット及びチェーンを

電力の一部ないし全てを再生可能エネルギー由来の電力へと使用しました．なお，質量変化が観測されなくなる状態を反転換する試みが進んでいます．また，近年需要が増大してい応終了時点と仮定して，還元時間をそれぞれ設定しました．

る非鉄金属の製造について，製錬は多大なエネルギーを必要

WO3 の水素還元を， 600 ， 700 ， 800 °C の各温度域で比較とするものが多く(1)，より効率よく製錬を行うことが課題としたところ， MW では図， CH では 図に示す還元率曲

なっています．そこで現在の主流の方式である，電気抵抗炉線が得られました． CH よりも MW による還元の方が短い

等による還元より高効率かつクリーンな金属の製錬プロセス

還元時間で高い還元率を得ることができました．また，実験の構築を目的として研究を行いました．

後の試料の組織観察では粒子に金属光沢が見られ， X 線回私は数ある希少金属のなかでも，身近な使用例として医療折法(XRay DiffractionXRD)による相同定では W の回折機器や工具などに用いられる，タングステン( W )に着目しパターンが確認でき，還元が進行したことが確認されました．

ました． W は，現在日本では鉱石からの製錬は行っていま

実験で得られた反応率曲線から還元速度の解析を行いまし

せん．工業的には中間生成物であるパラタングステン酸アン

た．実験結果からもわかるとおり， MW と CH で同じ還元

モニウムを輸入し，湿式法で精製し，最終工程において酸化率に到達する時間に差が出ています．また，曲線の傾きも変タングステン( WO3 )を，電気抵抗炉加熱を用いた水素還元

化していることから時間により反応形態が異なる可能性があで金属 W に還元しています(2)．

ります．気体と固体の相反応形態は大きく分けて生成物と未まず，注目した加熱・還元方法はマイクロ波を用いた加反応核の間に界面が生成されると考える未反応核モデル，粒熱・還元です．上述の教育プログラム内の講義において，マ
イクロ波加熱は加熱したい物質のマイクロ波吸収の度合い
で，選択的に加熱ができること，マイクロ波は対象物の内部まで透過するため，外部からの伝熱でなく直接かつ急速に加熱が可能であることを学びました．そこで私は，今回着目している W 製錬プロセスの中でも還元工程が最もエネルギーを消費するので(1)，マイクロ波を用いた加熱ではそのエネル
ギーを抑制できるではないかと考えました．そこでマイクロ波による WO3 の水素還元挙動を調査し，従来の電気抵抗炉
法とどちらが優れているのかをエネルギー消費の観点から比較しました．
マイクロ波加熱装置(MicrowaveMW)を用いた還元実験
では，粒径 30 mm の WO3 試料 1 g を用い，水素ガスの流量

ま て り あ 第61巻 第11号(2022)
Materia Japan

図1

マイクロ波加熱装置での WO3 の水素還元の還元率．(オンラインカラー)これにより MW は外部からの間接的な加熱ではなく内部へ浸透する全域で反応が進行し，CH は外部から未反応核が縮小する形で反応が進行していることが分かりました．
WO3 の還元は吸熱反応であることから，マイクロ波の特徴である全域加熱で，伝熱時間を要さず反応熱の供給の面で有利であり，全体で同時に反応が進行したと考えられます．
今回行った研究で，マイクロ波を利用した W の水素還元は短時間で高い還元率を得ることができました．このことから，製錬において WO3 を従来よりも短時間で還元できることが明らかになったので，現在進められているクリーンな電力の供給源が確保できれば，脱炭素社会において省エネルギ
図2

電気抵抗炉での WO3 の水素還元の還元率． (オンライン
カラー)

表1

ーかつ高効率な製錬場の操業が可能になります．一方で現状の課題として，圧粉体では加熱できないなど還元する対象物

加熱温度と方法の違いにおける Thiele 数の算出結果．

の形やサイズに制約を受けること，温度制御が困難であることが挙げられます．

600°
C

700°
C

800°
C

MW

5.4

3.0

1.8

今回の発表で沢山の方々に御意見とアドバイスをいただ

CH

9.1

8.9

7.5

き，大変貴重で濃密な時間を過ごさせていただきました．研
究の進め方やポスター作成にお力添えいただいた大野光一郎
教授，データ収集などの実験にご助力いただいた大野研究室

子内の反応速度が一定で全域で反応が進行する全域反応モデの皆様には温かいご指導ご鞭撻を賜りました．感謝申し上げ

ル の 2 つ が あり ます ． この 区 別に Thiele 数 を使 用 しま します．

た．これらのモデルは，反応が生じる界面における反応速度
そのものと，その反応界面に化学物質を運搬する拡散速度の文

献

バランスによって決定され， Thiele 数が大きいほど反応速度が，小さいほど拡散速度が支配的であることが報告されています(3)．ここで本実験より得られた還元率曲線の傾きから還元速度を求め，式( 3 )から Thiele 数を算出しました．これを表に示します．

F＝R k /DeFThiele 数(－)
R触媒粒子半径(cm)k反応速度定数(1/s)(3)( 1 ) 温室効果ガスインベントリオフィス(編)，環境省地球環境局
総務課脱炭素社会移行推進室(監修)「日本国温室効果ガスイ
ンベントリ報告書2022年」，国立環境研究所地球システム領域
地球環境研究センター(2022)．
( 2 ) 山田正二，山本良治，市田 晃，長坂 勉資源と素材，109(1993), 1175
1180.
( 3 ) 村山武昭，小野陽一 ISIJ International, 73( 1987 ) , 1323 
1328.
(2022年 6 月 7 日受理)[doi:10.2320/materia.61.795](連絡先〒8300022 久留米市城南町 9
1)De細孔内拡散係数(m2/s)



スポットライト次いで，廃材粉末で吸着実験を行いました．図(a)と(b)に廃チョーク粉とホタテ貝殻粉それぞれの添加量と吸着率の関係を示します．いずれの試料でも Cu2＋ の吸着が確認され～第 7 回「高校生・高専学生ポスター発表」優秀賞～

ました．さらに，試料の添加量を増加させると吸着量が増加しました．

炭酸カルシウム系廃棄物を用いた
金属イオンの回収

各試料を一度に 3.0 g 添加し，3 時間攪拌した場合と，1.0
g 添加して 1 時間攪拌する作業を 3 回繰り返した場合で，吸着量の比較を行ったところ，3 回に分けて添加・攪拌した方が高い吸着率を示しました(表)．一度に 3.0 g 添加した場

青森県立弘前中央高等学校

自然科学部

中居佑太

合は，試料どうしの衝突確率が高まり，物理吸着した Cu2＋の脱離が起こりやすくなったため，3 回に分けて添加・攪拌する場合と比較してより低い吸着率を示したと考えられま

本校では年間 100 kg の廃チョークが発生しています．ます．(表)た青森県ではホタテの養殖が主力水産業であることから，年吸着量の更なる向上を目指し，各試料を 400 °C ， 600 °C，

間 5 万 t もの貝殻が廃棄されています．これらには CaCO3

800°
Cで 3 時間の焼成処理をしました．焼成処理をすると，が主成分であるという共通点があります． CaCO3 は多孔質

CaCO3 が CaO に変化することが考えられ，CaO は水と反応性であり，重金属イオンと反応すると，炭酸イオンと重金属し，Ca(OH)2 に変化します．Cu 化合物の溶解度を考えると，イオンが結合し，難溶性の炭酸塩を形成するという性質があCuCO3 よりも Cu(OH)2 の方が小さく，より沈殿として存在

ります．物理的な性質である「多孔質性である」ということさせやすいと考えたためです．廃チョークは焼成処理をすると，化学的な性質である「炭酸塩を形成する」という性質をことで添加量が 2 g を越えても，吸着率が上昇し，貝殻は活かし，物理吸着あるいは化学吸着によって金属イオンを回収できるのではないかと考えました．例えば，日本近海の海水には多くのレアメタルが含まれています．これを回収するにあたり，海水を汲み取り，濃縮した後に， CaCO3 の吸着作用によってレアメタルのイオンを回収することを想定しました．
そこで，廃チョークやホタテの貝殻が金属イオンを吸着できるかを，金属イオンとして Cu2＋ を選択し，その水溶液をモデル溶液として評価しました．
1.0 mol / L の CuSO4 水溶液 50 mL に廃チョークやホタテ

貝殻を粉砕した粉末 1.0 ～ 3.0 g を入れ， 20 °C に設定したマ
グネチックスターラーで 1 時間攪拌して，ドライアスピレーターで吸引ろ過し，ろ液を得ました．ろ液の吸光度を測定
し，吸光度が溶存物質の濃度に比例する，というベール則(1)に基づいて，ろ液中の Cu2＋ イオンのモル濃度を算出しまし

図1

各試料の添加量，焼成温度と Cu2＋ の吸着率［］の関係．
( a ) 廃チョーク粉末，( b) ホタテ貝殻粉末． (オンラインカラー)た．
まず， CaCO3 ， CaO の試薬で実験を行いました．吸光度の減少が見られたことから，いずれの試薬でも吸着が確認できました．以下の式( 1 )で吸着率を算出したところ，それ

添加方法の違いによる吸着率()の変化(チョーク)．
吸ぞれ 25.7，35.0でした．
R＝(1－C/C 0)×100

表1

(1)

R吸着率()C実験後の Cu2＋ イオン濃度(mol/L)

着

率

()

処理条件
未処理
800°
C焼成

3.0 g×1 回添加

1.0 g×3 回添加

82.0
85.4

96.0
98.8

C 0初期 Cu2＋ イオン濃度1.0(mol/L)
 の反応で， CaO は◯
 と◯ の反応で起こ
吸着は， CaCO3 は◯ったと考えました(2)．

表2

添加方法の違いによる吸着率()の変化(ホタテ貝殻)．
吸
CaCO3＋Cu2＋ → CuCO3＋Ca2＋ …………………………◯

CaO＋H2O

→ Ca(OH)2 ………………………………◯


Ca(OH)2＋Cu2＋ → Cu(OH)2＋Ca2＋ …………………◯

ま て り あ 第61巻 第11号(2022)
Materia Japan

着

率

()

処理条件
未処理
800°
C焼成

3.0 g×1 回添加

1.0 g×3 回添加

43.8
97.4

49.1
99.7




800°
Cで焼成処理すると他条件と比較し，吸着率が大幅に向上しました(図 1)．チョークでは色素や接着剤が揮発したこと，そして両試料とも 800 °C で， CaCO3 → CaO ＋ CO2 が進行したためとみられます．
焼成することで吸着量が変化したことが表面構造の変化によるものかを検討するために，青森県産業技術センターにて走査型電子顕微鏡(Scanning Electron Microscopy: SEM)による表面構造の観察を行いました．
チョークは800°
Cで焼成処理することで，表面の凹凸が顕著になっていました．これは，チョークは CaCO3 に強い力をかけることで固めて作られており， 800°
Cで焼いた際に，
CaCO3 の熱分解による CO2 の発生及び接着剤や色素などの有機化合物の揮発がチョーク内部で起こったことによるのではないかと考えています．一方，ホタテ貝殻は 800°
Cで焼成処理することで細孔の形成がみられました．貝殻の主成分は
確かに CaCO3 ですが，CaCO3 同士をつなげているのはタン
パク質などの生体有機化合物です．高温で焼成すればするほ

図2

ど，有機化合物の揮発は進行しやすいため，焼成温度の上昇

SEM による表面構造像．
( a ) チョーク，未処理，( b ) 貝殻，未処理，( c ) チョー
ク，800°
C 3 時間焼成，(d) 貝殻，800°
C 3 時間焼成．

に伴い，吸着率が上昇したと推察されます(図 1 ( b ))．また，図(d )で見られた細孔が生じたところは，焼成前にはタンパク質が存在していたと考えられます．
生じた沈澱の二次的な利用を検討する方法を検討しました．ろ過後の沈澱と焼成後の沈澱の様子を下の図に示します．ろ過後の沈澱を焼成処理することで，黒色の酸化銅
CuO が得られました．反応後の沈澱を焼成処理することで銅化合物として安全に保管できるとみられます．
今回，ポスター発表会に参加して様々な質問，提案を頂きました．自分には想像しなかったことものがあり，今回いた
だいた貴重な情報を研究に活かしたいと思います．金属の精錬にまつわる仕事をしている方から「他の種類の金属イオン

図3

ろ過後の沈澱(左)と焼成後の沈殿(右)の様子．(オンラインカラー)

