放射光でデザインする，ものづくり企業の未来 2023年3月3日

地域企業のイノベーション戦略を支援するナノテラス- 小さな世界企業を生み出すために ‐高田 昌樹
東北大学 国際放射光イノベーション・スマート研究センター（SRIS） 教授
一般財団法人 光科学イノベーションセンター（PhoSIC） 理事長
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NanoTerasu 2024年度利用開始を予定

https://youtu.be/QK8e9XGL4OE
動動 画画

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放射光で何が見える？

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ナノを拓く放射光4✓ナノの世界の原子・分子の組み合わせから，それが発揮する機能を探り, デザインすることは科学技術の大きなトレンド．
✓放射光はナノの世界を見るための光であり，様々な産業・学術分野に不可欠．

✓より明るい（高輝度の）放射光は，ナノの世界をよりはっきりと見せ, 速い動きの最中も止めて観察を可能とする．

波長（長）

波長（短）

ナノの形だけでなく機能（化学状態）が見える
色の違い：物質の成分や状態の違い

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SDG’s (食） デンプンの構成要素を可視化

吸収する光の波長が変化するため➢ 食品分野を中心に，工業や医療分野など幅広い用途で活用．

ダイヤモンド➢ 日常生活や社会と密接に関係．
➢ 安定的な供給が必須
ピンク
原子の配列に欠陥ブルー
ホウ素(B)
不純物

イエロー
窒素(N)
不純物

ダイヤモンド

肉眼で見分けられる可視光の波長範囲は狭い

野生型

ポテト

P

リン

NanoTerasuの光（X線）を使えば，多くの元素や化学状態を鮮明に見分けることができる．

S

硫黄

アミロース・フリー

農林水産業・医学・生命科学 放射光の活用

蛍光Ｘ線分析：元素を見る

毛髪断面の元素分析

イメージング：形を透視する

蛋白質の構造を見る物質

ヒト由来SOD1の結晶構造
筋萎縮性側索硬化症（ALS）の病因タンパク質2010～2016年のFDA承認の新薬210件のうち184件に活用

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材料中の元素の化学状態：高輝度放射光と情報理論の融合
理化学研究所 高田構造科学研究室: 情報理論による電子密度の可視化

Hydrogen Molecules in MOF

北川 進
京大篠原久典
名大Nature, 1995, 377, 46-49.

Y@C82
O2 in CPL-1

Hydrogen Storage Mg

Science 298 (2002) 2358

C2H2 in CPL-1

Mg1.91+ H0.26-2
豊田中研との共同研究

Appl. Phys. Lett. Vol. 81 (2002) 2008

Nature 436 (2005) 2387

8

放射光の利用企業にとって価値につながるのか？

フロンティアソフトマター産学連合体の発足 (2008)
ソフトマテリアル企業18社，関学で専用ビームラインを建設

910

欲しいのは，突出した領域の性能改善
クレーム処理でも学術研究も同様誰の課題を解決するのか？

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SPring-8 産学連合体ビームラインの成果 2012年～
製品・技術の開発をゴールとする産学連携
企業

学術

製品・技術

価値領域の共有の場： 放射光施設
世界の放射光施設

12➢SPring-8の産業利用成果が契機となり，世界各地で，先端放射光施設の建設が進んでいる．
➢NanoTerasuは，東北大学のサイエンスパークとともに，イノベーションエコシステムのエンジンとして，建設が進められている．

出典：なぜ放射光が必要なのか（SPring-8，SACLA)

日本の放射光施設
SPring-8/SACLA

NanoTerasu

兵庫県立大学ニュースバル
放射光施設（世界で三番目の次世代型として建設中）

広島大学放射光科学研究センター

建材

フォトンファクトリー（PF)佐賀県立九州シンクロトロン光研
究センター

極短紫外光研究施設
あいちシンクロトロン光センター
立命館大学SRセンター

エコタイヤ，IGZOディスプレイ，虫歯予防ガム，軽量コンクリートなど多くの技術開発にも使われていますNanoTerasuの高輝度性は国際競争力に必須◆国際競争力の弱かった軟X線領域の光の性能を100倍向上◆触媒，電池，高分子材料，有機デバイス等の機能に直結する化学状態をナノで可視化
NanoTerasu
accelerator designed
by2024年～
NanoTerasu
海外の次世代型放射光施設