で 実 験 は し て い な い の か 」 と い う 質 問 を 受 け ， 現 在 は
Cr3＋ 溶液，Fe3＋ 溶液，そして海水からレアメタルを回収することも視野に入れ，混合金属イオン溶液でも吸着実験を行文献っています．
この場をお借りして，顧問の柴田大毅先生に感謝したいと思います．実験の最中に不思議に思ったことを質問すると丁寧に説明してくれ，理解を深めることができました．今後も( 1 ) G. D. Christianクリスチャン分析化学，丸善，(2016).
( 2 ) 山内 薫改訂高等学校化学，第一学習社，(2018).
(2022年 5 月30日受理)[doi:10.2320/materia.61.797](連絡先〒036
8154 弘前市大字蔵主町 7 番地 1)

世のためになる研究という視点を忘れず，邁進します．



スポットライト

本
会

告

会

記

事

2023年会費お払込みのお願い …………………………………799

今後の講演大会開催予定 ………………………………………799
2023年春期講演大会の外国人特別講演および招待講演募集……………………………………………………………………799
2023年春期講演大会講演募集 …………………………………800
2023年春期講演大会高校生・高専学生ポスター発表募集 …810
2023年春期講演大会参加申込みについて ……………………811

金属学会シンポジウム …………………………………………813
日本金属学会オンライン教育講座 ……………………………814

事務局 渉 外 ・ 国 際 関 係secgnl＠jimm.jp
会員サービス全般account＠jimm.jp
会費・各種支払member＠jimm.jp
刊 行 物 申 込 みordering＠jimm.jp
セミナーシンポジウム参加申込みmeeting＠jimm.jp
講 演 大 会annualm＠jimm.jp
総 務 ・ 各 種 賞award＠jimm.jp
学術情報サービス全般secgnl＠jimm.jp
調 査 ・ 研 究stevent＠jimm.jp
まてりあ・広告materia＠jimm.jp
会 誌 ・ 欧 文 誌sadoku＠jimm.jp

掲示板 ……………………………816 次号予告 …………………………819
新入会員 …………………………818 行事カレンダー …………………820
会誌・欧文誌11号目次 …………819
投稿規程・出版案内・入会申込はホームページをご利用下さい．

会

告(ホームページもご参照下さい)
年会費お払込みのお願い

2023 年の会費納入時期となりました．個人会員の方は，

下記いずれかの方法にてお払い込み下さいますようお願い申し上げます．
◎自動払込 2022年 12 月 12 日予定でご登録の口座から引き落としされます．
◎郵便振込み上記以外の方は，本年11月中旬頃，「ゆうちょ銀行郵便振込み用紙」を郵送いたします．ゆうちょ銀行にてお支払い願います．
◎クレジットカード・コンビニ支払会員マイページにログ
インの上，手続きをして下さい．領収書もホームページで発行できます．
会費のお支払い確認
ホームページ→入会・会員→会員マイページ→(ID・パス
ワード入力)でお支払いと確認ができます．
問合先会員サービス係Email: member＠jimm.jp

今後の講演大会開催予定
2023年春期(第172回)
日程2023年 3 月 7 日(火)～10日(金)会場東京大学駒場キャンパス，東京都立産業貿易セン
ター浜松町館
2023年秋期(第173回)
日程2023年 9 月19日(火)～22日(金)会場富山大学(予定)

ま て り あ 第61巻 第11号(2022)
Materia Japan＊本会メールアドレスのドメイン変更のお知らせ＊
2022 年 8 月 1 日より，本会のメールアドレスのドメインを＠jimm.jp に変更いたしました．
皆様にはお手数をおかけしますが，ご承知おき願い
ます．




年春期講演大会の外国人特別講演および招待講演募集推薦書提出日年月日(金)春秋講演大会における外国人研究者による特別講演と招待
講演については会員からの推薦をもとに，国際学術交流委員会において審議採択し，講演実施細目については講演大会委
員会で決定いたします． 2023 年春期講演大会の特別講演と招待講演を募集いたしますので，下記要領によりご推薦下さい．尚，新型コロナウイルスの感染拡大状況により春期講演大会がオンライン開催に変更になる可能性もありますこと予めご了承下さい．
特別講演講演者著名な外国人研究者とする．
講演時間30分(討論10分)
採択件数3～4 件
滞在費補助10,000円×5 日(上限日数)(現地開催の場合)
その他大会参加費免除，懇親会招待
招待講演
講演者有益な講演が期待される国内に滞在する外国人研究者とする．
講演時間15分(討論 5 分)
採択件数5 件程度
滞在費補助なし
その他大会参加費免除
推薦用紙 所定様式(ホームページからダウンロード下さい)
により，下記メールアドレス宛に「外国人特別講
演推薦」と明記しお送り下さい．送信後 2～ 3 日
過ぎても受理メールの無い場合はお問合せ下さい．
推薦書提出期日 年月日(金)照会・推薦書提出先〒9808544 仙台市青葉区一番町 11432(公社)日本金属学会 国際学術交流委員会宛
 0222233685 %FAX 0222236312
Email: stevent＠jimm.jp年春期(第回)講演大会講演募集◎2023年春期講演大会を下記の通り開催しますので講演を募集いたします．
募集講演一般講演，公募シンポジウム，共同セッション，ポスターセッション
開催会期年月日(火)～月日(金)開催場所3 月 7 日(ポスターセッションのみ)東京都立産業貿易センター浜松町館 2 階(〒1057501 東京都港区海岸 171)
3 月 8 日～10日東京大学駒場キャンパス(〒1530041 東京都目黒区駒場 3 丁目 81)

(新型コロナ感染症の状況によってはオンライン開催に変更になる場合もあります．）
募集講演高校生・高専生(年生以下)ポスターセッション
開催会期年月日(火)および月日(水)開催場所東京都立産業貿易センター(3 月 7 日)およびオンライン(Zoom)(3 月15日)
講演を申込される前に下記をご確認下さい□非会員でも大会参加費と登壇費を前納すれば，講演申込ができます(詳細は「講演申込要領」の「講演資格」参照．）．
□講演申込は同時に大会参加の事前予約が必要です．期日までに参加費を納入下さい．期日までに参加費を納入しない場合は講演を認めず，欠講として取り扱います．
□講演申込と講演概要提出は同時に行うこと．(同時に行わない場合は，講演申込は受理されません)□原則，講演申込者＝講演発表者であること．（「講演申込要領」5. を参照)
□会員資格での申し込みには会員番号とパスワードが必要です．パスワードを紛失または忘れた方は，本会ホームページより再発行を行って下さい．セキュリティ上，電話やメールでの発行は出来ません．
◯

最新の概要原稿フォーマットを利用し，PDF に変換後，アップロード下さい．

◯

お一人 2 件の講演を申込みできます．ただしポスター 2 件は不可．

◯

同一研究室の 3 件以上の連続講演は認められておりません．

◯

事前参加申込者(講演者含む)へは参加申込み締切後に，講演概要ダウンロード ID とパスワードを配信いたします．

◯｢参加証」は郵送いたしません．各自「大会マイページ」から印刷して下さい．

講演申込先及び申込期限
講演申込ウエブサイト URL

https://jim.or.jp/convention/2023spring/
講演申込みおよび概要原稿提出期限(締切厳守)
講演種別

講演申込期間

一般，公募シンポジウム，共同セッション

2022年11月15日(火)～12月26日(月)17時

ポスターセッション

2022年11月15日(火)～2023年 1 月 6 日(金)17時

高校生・高専生ポスター

2022年11月15日(火)～2023年 1 月13日(金)17時

講演についての問合先講演大会係

annualm＠jimm.jp

これから入会して講演申込をされる方へ□下記の入会申込期限までに入会申込を行い，年会費を納入下さい．
□年会費納入期限までに会費の払込がない場合は，プログラムに掲載されていても，講演不許可の措置をとります．
□下記の入会申込みサイトから入会を申込み下さい．入会申込後に ID(会員番号)とパスワードが即日メール返信されます．



入会申込 URL

https://jim.or.jp/member/mypage/application.php

入会申込期限12月23日(金)年会費納入期限1 月31日(火)入会・会費の問合せ先

会員サービス係

member＠jimm.jp

本 会 記 事オンライン開催となった場合の注意
オンライン開催の場合，通常とは異なる発表形式となります．
下記注意事項をご確認頂き，十分ご注意頂き講演のお申込みをお願いいたします．
オンライン開催に伴うリスクについての注意
講演大会での発表には，現地開催とオンライン開催とにかかわらず，以下のようなリスクがあります．ところが，オンライン開催では，密室から参加することが可能で講演会場のような衆人監視が行われないこと及び講演が Web 上で配信されることから，これらのリ
スクが高まることが懸念されます．本会では，リスクの高まりに対処するために，考えうる対策を取りますが，最後は参加者のモラルに訴えざるを得ません．これらを理解の上，十分に注意して講演の申し込み及び発表をして頂きますようお願いいたします．
発表に伴うリスク
1. 研究情報を不正に取得される
不正聴講，講演の録画・録音・撮影(スクリーンショットを含む)が行われてしまう※パスワード発行によって参加者を限定するとともに，録画・録音・撮影等の禁止を周知徹底しますが，最終的には参加者にモラ
ルを守っていただくことになります．
※本大会で使用するオンライン会議ツールでは録画機能は使えません．

2

著作権を侵害してしまう
他人が著作権を持つ音声，映像，画像，写真の安易な使用(引用)により，著作権を侵害してしまう※文献などはこれまでの講演大会と同様，適切な引用がされていれば問題ありません．

講演申込要領※一般講演およびポスターセッションの申込は，講演セッションキーワード一覧から，第希望および第希望のセッション
キーワードを選択する．キーワードおよび内容を参考に講演するセッションを確定します．
※申込方法について申込はすべて WEB 申込とする．
※講演時間・概要サイズについて
すべての概要原稿のサイズは A4 版縦ページ．
講演種別

概要サイズ

申込方法

発表件数

講演資格

公募シンポジウム一

般ポスターセッション

A4 版 1 頁(必 ず テ ン プ
レートを使用のこと)

WEB のみ最大 2 件．
ポスター発表2 件は不可※

講演時間

討論時間

10分～20分

5 分～10分

10分

5分

…

…

15分

5分

個人会員
非会員は登壇費が必要

共同セッション
※発表件数 1 人 2 件応募可．ただし，ポスターセッションでの 2 件申込は不可とする．
受賞講演，基調講演，招待講演等の特殊講演は上記の適用外とする．

.

発表内容





.

内容未発表のもので，講演としてまとまったものに限る．
言語日本語もしくは英語．
講演資格

講演者は，年会費および参加費納入済の本会個人会員(登壇費不要)，非会員および個人会員ではない維持員会社社員は下記大会参加費と登壇費の前納を条件とし，講演申込ができる．ただし，個人会員で期日までに年会費の支払いのない場合
は，申込の講演を不許可とする．
会員の申込方法 
事前参加申込(11月15日～2 月17日)

後期(当日)申込(2 月23日～3 月15日)

正員・維持員会社社員，シンポジウム共催・協賛の学協会会員・鉄鋼協会会員(本会非会員)10,000円

13,000円

2023年 3 月 1 日時点で65歳以上の個人会員

無

無

学生員

6,000円

会

員

資

格

料

料

7,000円

お支払後の取消は，準備の都合上ご返金いたしかねますのでご了承下さい．
 65歳以上の個人会員 会員情報に生年月日のご登録がない場合は，課金されますのでご注意下さい．会員情報に生年月日をご登録されていない方は，大会参加申込みの前に annualm＠jimm.jp まで会員番号・お名前・ご連絡先・生年月日をお知らせ下さい．
 学生員 卒業予定変更等により会員種別に相違がある場合，事前に会員種別の変更手続きを行ってから，大会参加をお申込下さい．
会員情報に登録された卒業年次を超えると，自動で正員となっています．

ま て り あ 第61巻 第11号(2022)
Materia Japan非会員の申込方法 「講演申込」の各講演メニューにある「新規登録」の「非会員の方はこちらからお申込み下さい」から講演申込ができます．
年

会費

1 講演登壇費

合

計

一

般

―

前納 24,000円

10,000円

34,000円

学生―

前納 14,000円

5,000円

19,000円

一般―

前納 10,000円

10,000円

20,000円

非会員
非会員(個人会員ではない維持員会社社員)

大会参加費※非会員(個人)の参加申込者には，1 年間の会員資格を付与します．ただし特典は重複して付与いたしません．

.

講演者変更および講演取消しについて

申込後の安易な講演者変更や取り消しは認めない．



やむを得ない理由により講演者を変更する場合は，事前に事務局に連絡する．当日，変更が生じる場合は，座長の了解を得ること．ただし，変更可能な講演者は概要著者(共同研究者で且つ会員)であること．

.

連続講演の希望について(下記条件全てを満たす申込のみ配慮する.)

同一のセッション名で申込みすること．



申込備考欄に連続希望する講演の順番，発表者名，タイトル，(可能なら受理番号)を記入する．



申込締切前の希望であること．(備考欄に記入しているあること．）



原則，同一研究室内で件以上の連続講演は認めない．

.

講演日の希望申込時に備考欄に記入のこと．ただし，セッションの日程上，希望に添えないこともある．申込締切後の希望は受付けない．

.

講演発表の際の注意事項





.

講演時間はご自身で管理し，厳守する．
発表者マニュアルに沿って講演を行うこと．
プログラム

プログラムは月末日頃ホームページに掲載予定

ポスターセッションについて.

発表方法2 月にホームページに掲載する最新の「ポスター発表資料作成要領」を参照のこと．

.

優秀ポスター賞エントリー制です．発表を審査員が審査採点して優秀ポスターを選出し，「優秀ポスター賞」を贈呈する．

エントリーの要件
 発表時点で，30歳以下の学生および30歳以下の若手研究者．
◯
 過去にこの賞を授賞していない者．
◯

.

代理発表について発表者が病欠等でやむを得ない場合，申し出があれば代理発表は可能．その旨を事前に事務局へ連絡する．ただし，優秀ポスター賞の授賞対象から外れる．

鉄鋼協会との共同セッションについて
本会と日本鉄鋼協会とは下記の共同セッションを実施する．
プログラムは両会のプログラムに掲載．
◯｢チタン・チタン合金」(2023年春の会場は鉄鋼協会会場)

◯｢マルテンサイト・ベイナイト変態の材料科学と応用」(

◇



〃

金属学会会場)◇◇

本 会 記 事

講演概要原稿作成・投稿方法
テンプレートを用いて作成した講演の題目・著者・本文の完 成版を PDF でアップ ロードし て下さい． (概要 作成には，大会受付システムトップページ(WEB 画面)のテンプレートの最新版をダウンロードして使用下さい.)
講演申込と講演概要原稿提出は同時に行って提出下さい．
(※同時に行わない場合は，講演申込として受理されません)
使用言語日本語または英語．
原稿サイズ A4 判縦 1 頁(必ず最新のテンプレートを使用
して作成のこと)
原稿提出要領

原稿を PDF へ変換する際は，フォント埋め込み作業を必ず行うこと．



発表者氏名の前に必ず○印を付けること( WEB 申 込
画面上で講演者をチェックして下さい)．



アップロードの際には，文字，図表等の品質を確認したうえでアップロードすること．

提出原稿の修正原則として提出期限後の原稿の修正・差替えは認めない．
講演概要の公開日 2023年 2 月21日(火)
特許関係の手続きは，公開日までにお済ませ下さい．

【留意点】本留意点は，作成の際は削除下さい． Pleasedelete unnecessary words from template.
日本語の方は見出しの英訳(Introduction など)を削除して下さい．If you would write in English, please remove
heading Japanese words like“緒言，実験方法，結果”．
タイトル，著者名は Web 入力の登録データと同一のものを入力して下さい．
タイトル，著者名，所属は可能な限り日本語・英語併記が望ましい．
キャプションは日本語・英語どちらかで結構です．
ポイントサイズは自由ですが，タイトル，著者，所属，本文，図面を A4 縦サイズ 1 枚に収めて下さい．
本文フォントは明朝と Times Roman を推奨します．
図面のカラー作成可能です．
最終的には PDF ファイルに変換しアップロードして下さい．
アップロードされたまま公開されますので， PDF 作
成の際はご注意下さい．
ファイルを PDF 形式へ変換する際は，フォントの埋め込み作業を必ず行って下さい．

ま て り あ 第61巻 第11号(2022)
Materia Japan講演大会概要の投稿要領
講演大会概要への投稿を公正かつ適切に行うため，下記の投稿要件に従って講演概要を作成願います．
(投稿要件)


未発表でかつオリジナリティがあること．



金属とその関連材料の学術および科学技術の発展に寄与するものであること．



軍事研究であると判断される内容を含んでいないこと



作成方法に基づいて作成された原稿であること．



著作権をこの法人に帰属することに同意すること．



ミスコンダクトをしないことおよびミスコンダクトをした場合は，この法人の定めるところにより処分または措置を受けることに同意すること．



宣伝や商用目的とする内容でないこと．

講演大会概要の査読
講演大会概要に投稿された全ての概要は，査読基準に基づき，その分野の専門家が査読する．査読者は次の項目を考慮し，採否を判定する．査読結果が「掲載不適当」に該当する場合は，理由を示して著者に返却する．
(査読の基準)

講演大会概要の投稿の要件に準拠していること．



内容が正確で，記述に問題がないこと．



軍事研究であると判断される内容を含んでいないこと．



題目が妥当であること．



研究不正行為及び不適切行為をしていないこと．

誹謗中傷に類する内容を含まないこと．

会誌年春期大会講演精選論文原稿募集
欧文誌 Selected Papers from JIM Spring Meeting()原稿募集◎日本金属学会誌「2023年春期大会講演精選論文」87巻10号および11号(2023年)掲載
Materials Transactions「Selected Papers from JIM Spirng Meeting(2023)」64巻10号および11号(2023年)掲載◎原 稿 締 切

2023年 5 月 1 日(月)◎予備登録，投稿および審査方法は，一般投稿論文に準ずる(ホームページの会誌・欧文誌投稿の手引き・執筆要領参照)．
◎欧文誌掲載論文は投稿掲載費用を必ず負担する．(会誌掲載論文は投稿掲載費用無料)☆すべての講演申込がインターネット申込となりますので，ご協力をお願い申し上げます．ご不明な点はお問合せ下さい．
連絡先TEL 022
2233685 FAX 0222236312
Email: annualm＠jimm.jp(公社)日本金属学会 講演大会係



本 会 記 事

講演申込・概要原稿提出手順入力された情報および登録された概要原稿は，プログラムにそのまま反映されますので，お間違えのないようにご登録下さい．

申込者は，講演者本人に限る．ID(会員番号)，パスワードを使用して，金属学会「大会受付システムトップページ(https://
jim.or.jp/convention/2023spring/)から申込みする．なお，申込締切日の 3 日前から申込みが集中殺到し，回線が混雑するので，早目に申込み下さい．
春期講演大会受付システムトップページ → ID 認証画面※1 → 講演申込 → 内容確認・修正 → 登録 → メール通知(申込受理通知)※1本会会員の ID(会員番号)，パスワード《講演内容の確認・修正》
概要提出期間内に WEB 画面の内容確認・修正で変更した場合は，講演大会概要に反映される．
春期講演大会受付システムトップページ → 講演大会 MyPage → ID 認証画面※2 → 内容確認・修正 → 登録 → メール通知(修正受理通知)※22023年春期大会から会員は会員番号とそのパスワード，非会員は申込受理通知に記載された，春期講演大会用の参加登
録番号，パスワード
講演の分類
セッションキーワード(一般，ポスターのみ)

セッション名はまてりあ第 61 巻第 11 号 806 頁の講演セッションキーワード一覧から第希望(必須)および第希望(必須)のセッションキーワードを選択する．
セッションキーワードへの申込数および内容を参考に最終的に組入れるセッションを確定する．

シンポジウム講演

まてりあ第61巻第11号809頁のテーマ要旨を参照の上，応募するシンポジウム番号を選択する．

キーワードキーワードを 1 語以上入力する．(最大10語入力可．）
特に対象とする材料，物質，合金名をキーワードの中に含める．

申込研究者数所属機関数
申込研究者一覧

共同研究者人数最大15名まで，所属機関数10施設まで
インターネット申込は，「申込者」が「講演者」となるようにチェックする．
共同研究者は非会員でも可．

ローマ字氏名所属機関略称

名姓の順で，フルネームで記入する．
慣用の略称で記入する．研究場所と現勤務先が異なる場合は両方記入する．
［例東北大工(現日立中研)］
大学院生と学生の区別それぞれ(院生)，(学生)と所属の後に表示する．
［例東北大工(学生)

東北大工(院生)］

講演題目

和文題目は150バイト(全角75文字)まで，外国人講演の英文題目は200バイトまで．
概要原稿の題目と同一のもの．

要旨

プログラム編成の参考となる内容を記入する．
要旨欄に入力できるのは100文字(全角)まで．

概要原稿

全講演 A版頁．WORD(テンプレートあり)で作成し，アップロードする概要原稿の内容と申込欄に入力した題
目・著者名が同じになるようにすること．ファイルを PDF 形式へ変換する際は，フォント埋め込み作業を必ず行う．
内容変更の場合は概要原稿の修正版を期日内に再提出する．

その他・備考欄連続講演を希望する場合(条件有り)は，連続を希望する講演の順番，発表者名，タイトル，(可能なら受理番号)を記入し，同一のセッションキーワード名で申込みをする．申込締切後の希望は受付けない．
その他の連絡事項など．

会員番号

講演者は必ず会員番号(ID)を記入する．
共著者はわかる範囲で可．

著作権同意できない場合は申込出来ない．

プログラム公開

同意できない場合は申込出来ない．

講演概要の WEB
公開

講演概要の WEB 公開に同意できない場合は，申込出来ない．
公開は開催日 2 週間前に参加申込者のみに公開．

ま て り あ 第61巻 第11号(2022)
Materia Japan






本 会 記 事ま て り あ 第61巻 第11号(2022)
Materia Japan






本 会 記 事年春期講演大会公募シンポジウムテーマ要旨
春期講演大会におけるテーマ公募によるシンポジウム講演は，下記 4 テーマで実施することになりました．

講演申込要

領は前記のとおりです．多数の有益な講演と活発な討論を期待いたします．

Materials Science and Technology in HighEntropy Alloys 

S3 材料機能特性のアーキテクチャー構築シンポジ
ウム―さまざまな拡散・輸送現象のアナロジー体
系化による学理の再認識―

ハイエントロピー合金では，配置のエントロピーが固溶体

Architecture construction for functions and properties of

S1

ハイエントロピー合金の材料科学

相を安定化するとの考えを基に，不均一に歪んだ結晶格子に

materials IV ―Reconsidering the principles for various diffu-

由来した高い変形強度，トラップ効果に由来した遅い原子拡

sion processes and transport properties based on systematic散から生じる高いクリープ特性，多様な構成原子間の非線形

classification by analogy―

相互作用に起因する物性発現に関するカクテル効果など，材
料科学の基礎・応用の両面で興味深い現象が期待されてい材料機能特性のアーキテクチャー研究会が企画する公募シる．現実に優れた高温強度，低温靭性，高耐摩耗性を示す一ンポジウムの第弾である．結晶構造や格子欠陥から相界面連の合金が見出されている．科研費・新学術領域研究も本年を含む組織まで，マルチスケールにわたる材料の構造全体を度で最終年度となり，様々な知見が蓄積されてきている．本アーキテクチャーとして捉えている．今回は，異なる材料やシンポジウムでは，ハイエントロピー合金の基礎及び応用に反応における「さまざまな拡散・輸送現象の類似と相違をア

関する実験・理論計算の研究に関する講演を広く募り，大ナロジーで体系化する」という切り口で，広範な専門分野に学，企業，研究所の研究者の活発な議論の場を提供するとと共通する基礎学理を再認識して理解を深める機会とする．構もに，これら研究者の有機的連携を促進しつつ，ハイエント

造用と機能性，金属とセラミックスなど材料の枠組みを超え

ロピー合金に関する科学的な疑問を解明すべく，第 9 回のた議論が期待される．多様な専門分野で研究される多彩な材

公募シンポジウムを企画する．

料において，拡散・輸送現象はアーキテクチャーと密接に関テーマ責任者

連して律速過程や制御因子として重要な役割を果たす．例え(シンポジウム chair)

ば，組織形成の析出・相変態・粗大化，凝固界面における潜

日本原子力研究開発機構原子力基礎工学研究センター研究主

熱と溶質の散逸，精錬の酸化還元プロセスにおける物質移幹 都留智仁動，耐熱合金の転位・空孔・粒界による高温クリープ変形，Email: tsuru.tomohito＠jaea.go.jp

導電性材料における電子・イオン・フォノンの輸送特性な(シンポジウム cochairs)
九大 田中將己

金沢大 下川智嗣

ど，対象は多岐にわたる．
東北大 井上耕治

テーマ責任者(シンポジウム chair)
東京工業大学物質理工学院材料系教授 木村好里

S2 金属表面の材料化―めっき・耐食性・耐酸化
性・触媒研究の新展開―
Materials Science in Surface Chemistry on Metal VI

Email: kimura.y.ac＠m.titech.ac.jp(シンポジウム cochairs)
足利大 小林重昭

東北大 関戸信彰

産総研 田中孝治

熊本大 連川貞弘

東工大 細田秀樹

東北大 吉見享祐

第 5 分野で取り扱う金属表面と溶液や気体などとの化学反応は，異なる専門領域として深化してきているが，その本質には共通点も多いが，関連分野の研究者が議論する機会は余りなく，その様な場の提供が必要である．
本シンポジウムでは金属表面化学や，表面とバルク特性の関係について，主にめっき・触媒・耐食性・耐酸化性の分野