100 倍の性能差

仏(SOLEIL), スイス(PSI)，スペイン(ALBA), イタリア(ELLETRA)
英国（DIAMOND），豪州（AS），，中国（上海），韓国海外の軟X線向け
放射光施設

国内の軟Ｘ線向け
放射光施設

10eV

欧州（ESRF）, スウェーデン（MAX-IV）（2010年代～）
海外：ドイツ（DESY，Bessy-II），米国（APS，NSLS-II）

100倍の性能差を一気に逆転

SPring-8（1990年代～）

100eV

軟X線（～2 keV）

PF, あいちシンクロトロン，九州シンクロトロン等

1keV

放射光（X線）のエネルギー

10keV

100keV

硬X線（5～20 keV）

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BL07U 軟X線電子状態解析

7本のコアリションビームラインを活用し，

BL08U 軟X線オペランド分光

様々な物質の機能を可視化

BL14U 軟X線イメージング
BL10U X線コヒーレントイメージング

BL08W X線構造-電子状態トータル解析
BL09U X線オペランド分光
BL09W X線階層的構造解析
軟X線
テンダーX線～硬X線
硬X線

施設全体で28本のBLが設置可能

アンジュレータBL(U) 14本
ウィグラーBL (W) 14本

BL02U 共用７本のビームラインで，化学状態，電子状態，磁性，配向・凝集，歪み，分子構造，の可視化をカBLバー
No.

BL名称

エネルギー主要装置

特徴

07U

軟X線電子状態解析

0.05~1.0 keV

軟X線発光分光デバイスや溶液を含む複雑系の電子状態や化学状態の分析

08U

軟X線オペランド分光

0.18~2.0 keV

雰囲気光電子分光

固体の電子状態・化学状態のオペランド時空間マッピン
グ，リアルタイム観察

14U

軟X線イメージング

0.20~1.4 keV

軟X線顕微鏡ナノ構造の元素分布，磁性，ダイナミクスを含む高分解能分光イメージング

08W

局所構造解析

2.1~13 keV

09U

X線オペランド分光

5~15 keV

硬X線光電子分光

09W

階層構造

4.4~30 keV

4D高速X線トモグラフィ

10U

X線コヒーレントイメージング

2.1~15 keV（旧番）原田 慈久 教授
(BL07U)

X線吸収分光 (XAFS),
構造解析および自動測定
SAXS, WAXS, XRD

コヒーレント
回折イメージング

バルク内部や埋もれた界面の化学状態
X線CTによる内部構造の可視化
内部構造の高分解能可視化松田 巌 教授

西堀 麻衣子 教授

山本 達 准教授

矢代 航 教授

高橋 幸生 教授

(BL08U)(BL08W)(BL09U)(BL09W)(BL10U)

江島 茂雄 准教授
(BL14U)SPring-8との違い 可視化でサイエンスとモノづくりをつなぐ
仮説検証サイクルを高速化．
モノづくり

❓

SAXSプロファイルを解析し，球状ナノフィラーのサイズ分布，分散状態(平均距離)を評価
三井化学分析センター株式会社 Webサイト

ゴム中のフィラーの可視化

ナノの可視化
200nmシリカの凝集
データ科学
AI 等

NanoTerasu

ゴム中高山裕貴(東北大),

D社提供

課題解決

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電池開発：平均構造のスペクトルから 不均一系・複雑系の化学結合の可視化へ 17次世代放射光既存の放射光
ALS（2GeV:米国）
SSRL（3GeV:米国）
リチウムイオン電池の正極材料 LixFePO4粒子
Feの化学状態による放射光スペクトル

NanoTerasu（3GeV：日本）
Li-S電池正極材料 硫黄変性ポリブチルメタクリレート“X-ray movies”
コヒーレント・オペランド イメージング