S4 特異反応場における時間/空間応答を利用した新奇材料構造創成Tailoring of novelstructured materials using spatiotemporal responses under exotic reaction fields

IIIから講演を募り，研究者間での意見・情報交換，討論を行う
ことで，関連分野の理解を進め，共同研究や新規研究テーマ

非平衡状態を利用したナノ・マイクロ組織を有する材料のの創成等へと繋がるきっかけとする．

開発や物性探索において，極限反応場や特殊環境下の非平衡

テーマ責任者

励起状態の実現だけでなく，その緩和過程に代表される時間(シンポジウム chair)
北海道大学教授 林的変化をも利用した＊エキゾチックな＊時間的・空間的応答
重成Email: hayashi＠eng.hokudai.ac.jp(シンポジウム cochairs)
兵庫県立大 八重真治
東北大 轟

阪大 土谷博昭

直人

ま て り あ 第61巻 第11号(2022)
Materia Japan

の理解・制御が重要である．これを受け， 2022 年秋までに開催した同テーマでの 2 回のシンポでは 13 件程度の一般講演申し込みがあり，会員の興味が高いことを示している．そこで， 2023 年春も同趣旨にてシンポを継続開催し，高エネ
ルギー照射などによる極限場における時間/空間応答の利用

による新規材料開発について議論を深める．

(シンポジウム cochairs)
東北大 森戸春彦

テーマ責任者(シンポジウム chair)

大阪公立大 堀筑波大学数理物質系物質工学域准教授 谷本久典

GCE インスティテュート 中村貴宏

史説

東北大 田中俊一郎

若狭湾エネルギー研究センター

岩瀬彰宏

Email: tanimoto＠ims.tsukuba.ac.jp

日本金属学会年春期(第回)講演大会
第回「高校生・高専学生ポスター発表」募集案内
申込締切日年月日(金)本会では最新の研究成果を発表・討議する場として毎年春秋 2 回の「講演大会」を開催しており，2023年 3 月15日(水)にオンライン(または希望があれば通常のポスターセッションの会場)にて2023年春期(第172回)講演大会高校生ポスターセッシ
ョンを開催します．
この講演大会に於いて，若い学生に金属および材料学分野に対して興味や理解を高めてもらうため「高校生・高専(3 年生
以下)学生ポスター発表」のセッションを開催いたします．
ポスター発表は，生徒の研究成果の発表を大学の教授や企業の研究者等の専門家に直接聴いてもらい，質疑応答が受けられる貴重な機会であり，さらにポスターの出来栄えや発表の受け答えなどを審査して，優秀な発表には会長による賞を授与します．金属および材料学分野に興味があり，本講演大会でポスター発表していただける生徒がおられましたら，奮ってご応募下
さい．
発表者と指導教員には本大会の参加費を無料で参加いただき，研究者の最新の研究成果の発表を聴講いただけます．詳細は，「高校生・高専学生ポスター発表要領」でご確認下さい．
「高校生・高専学生ポスター発表」要領
学 会 名

日本金属学会2023年春期(第172回)講演大会

行 事 名｢高校生・高専学生ポスター発表」

開催場所

東京都立産業貿易センター浜松町館(3 月 7 日)およびオンライン(Zoom)(3 月15日)

開催予定日時 年月日(火) ～または月日(水) ～の間で時間程度を予定
対 象 者

高校生および 3 年以下の高専学生

発表方法

対面(3 月 7 日)またはオンライン(Zoom)(3 月15日)を選択して下さい．

テ ー マ

材料に限定せず，フリーテーマです．(課題研究の成果，科学技術の取組等)

ポスター発表資料作成について別途連絡
講演申込

https://jim.or.jp/convention/2023spring

講演概要原稿不要

参加費および講演聴講◯

発表者，共同研究者および指導教員の参加費を免除し，講演大会の発表を聴講できる．

◯

希望があれば，高校生・高専ポスター発表の関係者(親，友人) 5 名程度までの参加費を免除し，講演大会の発表を聴講することができる．

◯(現地開催の場合)指導教員は，事前に参加者リストを提出する．(別途用紙を送付予定)

◯

指導教員宛てに，参加者用 ID とパスワードおよびプログラム 1 部を事前送付する．

優秀ポスター賞

優秀な発表には最優秀ポスター賞および優秀ポスター賞を授賞します．

問合せ・連絡先公益社団法人日本金属学会

講演大会係〒9808544 仙台市青葉区一番町 11432

 0222233685

FAX 0222236312%

Email: annualm＠jimm.jp



本 会 記 事年春期(第回)講演大会の案内および参加申込みについて
2023年春期講演大会は，月日(火)のポスターセッションは東京都立産業貿易センター「浜松町館」，月日(水)から

日(金)までの口頭発表は東京大学駒場キャンパスにて開催いたします．(新型コロナウイルス感染症の状況によってはオンライン開催に変更する場合があります.)
高校生・高専学生ポスターセッションは，月日(火)は東京都立産業貿易センター「浜松町館」，月日(水)はオンラ
インにて開催いたします．(希望により発表日が異なります.)
尚，参加申込みは，すべてインターネット申込みとなります．詳細は，下記参加申込要領をご覧下さい．
日
日

時

程
行

事

ポスターセッション(東京都立産業貿易センター(浜松町館 2F))

月日(火)1430～
月日(水)

900～ 940
1000～1700

贈呈式
学術講演

月日(木)

900～1700

学術講演

月日(金)900～1700

学術講演会

月日(水)高校生・高専学生ポスターセッション(オンライン)

参加申込要領(参加申込みは全てウェブサイトからとなります)
大会参加申込期間および URL(事前申込)年月日～年月日
https://jim.or.jp/convention/2023spring/(後期(当日)申込)年月日～月日
https://jim.or.jp/convention/2023spring_after/◆大会参加費(講演概要ダウンロード権含む)※年会費とは異なります．
参加費・懇親会の消費税扱については，ホームページ(一覧表 PDF)をご参照下さい．
事前参加申込(11月15日～2月17日)

後期(当日)申込(2 月23日～3 月15日)
クレジット決済のみ

正員・維持員会社社員，シンポジウム共催・協賛の学協会会員・鉄鋼協会会員(本会非会員)10,000円

13,000円
無

会

員

資

格

2023年 3 月 1 日時点で65歳以上の個人会員

無

学生員

6,000円

7,000円非会員
 一般

24,000円

27,000円

非会員 学生(大学院生含む)

14,000円

16,000円

料

料

お支払後の取消は，準備の都合上ご返金いたしかねますのでご了承下さい．
領収書は，決済完了後に申込画面(講演大会 Mypage)からダウンロードし，印刷して下さい．
参加方法や講演概要ダウンロードについては，下記をご参照下さい．
 65歳以上の個人会員 会員情報に生年月日のご登録がない場合は，課金されますのでご注意下さい．会員情報に生年月日をご登録されていない方は，大会参加申込みの前に annualm＠jimm.jp まで会員番号・お名前・ご連絡先・生年月日をお知らせ下さい．
 学生員 卒業予定変更等により会員種別に相違がある場合，事前に会員種別の変更手続きを行ってから，大会参加をお申込下さい．
会員情報に登録された卒業年次を超えると，自動で正員となっています．
非会員の参加申込者には，1 年間の会員資格を付与します．ただし特典は重複して付与いたしません．

◆支払方法
事前申込のお支払いはクレジットカードおよびコンビニ振込決済をご利用頂けますが，後期(当日)申込はクレジット決済のみとさせて頂きます．事前予約申込は 2 月17日(金)の入金日をもって事前参加申込完了となります．

ま て り あ 第61巻 第11号(2022)
Materia Japan◆参加方法
(事前参加申込みの方)参加申込みをされ，参加費を納入された方へは，概要公開日に講演概要閲覧等に必要な参加者個別認
証 ID とパスワードを配信いたします．
(後期(当日)申込の方)参加申込受理通知に記載の「登録番号」および「パスワード」が講演概要閲覧に必要な個別認証 IDとパスワードになります．

◆講演概要の WEB 公開
講演概要の公開日は，大会 2 週間前の年月日(火)です．特許関係のお手続きは，公開日までにお済ませ下さい．
講演大会公開サイトにログイン後，講演概要の閲覧ができます．

◆参加証
大会マイページにて「参加証」を印刷し，来場の際提示下さい．

◆講演概要集購入について
講演概要集 DVD は作成いたしません．全講演概要は，本大会 Web サイトで公開をします．これまで概要集 DVD のみ購入をされていた方も，通常の参加登録をして頂き，概要の閲覧をお願いします．

年春期講演大会

開催予定の各種シンポジウム

公募シンポジウムテーマ
S1
S2
S3
S4

ハイエントロピー合金の材料科学
金属表面の材料化―めっき・耐食性・耐酸化性・触媒研究の新展開―
材料機能特性のアーキテクチャー構築シンポジウム―さまざまな拡散・輸送現象のアナロジー体系化による学理の再認識―
特異反応場における時間/空間応答を利用した新奇材料構造創成

企画シンポジウムテーマ
K1

工業製品における材料選択とマルチマテリアル構造～自動車ボディ～
Materials selection and multimaterial structure in commercial products ～automobile bodies～
ものづくりの基盤形成を担う第 8 分科発案のシンポジウムで，身の回りの工業製品がどのような材料からできているか，また材料選択やマルチマテリアル構造についてどのように考えるべきなのかを，広く議論する場を提供することを目的とする．前 2 回の「航空機機体」，「建築構造物」に引き続き，3 回目の今回は「自動車ボディ」を取り上げ，国内の自動車や材料メーカーだけでなく，海外のメーカーの研究者にも講演を依頼し，業界の動向や課題，各材料の強みや弱み，新材料の開発ならびに適用可能性について情報提供を頂くことを計画している．これまでの講演大会にはなかった『材料を横断的に捉えるシンポジウム』として，シリーズ化していくことを考えている．

参加申込・問合先〒9808544 仙台市青葉区一番町 11432(公社)日本金属学会
 0222233685



FAX 0222236312%

Email: annualm＠jimm.jp

本 会 記 事

金属学会シンポジウム

タングステン材料科学

New!!

［協賛予定］タングステン・モリブデン工業会，プラズマ・核融合学会，日本原子力学会，エネルギー資源学会，応用物理学会，金属系材料研究開発センター，軽金属学会，軽金属製品協会，合金状態図研究会，資源・素材学会，ステンレス協会，素形材センター，日本アルミニウム協会，日本 MRS，日本化学会，日本ガスタービン学会，日本機械学会，日本材料科学会，日本材料学会，日本
セラミックス協会，日本塑性加工学会，日本チタン協会，日本鋳造工学会，日本鉄鋼協会，日本物理学会，日本分析化学会，粉体粉末冶金協会

近年，核融合分野における実験炉 ITER の耐熱・耐粒子束機器や，加速器のターゲットや遮蔽材料として，タングステン
系の材料が注目されている．タングステンは，これらの高エネルギー分野のみならず，様々な分野での応用可能性を秘めているが，高融点ゆえの材料学的な課題も多い．本シンポジウムでは，タングステン材料科学の展開について，材料開発，評価，計算科学に関連した発表，討論を行い，今後の研究の発展に資する．
(企画世話人

東北大 笠田竜太

北大 橋本直幸)※本シンポジウムは12/7 より行われる東北大学金属材料研究所の照射材料研究会と共催で行われる．
日

時 年月日(木)～，日(金)～

場

所

仙台国際センター

募集定員

会議棟 3 階中会議室「白橿」100名

受講料・受講資格(テキスト代含む・税込)(テキスト代含む・税込)
受講資格
事前申込

当日申込(現金のみ)

正員

10,000円

12,000円

学生

5,000円

6,000円

非会員

15,000円

18,000円

WEB 申込

申込要領(事前)(当日)(本会前維持員会社社員，協賛学協会会員は会員扱い．
学生は会員，非会員の区別なし)

https://www.jim.or.jp/seminersymposium/

よりお申込み下さい．

現地受付にて現金のみ．

事前申込締切 年月日着信
テキストの送付

開催10日前辺りに発行送付の予定です．事前申込者にはテキストが出来次第，参加証等関係資料とともにお送りいたします．

受講料支払方法(事前)
(当日)
問合先

 カード決済◯ コンビニ決済◯ 銀行振込◯

現金のみ〒9808544 仙台市青葉区一番町 11432(公社)日本金属学会

シンポジウム参加係

Email: meeting＠jimm.jp

 0222233685

FAX 0222236312%〈プログラム〉
月日(木)1330～1340
1340～1420
1420～1500

月日(金)挨拶
 核融合炉用タングステン合金の開発(仮)
東北大 長谷川 晃
 タングステン表面ナノ構造形成の解明を目指したハイブリッドシミュレーション
核融合研 伊藤篤史―休15 10 ～ 15  50

15 50 ～ 16  30
16 30 ～ 17 10

憩― タングステン中の水素同位体の蓄積・拡散における照射効果とその抑制
富山大 波多野雄治
 照射下タングステンにおける溶質元素効
原子力機構 鈴土知明
果のモデリング 核融合実験炉 ITER のダイバータ用タン
量研機構 福田 誠
グステンの開発

930～1010 日本のタングステン産業の現状と課題
(仮) タングステン・モリブデン工業会 未定―休憩― タングステン材料のマイクロ・マクロメ量研機構 兪 周カニクス
 タ ン グ ステ ン に お ける 照 射 欠陥 挙 動 の1050～1130 
島根大 荒河一渡TEM その場観測 粒界強化再結晶ナノ組織タングステン合11  30 ～ 12 10 
金の加速器科学への応用
高エネ研 牧村俊助
1210～1220 挨拶
10  10 ～ 10 50(各講義には10分程度の質疑応答時間を含む)

ま て り あ 第61巻 第11号(2022)
Materia Japan日本金属学会オンライン教育講座『金属製錬の熱力学』
日時

一日目 年月日(木)～
二日目 年月日(金)～

金属製錬は，鉱石から酸素や硫黄，不純物を除去して目的の金属を得る技術として，現代社会の構築に大きく貢献してきました．資源の枯渇や地球温暖化が進み，低品位鉱石や都市鉱山の活用が求められ，カーボンニュートラルに向けて様々な取り組みがなされる中，その重要性はさらに高まっています．
本講義では，高温反応での乾式製錬に焦点をあて，その原理となる化学熱力学における化学ポテンシャル，相平衡，状態図などの基礎概念や法則について解説します．さらに，不純物除去のためのスラグ金属気体間平衡反応など製錬プロセス解析
への化学熱力学の活用について解説します．これらは同様に化学熱力学を活用する湿式製錬や電解精錬を学ぶ上での基礎にもなります．

月橋文孝先生

講師東京大学名誉教授［講師紹介］1977年 3 月東京大学工学部金属工学科卒業．1982年 3 月東京大学大学院工学系研究科金属工学専門課程博士課程修了，工学博士． 1982年 4 月東京大学工学部金属工学科助手， 1986年 10月東京大学講師，1988年 1 月東京大学
助教授を経て，1999年 4 月東京大学大学院新領域創成科学研究科物質系専攻教授．2020年 3 月東京大学定年退職．
2020年 6 月東京大学名誉教授．
［協賛予定］エネルギー資源学会，エレクトロニクス実装学会，応用物理学会，化学工学会，環境資源工学会，金属系材料研究開発センタ
ー，軽金属学会，軽金属製品協会，合金状態図研究会，資源・素材学会，自動車技術会，ステンレス協会，スマートプロセス学会，素形材センター，電気化学会，電気学会，日本アルミニウム協会，日本 MRS，日本化学会，日本ガスタービン学会，日本機械学会，日本混相流学会，日本材料科学会，日本材料学会，日本磁気学会，日本伸銅協会，日本セラミックス協会，日本塑性
加工学会，日本チタン協会，日本鋳造工学会，日本鉄鋼協会，日本熱物性学会，日本物理学会，日本分析化学会，日本マグネシ
ウム協会，日本溶接協会，熱処理技術協会，廃棄物資源循環学会，粉体粉末冶金協会，溶接学会

参加方法
受 講 料

オンライン(Zoom)による講義．申込者へは 3 日前までに参加方法をご連絡いたします．
対象者

1 講座基本料金

2 講座目以降割引料金※

正員

20,000円

15,000円

学生

8,000円

6,000円

非会員

40,000円

30,000円(本会維持員会社社員，協賛学協会会員は会員扱い．学生
は会員，非会員の区別なし)※本年度および次年度開催のオンライン教育講座を複数申込される場合，2 講座目からは割引料金となります．一日目，二日目の区分ではありません．
申込締切(事前予約のみ) 年月日(火)
事前配布資料

事前配布資料があれば，開催 3 日前頃までにメール配信いたします．

参加申込方法WEB 申込

受講料支払方法
問合先

https://www.jim.or.jp/seminersymposium/

 カード決済◯ コンビニ決済◯ 銀行振込◯〒9808544 仙台市青葉区一番町 11432(公社)日本金属学会

セミナー・シンポジウム参加係

Email: meeting＠jimm.jp

 0222233685

FAX 0222236312%＜プログラム＞
一日目 月日(木)1300～1455

熱力学変数

1455～1505―休

1505～1700

化学ポテンシャルと平衡憩―

二日目 月日(金)1300～1455

状態図と相平衡1455～1505―休

1505～1700

製錬プロセスへの適用



憩―

本 会 記 事

日本金属学会オンライン教育講座

 水溶液腐食の基礎―平衡論・速度論』『金属材料の耐環境性
日時

一日目 年月日(月)～
二日目 年月日(月)～

近年，金属材料が使用される環境は多様化し，使用環境と金属材料の相互作用により生じる腐食・劣化現象やその要因も複雑化する傾向にあります．様々に異なる腐食の要因を把握して適切な防食対策を施すためには，腐食現象を基礎から理解することが必要とされます．本講座では水溶液が関わる腐食を理解するために不可欠な平衡論や速度論を中心とした基礎理論，ならびに鉄鋼材料や非鉄金属材料で生じうる腐食の機構について学びます．

大塚俊明先生講師北海道大学名誉教授［講師紹介］1971年 3 月北海道大学工学部応用化学科卒業．1976年 3 月北海道大学工学博士．北海道大学助手・同大助教授・名古屋工業大学助教授を経て，1998年 4 月北海道大学教授．現在，北海道大学名誉教授．

講師東北大学教授

武藤泉先生

株 研究員・新日鐵住金［講師紹介］1986年 3 月東北大学工学部金属工学科卒業．1998年 3 月東北大学博士(工学)．新日本製鉄
株 主任研究員・東北大学助教授・同大准教授を経て，2014年 1 月より現職．
ステンレス

講師東京工業大学教授

多田英司先生［講師紹介］1993年 3 月東京工業大学工学部金属工学科卒業．1998年 3 月東京工業大学博士(工学)．秋田大学助手・秋田大学
准教授・東京工業大学准教授を経て，2021年 4 月より現職．
［協賛予定］安全工学会，化学工学会，火力原子力発電協会，軽金属学会，鋼管杭・鋼矢板技術協会，色材学会，資源・素材学会，ステンレス協会，精密工学会，石油学会，電気化学会，土木学会，日本化学会，日本ガス協会，日本機械学会，日本原子力学会，日本建築学会，日本高圧力技術協会，日本工学会，日本鋼構造学会，日本材料学会，日本伸銅協会，日本水道協会，日本セラミックス協会，日本チタン協会，日本鉄鋼協会，日本非破壊検査協会，日本プラントメンテナンス協会，日本防錆技術協会，日本溶接協会，表面技術協会，腐食防食学会，溶接学会

参加方法
受 講 料

オンライン(Zoom)による講義．申込者へは 3 日前までに参加方法をご連絡いたします．
対象者

1 講座基本料金

2 講座目以降割引料金※

正員

20,000円

15,000円

学生

8,000円

6,000円

非会員

40,000円

30,000円(本会維持員会社社員，協賛学協会会員は会員扱い．学生
は会員，非会員の区別なし)※本年度および次年度開催のオンライン教育講座を複数申込される場合，2 講座目からは割引料金となります．一日目，二日目の区分ではありません．
申込締切(事前予約のみ) 年月日(木)事前配布資料

事前配布資料があれば，開催 3 日前後までにメール配信いたします．

参加申込方法https://www.jim.or.jp/seminersymposium/

受講料支払方法
問合先

 カード決済◯ コンビニ決済◯

よりお申込み下さい．

 銀行振込◯〒9808544 仙台市青葉区一番町 11432(公社)日本金属学会

セミナー・シンポジウム参加係

Email: meeting＠jimm.jp

 0222233685

FAX 0222236312%＜プログラム＞
一日目 月日(月)二日目 月日(月)1300～1430

水溶液腐食の平衡論(大塚俊明先生)

1300～1430

鉄鋼材料の全面腐食・局部腐食(武藤1430～1450―休1430～1450―休1450～1620水溶液腐食の速度論(大塚俊明先生)

1450～1620

非鉄金属材料の腐食(多田英司先生)

1620～1630―休憩―

1620～1630―休1630～1700

質疑応答

1630～1700

質疑応答

憩―

ま て り あ 第61巻 第11号(2022)
Materia Japan

泉先生)

憩―

憩―




支部行事

日本金属学会北陸信越支部・日本鉄鋼協会
北陸信越支部 連合講演会のお知らせ

第
回 ヤングメタラジスト研究交流会
開催のご案内下記の通り，開催を予定しております．

ヤングメタラジスト研究交流会は，関東支部内の大学や企

日時 年月日(土)業に所属する若手研究者の交流を目的とし 2004 年に第 1 回場

所

石川県金沢市目が開催されて以降，今年で第 19 回目を迎えます．支部内

開催方法

online 方式の若手研究者と研究に熱意ある学生が研究活動の報告を通じ

詳https: // jim-isij-hs2022.sakura.ne.jp /細て互いに交流し，連携を深めることで，関東支部の金属材料

をご覧下

さい．

研究がより一層活性化することを目指しております．本年度は，東京工業大学・大岡山キャンパスを会場とし，講演とポスターセッション，民間企業研究者との交流会を対面で開催いたします．皆様のご参加をお待ちしております．
日時〈公募類記事〉
無料掲載募集人員，締切日，問合先のみ掲載．
有料掲載1/4頁(700～800文字)程度．
「まてりあ」とホームページに掲載15,000円＋税
ホームページのみ掲載
10,000円＋税〈その他の記事〉 原則として有料掲載．
原稿締切・掲載号毎月 1 日締切で翌月号 1 回掲載．
原稿提出先電子メール(受け取りメールの確認をして下さい)Email : materia＠jimm.jp

年月日(水)～
(参加者数に応じ変更の可能性があります)

スケジュール(参加者数に応じ変更の可能性があります)13001310

開会挨拶・諸連絡13101510

ゲスト講演

15201600

ポスターセッション(第 1 部)

16051645

ポスターセッション(第 2 部)

16501720

企業交流コーナー

17301740

ポスター賞表彰式

17401750

閉会挨拶

公

◇東北大学金属材料研究所

ゲスト講演プログラム
13101350

ナノレベルで捉える金属材料の溶解現象
物質理工学院 大井

東京工業大学13  50 14  30

梓

准教授公募◇

公募人員

准教授名

所

アクチノイド物質科学研究部門

属

専門分野

アクチノイドを含む強相関電子系の物質開発，試駆け出しの耐熱金属材料研究者のこれまで料育成，極限環境下における物性実験を行なう．

とこれから研究・教育に意欲的に取り組んでいただける方．

物質・材料研究機構

14  30 15  10

募

構造材料研究拠点 畠山友孝

金属材料研究所附属量子エネルギー材料科学国際

せん断端面における残留応力評価と水素脆
化との関係
日本製鉄

RE センター

鉄鋼研究所 崎山裕嗣

研究センター(大洗)を主な本務地とする．
応募資格

博士の学位を有する方

勤務形態

常勤

任期あり

任期10年(審査後再任 1 回 5 年可)場

所

東京工業大学大岡山キャンパス

蔵前会館

待

遇

東北大学の規定による(状況によりオンラインに変更になる可能性もあります)

公募締切

年月日(水)必着

大岡山駅(東急大井町線・目黒線)中央改札から徒着任時期決定後なるべく早い時期

歩1分

提出書類

 履歴書(写真貼付)◯

アクセス

 研究業績リスト(原著論文，プロシーディング◯

https://goo.gl/maps/UJw4WYCVqLPJGvZS9ス，著書・解説，招待講演，その他に分類)
参加費

無料(新型コロナウイルス対策のため，本年度の懇

 主要論文別刷 5 編(コピー可)◯親会は中止いたします) これまでの研究業績概要(2,000字程度)◯
 今後の研究展望(2,000字程度)
◯

問い合せ先

 推薦書または照会可能者 2 名の氏名と連絡先◯

Email: nakashima.h.aa＠m.titech.ac.jp

東京工業大学 物質理工学院
・

中島広豊

書類送付先

〒 311 1313 茨 城 県 東 茨 城 郡 大 洗 町 成 田 町21452

・

東北大学金属材料研究所

教授

青木

大

※提出書類を PDF ファイルとして USB メモリあるいは CDに保存し簡易書留で送付．「アクチノイド物質科学研究部
門



准教授

応募書類」と朱書のこと．海外在住者の場

本 会 記 事合は，メールでの提出も可．

★チタンシンポジウム(第 6 回)★(合同開催)