軟X線による，Feの酸化状態の可視化

250 nm

E. J. Cairns, A. Wokauna（2005）

W. Chueh, D. Shapiro(2016)
2次元; 分解能~15 nm
軟X線 エネルギー706eV/713eV
1フレーム30 秒

含硫黄高分子材料：硫黄ー高分子骨格間に強力な共有結合を形成．硫黄の溶出を抑制
Li-S電池の課題：多硫化リチウム(Li2Sx,x=4-8)が電解液に溶出

3次元；計測，分解能の10倍～100倍向上

SPring-8との違い（２） インクルーシブなコアリションの形成⚫ 「コアリション（有志連合）」の理念
産学双方が強力な一対一の新たなチームを結成(新結合）⚫厳格な情報管理のもと，共創で課題解決を企てるスキーム
コアリションの形成（イノベーションの源泉）
課題
スタートアップ

分析会社

サービス事業

産業パートナー⚫ 研究開発における未解決課題の存在⚫ 専門家による実用指向の利用者支援が必要
アカデミックパートナー⚫ 測定とデータ分析の専門知識を保有

協調領域と競争領域をつなぐサービス事業群
計測DX技術開発，特殊計測ベンチ開発，可視化ソフトウェア開発，AI・データ解析，受託計測サービス，情報管理，プロジェクト企画，研究マッチング，人材開拓，etc.

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SPring-8との違い（３） 施設利用の手順
SPring-8利用（共用）
申請
半年に1回

NanoTerasu利用（コアリション）
利用申請

利用課題申請

申請
月に1回

30日
審査

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実験（利用・解析支援 有）
180日

採択

成果専有
⚫ 課題審査が不要 → R＆Dに専念
挑戦志向の利用促進

実験

成果公開
論文発表登録（一定期間内）⚫ 毎月配分 → 研究開発の加速
クレーム対応の迅速化⚫ 成果専有 → 競争優位構築
厳正な情報管理⚫ コアリション → 産学協創，分野融合の機会拡大

20

この先端ツールへどうアプローチするか？

TDCのケース

アカデミック パートナー

小川紘樹京都大学

ナノレベルでの表面加工精度の評価

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TDCのケース

ナノレベルでの表面加工精度の評価

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品質管理・生産プロセスへの応用

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ナノテラスの先端のイメージング技術の可能性
・高品質なX線と計算科学の融合により，電子顕微鏡では観察できない厚い材料試料の内部を従来のX線顕微鏡を超える空間分解能で観察→ 湿潤空気や酸化・還元雰囲気下など，自然な状態・機能環境の材料のナノ構造評価法を産業界に提供
大気環境下で観察可能なレンズレス・ナノイメージング法を開発
機能性金粒子の三次元構造観察
回折パターン

投影像
位相回復

吸収のほとんど無い有機材料

相対湿度(RH)5～96%でマクロポアを評価

インクトナー (樹脂複合材料)

82.6%RH

5.2%RH

吸収コントラスト

位相コントラスト

ワックス
金属粒子

300 nm

CT

断面

三次元像

多孔シリカ粒子への水蒸気吸着

内部
空隙

1 μm

2 μm

コヒーレント回折イメージング/タイコグラフィー法によりエネルギーデバイスや有機複合材料など，広範な材料のナノ組織構造を非侵襲・高コントラスト評価

樹脂青葉化成のケース： 食品における油脂分布評価法の開発

令和3年度「仙台市放射光施設活用事例創出事業（トライアルユース事業）」

コーディネート

仙台青葉学院短期大学教授 遠藤憲子

経産省東北経済産業局
東北大学産学連携機構

アカデミック パートナー

高田

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評小価角へ
散
フ乱ィ等
ーのド基
バ盤
ッ計
ク測による

https://www.city.sendai.jp/renkesuishin/jigyosha/kezai/sangaku/documents/happyou.pdf

ナノテラスなら0.1μmの評価が可能

コアリション：地域産業，学術による地域イノベーションの源泉◆100社を超える企業，60社を超える東北地域の中小企業，東北大学をはじめとする国立大学，私立大学，国立研究所が，コアリションの形成を進行中．
◆東北大学，仙台市，宮城県と連携し，マッチング（トライアルユース事業）を推進し，地域産業の活性化にむけた産学連携が進んでいる．