なお， 応募書 類の返 却は いたし ません ので ご了承 下さ

テーマチタンの未来

い．履歴書は本応募の用途限り使用し，個人情報は正当

午後 200～

な理由なく第三者へ開示することは一切ありません．

講演(敬称略)

問い合せ先

教授

青木

FAX 0292674947%

東邦チタニウム株式会社

Email: dai.aoki.c2_at_tohoku.ac.jp

・公代表取締役社長 山尾康二

大阪チタニウムテクノロジーズの生産力の変遷と今後への期待(仮)(60分)

・

株式会社大阪チタニウムテクノロジーズ

募

執行役員・チタン製造部長 荒池忠男

大阪公立大学
または

公募人員

准教授

属

工学研究院/工学研究科

締切分野/工学部

東西分断後のチタンの商流と日本のポジションについて

専任教員公募所(仮)(45分)

東京大学

生産技術研究所

教授 岡部徹

総合討論チタンのサプライチェーンの未来について(仮)講師 1 名
機械系専攻

機械工学

(45分)
午後 600～

機械工学科

研究交流会・意見交換会

2022年11月30日（水）消印有効

問合せ先

公立大学法人大阪

事務局

総務部

人事課

 0722549105（ダイヤルイン）
・集～Mining & Metals～(仮)(60分)

私の人生

大

 0292673181＊レアメタル研究会ホームページ＊
https://www.okabe.iis.utokyo.ac.jp/japanese/rc40_j.html

・

会
集

会

◇レアメタル研究会◇■主催

レアメタル研究会■主 宰 者

東京大学生産技術研究所

教授

岡部

徹

■協

力

(一財)生産技術研究奨励会(特別研究会 RC40)■共催

東京大学マテリアル工学セミナー◇なぜ SDGs?～資源・材料循環における SDGs とカーボンニュートラル～◇
東京大学 生産技術研究所 コンベンションホール
＋ オンライン配信

レアメタルの環境調和型リサイクル技術の開発研究会
東京大学生産技術研究所 持続型材料エネルギーインテグレ■日程ーション研究センター■開催会場

門(JX 金属寄付ユニット)
賛

An 棟 2F コンベン

https://www.iis.utokyo.ac.jp/ja/access/(東京(公社)日本金属学会

他

大学生産技術研究所内)■参加登録・お問い合わせ岡部研

東京大学 生産技術研究所
ションホール東京大学生産技術研究所 非鉄金属資源循環工学寄付研究部■協2022年11月18日(金）1400～1800■主学術専門職員

催宮嵜智子

日本 学術 会議 材料 工学 委 員会 ・環 境学 委 員
会・総合工学委員会合同(tmiya＠iis.utokyo.ac.jp)

SDGs のための資源・材料の循環使用検討分科会
令和 4 年度 レアメタル研究会のご案内■第103回(2022. 9. 9現在)

■共催

2022年11月 4 日(金)学寄付研究部門( JX 金属寄付ユニット)，東京★チタンシンポジウム(第 6 回)★(合同開催)

大学 生産技術研究所 持続型材料エネルギーイ(関連シンポジウム寄付ユニット特別シンポジウム
2022年11月18日(金))ンテグレーション研究センター■後

援(会場生産技術研究所コンベンションホール)■第104回

2023年 1 月 6 日(金)または 1 月13日(金)(2022年度

東京大学 生産技術研究所 非鉄金属資源循環工東京大学 レアメタル研究会，早稲田大学 持続的環境エネルギー社会共創研究機構他■開催内容

資源材料循環は，SDGs の目標12「つくる責任第 4 回)

つかう責任」に密接に関係している．昨今の★貴金属シンポジウム(第10回)＋新年会★(合同開催)

カーボンニュートラル政策においても，一層■第105回

2023年 3 月10日(金)(2022年度

第 5 回)

重要視されており，社会システム的にも技術的にも変革が求められている．資源循環に対■第103回

2022年11月 4 日(金)1400～

An 棟 2F

する課題は物質ごとに大きく異なるが，本シ

コンベンションホール

ンポジウムでは，特に蓄電池などに使用され

リ ア ル 講 演 会 ＋ 講 演 の ネ ッ ト 配 信 ( Zoom Webinar &る金属資源の循環に関して，その現状と課題

YouTube)のハイブリッド研究会を俯瞰し，市民と共に理想的な資源材料循環

ま て り あ 第61巻 第11号(2022)
Materia Japan

のあり方を議論する場としたい．講演や討論れに伴う環境影響が今以上に増加することが懸念されている

会は，オンライン配信を行う．

が，その考え方と打開策の方向性についてご講演をお願いし■オンライン配信 URLている．

Zoom ウェビナーhttps: // u-tokyo-ac-jp.zoom.us / webinar / register / WN _

電池のサステナビリティ検討に対する取り組み(45分)

8E3yBo_lQ3uxguNnRLkYZw

経済産業省 電池産業室 室長

YouTube

武尾伸隆

カーボンニュートラルと資源循環の両立に対する重要なデバ

https://www.youtube.com/watch?v＝ykWv5Vu9XsU

イスの 1 つである蓄電池に対して，国を中心に検討されているサステナビリティに対する考え方と方向性についてご講■プログラム
司会所

演をお願いしている．

千晴
1700～

日本学術会議 第三部会員，早稲田大学・東京大学 教授

パネルディスカッション

パネラー

1400～

開会の挨拶

岡部

徹

森部昌一

株式会社三菱総合研究所 サステナビリティ本部 環境イ

森田一樹

日本学術会議 第三部連携会員，東京大学 教授

日本学術会議 第三部連携会員，東京大学 生産技術
研究所 所長・教授

法政策からみたサーキュラーエコノミー(45分)
日本学術会議 第一部会員，早稲田大学 教授

ノベーショングループリーダー

ならびに講演者
大塚直

ファシリテーター所

EU をはじめとしてサーキュラーエコノミーに対する仕組み

千晴

日本学術会議 第三部会員，早稲

田大学・東京大学 教授

づくりが先行する中，法政策の立場から日本としてどのような仕組みづくりが求められるのかについてご講演をお願いし17:50～

ている．

閉会の挨拶

笹木圭子

日本学術会議 第三部連携会員，九州大学 教授

カーボンニュートラルと資源循環の両立の重要性と難しさ(45分)

シンポジウム特設ウェブページ

日本学術会議 第三部連携会員，国立環境研究所 理事

森口祐一

https://www.scj.go.jp/ja/event/2022/331-s-1118.html

世界的にカーボンニュートラル政策がすすめられる中，本来，経済成長とはデカップリングすべきである資源消費とこ

問合せ先

・

早稲田大学 教授所千晴

tokoro＠waseda.jp

・(2022年 8 月20日～2022年 9 月20日)

正

員

飯塚智徳
千葉広樹
学

生

上野翔太郎
魚本輝介
岡本和樹
川合淳也

早稲田大学
日本ガイシ株式会社

趙
国華
溝口友樹

京都大学

小関
航
土山廉平
沼田泰佑
柳生雅刀

芝浦工業大学

三菱重工業株式会社

員
熊本大学
九州大学
東京大学
東京大学

熊本大学
京都大学

吉村洋諒
李
響
和田周平

九州大学
大阪大学
九州大学

東海大学

外国一般会員
袁哲韜

東京工業大学外国学生会員WANG YANXIN



京都大学

本 会 記 事Prediction and Experimental Verification of the
Critical Fracture Blank Holder Force for Deep
Drawing of Box-Shaped Parts

日 本 金 属 学 会 誌 掲 載 論 文Vol. 86, No. 11（2022）―論

Duan Chen, Changcai Zhao, Xiaoyi Chen and Guang Chen

文―

Effect of Sintering Temperature on Properties of
SiC Fiber Reinforced Tungsten Matrix Composites

断面電子線後方散乱回折分析を用いたパラジウムの表面損傷の評価
村瀬義治

宮内直弥

板倉明子

Yina Du and Tatsuya Hinoki

片山英樹

Materials Processing

Influence of Nb Addition on Microstructure andCreep Property of Heat-Resistant Cast Steel in
Vacuum Carburizing and Quenching

Cu 微粒子の低温酸化焼結挙動
竹内喬亮

安藤大輔

小池淳一

須藤祐司

Ngo Huynh Kinh Luan, Tetsuya Okuyama,
Masaru Nakayama, Kuniaki Mizuno and Koreaki Koizumi

Materials Transactions 掲載論文

Microstructural Change during Heat Exposure in
Air of Modeled Environmental Barrier Coating
Processed by Aerosol Deposition MethodVol. 63, No. 11（2022）―Regular Article―

Makoto Hasegawa, Toshiki Shibuya, Atsuhisa Iuchi and
Taisuke Mizuno

Materials Physics

Calculation of P-Wave Velocity in Sandstones withDifferent Pore Size Distributions Using Digital
Rock Model without Segmentation

Analysis of Powder Compaction Process Using
Multi-Particle Finite Element Method
Parviz Kahhal, Jaebong Jung, Hyunjoo Choi, Pil-Ryung Cha
and Ji Hoon Kim

Kazuya Ishitsuka, Weiren Lin, Nana Kamiya andYoshitaka Nara

Environment

Microstructure of Materials

Fundamental Application of Basket Electrolysis
Method for Black-Copper Anode

The Role of Cu Addition in Microstructural
Characteristics and Mechanical Properties in Submerged Arc Welded Joint of Low Carbon Low AlXiaohui Xi, Yang Feng, Guoli Yang,loy Steel

Takatoshi Shinozaki, Ken Adachi, Katsuyuki Kudo,
Atsushi Iizuka and Etsuro Shibata

Fabrication of Al-Based Composite Extruded
Plates Containing Cellulose Nanofibers and Their
Microstructure and Mechanical Properties

Hejia Zhang and Jinliang Wang
Mechanics of Materials

Investigation on the High-Temperature Deformation and Dynamic Recrystallization Behavior of
Jian Ma, Qi Gao,
CF170 Maraging Stainless Steel

Seungwon Lee, Shoma Watanabe, Taiki Tsuchiya,½S áarka Mikmekov áa, Ilona Mullerov áa, Yasushi Ono,
Yutaka Takaguchi, Susumu Ikeno and Kenji Matsuda

Hongliang Zhang, Baoshan Wang and Guanghong Feng

◇

◇

◇

Materials Transactions 特集企画投稿募集中■Superfunctional Nanomaterials by Severe Plastic Deformation(原稿締切■Nanostructured Functional Materials and Their Applications IV(原稿締切

第64巻第 7 号(2023年)

2023年 2 月 1 日(水))第64巻第 8 号(2023年)

2023年 1 月 6 日(金))まてりあ

第巻号〔受賞者紹介〕2022年秋賞〔金属なんでもランキング〕 No. 20 純金属液体の粘度
特集「プラストン研究の最前線」［講義ノート］平面波基底の第一原理計算法（第四回）………………………………………………………………香山正憲

予告〔実学講座〕金属材料実験の手引き 1. 組織観察18 透過電子顕微鏡用薄板資料の調整法………………………………………………加藤丈晴―他―(編集の都合により変更になる場合がございます)

ま て り あ 第61巻 第11号(2022)
Materia Japan




行
開催日

事

カ

名称・開催地・掲載号


年月
第 74 回表面科学基礎講座「表面・界面分析の基
1 ～30
礎と応用」(オンライン開催)

レ

ン

主催

ダ

ー 太字本会主催(ホームページ掲載)
問合先

日本表面真空学会 TEL 033812
0266
office＠jvss.jp
https://www.jvss.jp/jpn/activities/04/
detail.php?eid＝00014
化学工学会関東支 TEL 033943
3527 info＠scej-kt.org
部

1

第 54 回 Continuing Education シ リ ー ズ 講 習 会「プロセス・インフォマティクスの基礎と産業への展開」(早稲田大)

1

第 18 回 SPring 8 金属材料評価研究/第 80 回 SPring 8 先端利用技術ワークショップ(オンライン
開催)

2，11，
18，25

2022 年度関東支部講習会「磁石・磁性材料の基礎と応用」(オンライン)

4

第 53 回 エ ン ジ ニ ア リ ン グ セ ラ ミ ッ ク ス セ ミ
ナー「セラミックスの信頼性向上に貢献するシミュレーション技術」(東大)4第 103 回レアメタル研究会(チタン関係シンポジ
ウム)(東大生産技研/オンライン開催)(本号 817
頁)

6 ～10

機械材料・材料加工国際会議2022(沖縄)7

第32回材料フォーラムTOKAI(オンライン)

7

第245回西山記念技術講座「失敗しない評価・分析・解析技術の最前線(不確定要素の理解と適切な手法の選択に向けて)」(大阪)

7～9

第 43 回 超音波エレクトロニクスの基礎と応用に関するシンポジウム(同志社大)TEL 0527893232
https://forms.glelf7vWH4ZiLexmtgky7/
日本鉄鋼協会TEL 0336695933 educact＠isij.or.jp
https://isij.or.jp/event/event2022/
nishiyama245.html
超音波エレクトロ TEL 042
4435166 h.nomura＠uec.ac.jp
ニクス協会
https://www.use-jp.org/

7～9

日本磁気科学会第16回年会(日大)日本磁気科学会

8

2022年度 溶接工学企画講座(大阪大)

溶接学会

8～9

第 37 回アノード酸化皮膜の機能化部会( ARS )三河コンファレンス(蒲郡)

表面技術協会・ア TEL 079
2674911
ノード酸化皮膜の機能化部会( ARS部会)

9

第 19 回ヤングメタラジスト研究交流会(東工大)(本号816頁)

関東支部

9

講習会「変分法とアイソレート要素法の理論と実際」(東大)

日本計算工学会

9日本希土類学会第40回講演会(横浜)9 ～11

トライボロジー会議2022

10～11

第58回 X 線分析討論会(姫路)11

第 24 回ミレニアム・サイエンスフォーラム(東
京)

11～12

オータムスクール 2022 「非線形有限要素法による弾塑性解析の理論と実践」(中央大)日本計算工学会

11～13

軽金属学会第143回秋期大会(東工大)

軽金属学会

14

2022年度材料セミナー(兵庫)14

第253回塑性加工技術セミナー「塑性加工による材料組織の制御」(熊大＋オンライン)

nkansai＠ostec.or.jp
http://jim.or.jp
日本塑性加工学会 http://www.jstp.or.jp

14

第246回西山記念技術講座「失敗しない評価・分析・解析技術の最前線(不確定要素の理解と適切な手法の選択に向けて)」(東京)

日本鉄鋼協会14～15

第 59 回 X 線材料強度に関する討論会「カーボンニュートラル・水素社会実現のための材料強度課
題」(茨城)

日本材料学会

15～16

第48回腐食防食入門講習会(東京)

腐食防食学会15～16

第44回安全工学セミナー(東京)

安全工学会

16～18

第35回計算力学講演会(Web 開催)

日本機械学会秋

福井(福井)

SPring 8 利 用 推 suishin＠spring8.or.jp
進協議会他
http://www.jasri.jp/iuss/research_activity/
2022/221101.html
関東支部
TEL 0358417107
nakaya＠wood3-stuff.t.u-tokyo.ac.jp
日本セラミックス encera＠cersj.org
協会
http://www.ceramic.or.jp/bkouon/index_ j.
html
レアメタル研究会 TEL 035452
6314
tmiya＠iis.u-tokyo.ac.jp//
https: www.okabe.iis.u-tokyo.ac.jp/
japanese/rc40_ j.html
日本機械学会TEL 0343357615
https://www.jsme.or.jp/
東海支部

TEL 0298635619
http://www.magnetoscience.jp/16th/
index.html
TEL 0358254073
jwsinfo＠tg.rim.or.jp
http://www.jweld.jp/
https://ars.sfj.or.jp/

締切

定員
120名

定員
100名

10.24

11.1

参加
10.14

nakashima.h.aa.＠m.titech.ac.jp

TEL 0338688957 office＠jsces.org
http://www.jsces.org/
日本希土類学会
TEL 0668797352
kidorui＠chem.eng.osakau.ac.jp
http://www.kidorui.org/lecture.html
日 本 ト ラ イ ボ ロ TEL 033434
1926 jast＠tribology.jp
ジー学会
http://www.tribology.jp/

10.19

日 本 分 析 化 学 会 TEL 079
2674005
X 線 分 析 研 究 懇 nozaki＠eng.u-hyogo.ac.jp
談会
https://xbun.jsac.jp/conference/no58.html
ミレニアム・サイ TEL 036732
8966
エンス・フォーラ msf＠oxinst.com
ム
http://www.msforum.jp/

TEL 0338688957 office＠jsces.org
http://www.jsces.org/
https://www.jilm.or.jp/

関西支部

TEL 0336695933 educact＠isij.or.jp
https://isij.or.jp/event/event2022/
nishiyama243.html
TEL 0757615321 jimu＠office.jsms.jp
http://www.jsms.jp
TEL 0338151161
naito1130033＠jcorr.or.jp
https://www.jcorr.or.jp/yotei/48.html
TEL 0362062840 jsse-2004＠nifty.com
https://www.jsse.or.jp/

参加
10.31
事前
10.7
定員
50名
定員
50名

11.7

11.8

https://confit.atlas.jp/cmd2022

本 会 記 事

開催日

17

～


名称・開催地・掲載号

2022年度本多光太郎・湯川記念合同講演会(オンライン)(10号713頁)
オンライン教育講座(金属製錬の熱力学)(オンライン開催)(本号814頁)

主催

問合先

TEL 0527893372
tokai＠numse.nagoya-u.ac.jp
日本金属学会TEL 0222233685 FAX 0222236312
meeting＠jimm.jp
日 本 学 術 会 議 材 tokoro＠waseda.jp
料工学委員会・環 https://www.scj.go.jp/ja/event/2022/331境学委員会・総合 s-1118.html
工学委員会合同
SDGs のための資源・材料の循環使用検討分科会

11.11
17:00

TEL 0338151161
naito-113-0033＠jcorr.or.jp
https://www.jcorr.or.jp/yotei/47.html
物質・材料研究機 FUJII.Emi＠nims.go.jp
構(MIコンソ)
https://www.mintsys.jp/seminar/
物質・材料研究機 FUJII.Emi＠nims.go.jp
構(MIコンソ)
https://www.mintsys.jp/seminar/

11.11

東海支部

18

なぜ SDGs? ～資源・材料循環における SDGsとカーボンニュートラル～(東大生産技研)(本号
817頁)

21，30

第 47 回コロージョンセミナー「様々な腐食・劣化に対応できる腐食防食研究者・技術者を目指して」(オンライン)

21

MInt セミナーシリーズ第 10回「応力ひずみ曲線
ワークフローの解説」(オンライン)

22

MInt セミナーシリーズ第 11 回「 SEM による金属材料の三次元組織観察技術」(オンライン)

22

腐食防食部門委員会

22～25

The 1st International Symposium on Iron Ore Ag- SynOre2022 組 織glomerates (SynOre2022)(第 1 回鉄鉱石塊成鉱 委員会，日本鉄鋼に関する国際シンポジウム)(島根)
協会

24～25

女子大学院生・ポスドクのための産総研所内紹介と在職女性研究者との懇談会(オンライン)

産業技術総合研究所 イノベーショ
ン人材部ダイバーシティ推進室

24～25

第177回塑性加工学講座「板材成形の基礎と応用～応用編～」(東京)

日本塑性加工学会 TEL 033435
8301

24～25

第 60 回記念 高温強度シンポジウム(宮崎＋オンライン)

日本材料学会～

研究集会“微小領域の力学特性評価とマルチス
頁)
ケールモデリング”2022(徳島)(号

研究会 No. 82

24～25

電気加工学会全国大会(2022)(名工大)電気加工学会TEL 0527122323
Ukai.Yoshikazu＠aj.MitsubishiElectric.co.jp
http://www.jseme.or.jp/

25

オータムスクール 2022 「非線形有限要素法による弾塑性解析の理論と実践」(中央大)日本計算工学会

29

2022年度材料セミナー(兵庫)関西支部

TEL 0338688957 office＠jsces.org
http://www.jsces.org/
nkansai＠ostec.or.jp
http://jim.or.jp
TEL 0362062840 jsse-2004＠nifty.com
https://www.jsse.or.jp/

第345回例会(大阪)

第 55 回安全工学研究発表会・ 2022 プロセス安全
30,
シンポジウム(PSS)(米子＋オンライン)
12.1～2年月
第348回塑性加工シンポジウム「せん断加工の高1度化に向けた金型技術の最前線」(富山大＋オン
ライン)

締切

腐食防食学会

日本材料学会

安全工学会

TEL 0757615321 jimu＠office.jsms.jp
http://www.jsms.jp/
TEL 0363699984
synore2022＠issjp.com
https://synore2022.com/index.html
TEL 0298646419
divwesity-event-office-ml＠aist.go.jp

http://www.jstp.jp

TEL 0757615321 jimu＠office.jsms.jp
http://www.jsms.jp/
micromech_jim＠nims.go.jp
http://nims.nims.go.jp/group/sdg/
micromech-jim/

日本塑性加工学会 http://www.jstp.or.jp

11.8

11.15

定員
50名
参加
11.4

11.11

参加
10.31
定員
50名

定員
100名

1～2

エコデザイン・プロダクツサービスシンポジウ
ム2022(阪大)

エコデザイン学会 https://onl.la/f8h8Zsy
連合

1～2

2022 年度粉末冶金入門講座(ハイブリッド開催)

粉体粉末冶金協会 TEL 075
7213650
info＠jspm.or.jp https://www.jspm.or.jp/

11.10

2

(第 91 回塑性加工技術フォーラム)塑性加工産業
における AI/IoT 技術」(東京)
日本金属学会・日本鉄鋼協会北陸信越支部連合講演会(金沢)(本号816頁)

日本塑性加工学会 http://www.jstp.or.jp
他

定員
150名

3

北陸信越支部

https://jim-isij-hs2022.sakura.ne.jp/

3～4

第 34 回信頼性シンポジウム―安心・安全を支える信頼性工学の新展開―(富山)日本材料学会TEL 0757615321
RESYMPO2022＠office.jsms.jp
http://www.jsms.jp/

5～6
, 


第 8 回岩崎コンファレンス(東北大＋オンライン)
オンライン教育講座(金属材料の耐環境性( 1 )水溶液腐食の基礎平衡論・速度論)(オンライン開催)(本号815頁)

日本磁気学会
日本金属学会TEL 0352810106 msj＠bj.wakwak.com
TEL 0222233685 FAX 0222236312
meeting＠jimm.jp

6～8

第48回固体イオニクス討論会(仙台)

6 ～22

第427回講習会「表面を知的に考える―精密工学
的テクスチャリング考」(Web 開催)

7～9

第49回炭素材料学会年会(姫路)8～9金属学会シンポジウム「タングステン材料科学」(仙台)(本号813頁)

8～9

第37回分析電子顕微鏡討論会(オンライン)

ま て り あ 第61巻 第11号(2022)
Materia Japan

日本固体イオニク TEL 022
2175832
ス学会
ssij48＠grp.tohoku.ac.jp
https://www.ssi-j.org/symp/ssij48/
精密工学会
TEL 0352265191
https://www2.jspe.or.jp/form/koshukai/
koshukai_form.html
炭素材料学会
tanso-desk＠conf.bunken.co.jp
http://www.tanso.org/contents/event/conf2022/index.html
日本金属学会TEL 0222233685 FAX 0222236312
meeting＠jimm.jp
日本顕微鏡学会
TEL 0928022971
http://zaiko13.zaiko.kyushuu.ac.jp/

11.24

11.24

事前
11.25

11.30




開催日

名称・開催地・掲載号

主催

問合先

13～15

第63回高圧討論会(立命館大)

TEL 07055453188
jimu＠highpressure.jp
http://www.highpressure.jp/new/63forum/
精密工学会
TEL 0352265191
https://www2.jspe.or.jp/form/koshukai/
koshukai_form.html
日本塑性加工学会 http://www.jstp.or.jp

13～27

第426回講習会「難削材とその加工技術―加工の基礎から知能化まで」(オンライン開催)

16

第92回塑性加工技術フォーラム「SDGs に寄与す
る塑性加工分野の将来技術について」(東京)

16

関西支部第 28 回塑性加工基礎講座「入門 結晶
塑性シミュレーション(実習付き)」(京大)日本塑性加工学会 TEL 090
92800383
関西支部

21

第125回シンポジウム「カーボンニュートラルに向けたアルミニウム溶解工程の効率化」(オンラ
イン)

軽金属学会

TEL 0335380232
https://www.jilm.or.jp/

22

第 2 回 MSJ 講習会「室温生体磁気測定のニーズとシーズ」(オンライン開催)

日本磁気学会TEL 0352810106
https://www.magnetics.jp/education/
msjworkshop_magneticsensors_2/

日本高圧力学会

年月
第104回レアメタル研究会(貴金属シンポジウム)
6 or 13(東大生産技研/オンライン開催)

kansai＠jstp.or.jp

締切
参加事前
11.16

定員
40名

12.2
定員
100名

レアメタル研究会 TEL 035452
6314
tmiya＠iis.u-tokyo.ac.jp
https://www.okabe.iis.u-tokyo.ac.jp/
japanese/rc40_ j.html
日本セラミックス kishim-a＠cc.okayama-u.ac.jp
協会基礎科学部会

7～8

第61回セラミックス基礎科学討論会(岡山大)17

第 3 回 MSJ 講習会「パワーエレクトロニクス磁気工学の基礎と応用」(Web 開催)

日本磁気学会24

表面科学技術研究会2023
表面ぬれ制御技術の最先端 ―表面修飾・バイオ
ミメティクス・センシング技術―(大阪)

1.17
定員
100名

24～25

第30回超音波による非破壊評価シンポジウム(東京)日本表面真空学会 TEL 076
2645735
関西支部他
https://www.jvss.jp/chapter/kansai/files/
2023_hyoumengijyutsu/hyoumengijyutsu_
2023.html
日本非破壊検査協 TEL 035609
4015 beppu＠jsndi.or.jp
会25

第 126 回シンポジウム「軽金属研究のための分析・解析」(オンライン)

定員
60名

24～25

第 29 回「エレクトロニクスにおけるマイクロ接合・実装技術」シンポジウム(Mate2023)(横浜)
第44回安全工学セミナー(東京)TEL 0335380232
https://www.jilm.or.jp/
スマートプロセス TEL 066131
6605 mate＠a-youme.jp
学会
http://a-youme.jp/mate2023/

26～27


年月
第105回レアメタル研究会(東大生産技研/オンラ
10
イン開催)

7 ～10

日本金属学会春期講演大会(東大駒場キャンパ
ス，東京都立産業貿易センター浜松町館)(本号
800頁)

15

日本金属学会春期講演大会高校生・高専学生ポス
ターセッション(オンライン)(本号810頁)


年月
15～19
IEEE International Magnetics Conference(Intermag 2023)(仙台)

年月
25～30
ITC Fukuoka 2023 (9th International Tribology
Conference, Fukuoka 2023)(福岡)◇

TEL 0352810106
https://www.magnetics.jp/education/
msjworkshop_powermagnetics_3/

軽金属学会

安全工学会

参加
12.23

TEL 0362062840 jsse-2004＠nifty.com
https://www.jsse.or.jp/

レアメタル研究会 TEL 035452
6314
tmiya＠iis.u-tokyo.ac.jp
https://www.okabe.iis.u-tokyo.ac.jp/
japanese/rc40_ j.html
日本金属学会TEL 0222233685 FAX 0222236312
annualm＠jimm.jp

日本金属学会TEL 0222233685
annualm＠jimm.jp

IEEE Magnetics
Societyintermag2023＠congre.co.jp

講演
12.26
ポスター
1.6
参加予約
2.17

1.13

日 本 ト ラ イ ボ ロ TEL 033434
1926
ジー学会
https://www.itc2023.jp/

◇

◇

お知らせ
2023年春期講演大会の各申込が始まります．皆様のご参加をお待ちしております．
（本号800頁）（本号799頁）
2023年会員ご継続の会費お払込みの時期となりました．お手続きをどうぞよろしくお願いします．



本 会 記 事

追

悼

本会名誉員

森

勉先生を偲んで本会名誉員，東京工業大学名誉教授，森 勉先生は 2022 年 8 月 6 日にご逝去されました．享年 87歳でした．会員の皆様にご報告申し上げますとともに，先生のご生前のご功績を偲び，謹んで哀悼の意を表します．
先生は 1934年に東京，四谷でお生まれになりました．東京工業大学理工学部金属工学科を1957年に卒業後，直ちに同学部の助手として教育者・研究者としての活動を始められ， 1965年には工学博士の学位を授与されました．その後，一旦は東京工業大学を辞職されて米国ノースウェスタン大学の博士研究員に就任されましたが， 1968年に工学部助教授として東京工業大学に戻られました．1975年には東京工業大学大学院総合理工学研究科教授に昇任され， 1995年に停年により退官されて同大学名誉教授の称号を授与されました．
退官後はリョービ株式会社顧問となり 1996年まで勤められましたが，その後の教育・研究に関する活動はおもに国外で行われました．先生ご自身の表現によれば「行脚と修行」となりますが， 2013年のご帰国までの約16年間に招聘を受け滞在された世界各地の大学は，米国のノースウェスタン
大学およびワシントン大学，メキシコの国立工科大学，そして英国のケンブリッジ大学およびマンチェスター大学でした．このあいだ，それらの大学で活発に教育・研究活動を展開されました．ご帰国後も防衛大学校研究協力者として活動を継続され，本会でも2018年春期大会まで研究発表をされました．
先生は教科書「マイクロメカニックス＝転位と介在物」を村 外志夫教授と共著で1976年に出版され，熱意あふれる講義と研究指導によって多数の優れた研究者，技術者を学界と産業界に送り出すとともに，金属物理学における諸問題についての研究を基礎的な実験と明快な解析に基づき精力的に推進されました．特に，分散強化合金の塑性変形を考察して導出された MoriTanaka の定理として知られる合金中の応力状態についての関係式は，熱伝導や電気伝導の諸問題にも応用できる極めて有用な考え方の提示となりました．この定理を記した1973年の田中紘一博士との共著論文は材料物性の各分野から広く引用され，その総数は出版後の約半世紀で約六千回となり，さらに増え続けています．このような先生の業績には，本会の学会賞と名誉員をはじめとする数多くの賞と栄誉が贈られています．
先生はより良き方向へ導いてくださいました．あらためてこれまでの御礼を申し上げるとともに，心よりご冥福をお祈りします．

◇◇◇

2021, 2022年度会報編集委員会
委員
長
副 委 員 長
委
員

竹田
修
田中秀明
池尾直子
大野直子
小嶋隆幸
齊藤信雄
鈴木真由美
塚田祐貴
徳永透子
袴田昌高
松垣あいら
盛田元彰
横井達矢

石川史太郎
岡田周祐
小畠淳平
篠原百合
田辺栄司
寺本武司
長岡
亨
本間智之
宮崎秀俊
山本剛久
李
誠鎬

ま て り あ 第巻 第号（） 発行日
発行所

井田駿太郎
川西咲子
小柳禎彦
佐々木秀顕
島克利
圓谷貴夫
豊木研太郎
春本高志
眞山
剛
山崎由勝

2022年11月 1 日

公益社団法人日本金属学会〒9808544 仙台市青葉区一番町一丁目1432
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ま て り あ 第61巻 第11号(2022)
Materia Japan

発
印
発

行
刷
売

(五十音順，敬称略）

植木洸輔
木口賢紀
小山元道
佐藤豊人
高山直樹
寺西
亮
永井
崇
藤井
進
三井好古
山中謙太

宇部卓司
北村一浩
齊藤雄太
芹澤
愛
堤
祐介
轟
直人
長谷川 誠
松本洋明
諸岡
聡
吉年規治

大塚
誠
國枝知徳
近藤亮太
鈴木賢紀
趙
研
土井康太郎
永瀬丈嗣
松浦昌志
宮部さやか
山本知一

定価,円(本体,円＋税)送料円
人
所
所

山村英明
小宮山印刷工業株式会社
丸善雄松堂株式会社〒1600002 東京都新宿区四谷坂町 1010Materials Transactions 投稿の手引き
Materials Transactions(Mater. Trans.)への投稿は，次の要件を満たさなければならない．
(1) 英文であり，未掲載および他のジャーナルに投稿中でないことかつオリジナリティがあること(Materials Transactions
審査及び査読規程に定める範囲において，重複を認める場合がある)．
(2) 金属とその関連材料の学術および科学技術の発展に寄与するものであること．
(3) 軍事研究であると判断される内容を含んでいないこと．
(4) 投稿規程に合致するものであること．
(5) 別に定める執筆要領に準拠して作成された原稿であること．
(6) 論文の著作権を本会に帰属することに同意すること．
(7) 掲載が決定した場合は，この規程に定める投稿・掲載料を支払うこと．
(8) 研究不正行為および研究不適切行為をしないことならびに研究不正行為をした場合は本会の定めるところにより処分
を，研究不適切行為をした場合は本会の定めるところにより措置を受けることに同意すること．
(9) 投稿原稿を作成する基となった生データ，実験・観察・研究ノート，実験試料・試薬等の研究成果の事後の検証を可能とするものを論文掲載後 5 年間保存することに同意すること．

.
Mater. Trans. に投稿可能な論文
Regular Article(10頁以内)
金属及びその関連材料の理論，実験並びに技術などに関する学術上の成果を報告し，考察した原著論文で，科学・技術的に質の高い，新規な興味ある内容(結果，理論，手法等)が十分含まれている論文．
日本金属学会誌の学術論文または速報論文に Web 掲載
後 2 年以内であれば，著者および内容が基本的に同一の場合に限り，英訳した論文を投稿できる．その事を脚注に明記する．ただし査読の結果，返却もあり得る．
なお，著者が迅速掲載を希望し，追加費用を負担する場
合は，査読期間短縮を含め迅速掲載のための処理を行う．
 Review(15頁以内)

各専門分野の研究開発の背景や最近の状況及び今後の展望等について，重要な文献を引用して，各専門分野の専門家のみならず他分野の専門家や学生等も対象に，その概要を公正にかつわかりやすく解説する論文．日本金属学会誌およびまてりあに Web 掲載後 2 年以内であれば投稿ができる．その事を脚注に明記する．また，日本
金属学会誌およびまてりあ掲載論文と異なる部分がある
場合は，その事を脚注に明記する．なお，論文題目中に「レビュー」等を含めることが望ましい．
 Overview(15頁以内)

単なる一般的な review ではなく，執筆者独自の考えに立って review し，取り上げた問題点の中において自説の位置付けを明確にした論文．ただし，事前に「タイトル」「氏名」「要旨」を編集委員会に提出し，了承を得た後，投稿する方式とする．日本金属学会誌およびまてりあに Web 掲載後 2 年以内であれば投稿ができる．その事を脚注に明記する．また，日本金属学会誌およびまてりあ掲載論文と異なる部分がある場合は，その事を脚注に明記する．なお，論文題目中に「オーバービュー」
等を含めることが望ましい．
 Technical Article(10頁以内)
金属およびその関連材料の実験技術，製造技術，設備
技術，利用技術など，技術上の成果，基準，標準化，データベースなど，および関連する事柄の調査，試験結果を報告した原著論文．
日本金属学会誌もしくはまてりあに Web 掲載後 2 年以内であれば，著者および内容が基本的に同一の場合に限り，英訳した論文を投稿できる．その事を脚注に明記する．ただし査読の結果，返却もあり得る．
 Current Trends in Research(10頁以内)

特集企画や受賞論文等を対象にした最近の研究動向について，関連論文を引用し，Graphical Abstract 等を利用しながらその概要をわかりやすく紹介する論文．






Express Rapid Publication(4 頁以内)
速報を要する短い論文．すなわち，新規性のある研究
成果，技術開発に関する新知見，新アイディア，提案
等．最短 2 週間で審査を完了する．迅速掲載のための費用を負担しなければならない．
 Opinion(2 頁以内)

Materials Transactions に掲載された論文に対する意
見，討論またはそれに対する著者からの回答とする．科
学・技術的な発展に貢献できる内容であること．
 その他理事会で決議した分類. 投稿の方法
Mater. Trans. へ の 投 稿 は https: // mc.manuscriptcentral.com/matertrans にて原稿を提出する．
和文掲載済み論文の英訳論文の場合には，和文掲載済み論
文 PDF も送付する．
. 原稿
執筆要領に従って原稿を作成し指定のファイル形式に変換したものを提出する．
3.1 記載内容
 題目・著者名・研究機関，◯
 英文概要・ Keywords，◯

◯
謝辞，◯
文献，◯
 Appendix，◯
表・図説明一覧，
本文，◯
 その後に各別紙の表・図を添付する．
◯
3.2 単位
SI 単位を使用する．
3.3 引用文献・脚注
通し番号で 1,2) ，あるいは 36) のように表し，本文の末尾に一括記載する．著者名，誌名はすべて英語表記する(特に決まっていないものはローマ字表記する)．
. 審査
投稿された論文は欧文誌編集委員会の独自の審査を経て欧文誌に掲載される．編集委員会から原稿の修正を求めら
れ，あるいは返却されることがある．
. 校正
初校は著者の責任で行う．著者校正は原則として 1 回とし，誤植の修正に限る．
. 投稿者負担金
6.1 投稿・掲載費用を支払う(公開日から 1 年間有効の電子ジャーナル購読権 ID/Password を寄贈)．
6.2 カラー図表掲載を希望する場合は実費を負担する．
(1 図表当り1,100円(税込))※オンラインジャーナルのみ(冊子・別刷はすべてモノク
ロ表示)．
6.3 Regular Article の迅速掲載費用11,000円(税込)．

公益社団法人日本金属学会

欧文誌編集委員会

本 会 記 事

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2022年 11 月 1 日発行「まてりあ」