放射光トライアルユース事業との連携 （マッチング支援）仙台市の例

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26

しかし，これまでと同じやり方，延長線上の技術・考え方では，将来の新技術・製品を見出せない見たことをどう活かせるか？

課題解決の決め手はデータ ～ 研究開発のDX

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タイヤゴムの破壊（オペランド計測）S社

計測・計算融合によるリサーチコンプレックスの高付加価値化

伸長

ナノ世界の精密可視化と膨大な画像データの生成

製品・技術
材料，半導体，デバイス，生命，創薬，食品，農林水産業ほか

学術シーズ

産業現場

研究開発
試行錯誤・ノウハウ蓄積による機能探索

世界最先端
産業ニーズ

NanoTerasu

スパコンほか発見・理解モデル化と予測

科学・理論

計測

計算
AIによる分析，モデル化，そしてシュミレーションによる予測へ

低速

放射光

産学官が集う社会実装の場

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サイエンスパークとは？

サイエンスパーク型研究開発拠点整備を加速

東北大学キャンパスにおいて，•大学債を活用して産学官が集う社会課題解決型キャンパスに共創の場を整備•都市計画，用地取得，地下鉄整備（総事業費約2,300億円）等に関して，仙台市および宮城県と密接に連携産学官が結集して，大学とともに•今後，大学債を財源として民間企業を誘致し，産学共創拠点を拡張．

社会価値創造を行う共創の場

アンダー・ワン・ルーフ型産学共創拠点

青葉山ユニバース（仮称）【自己資金：９億，国費：７億】
グリーンX-TECH研究センター入居予定施設● 産学連携部門，VC，スタートアップ支援部門，TLO等を集約
仙台駅

地下鉄青葉山駅（仙台駅から９分）

国際放射光イノベーション・スマート研究センター【自己資金：4.5億，国費：11.2億】

次世代放射光施設
2024年本格稼働

サイエンスパークゾーン● 建物整備● 敷地面積約3.8万㎡
想定面積約4万㎡

北※キャンパス計画はイメージ

東北大学グリーン未来創造機構 グリーンクロステック研究センター 2023年1月1日設置
次世代放射光NanoTerasuを始めとするサイエンスパークを，利用企業と伴走し，グリーン課題におけるソリューション提案を促進する.
特に，NanoTerasuから得られたデータを製品開発に直接結びつけるデジタル化の取り組みをサポートする.
センター長
岡部 朋永
東北大 機械系 教授

29東北大学が提供できる手段およびリソース30⚫ 高度専門人材
約3,000人の研究者，研究者ネットワーク，国際連携ネットワーク⚫ 専門組織
国際放射光イノベーション・スマート研究センター，グリーンクロステック研究センター，未踏スケールデータ アナリティクスセン
ター，サイバーサイエンスセンターほか⚫ 高度研究設備
クライオ電子顕微鏡，NMR装置，データストレージ，計算サーバー，スーパーコンピューター，ネットワーク基盤 TAINS，SINET6 ほか⚫ サイエンスパークをはじめとする施設
サイエンスパーク（造成済・40,000m2），青葉山ユニバース（新営・4,000m2），国際放射光イノ
ベーション・スマート研究センター棟（新営・4,000m2）ほか⚫ 各種の産学連携メニュー
技術相談，学術指導，共同研究，受託研究，共同研究講座（部門），寄附講座（部門），共創研究所（2021年新設・現在13社が設置）⚫ スタートアップ創出支援メニュー
東北大学ベンチャーパートナーズ1号および2号ファンド，ギャップファンド，アントレ育成プログラム，スタープガレージ，知財およびストックオプション等の活用支援など⚫ 結節点となる子会社
サイエンスパーク関連子会社（計測分析の商品開発活用に係るコンサルティングなど）⚫ 国プロほか外部からの各種研究開発ファンディング
次期SIP「サーキュラーエコノミーシステムの構築」ほか

トアッアポロ計画に学ぶ
ミッション → 様々な課題

31→ イノベーション（新しい結合）が生まれるミッション：月へ人類を送り込む
我々が10年以内に月に行こうと決めたのは，それが容易だからではありません．
むしろ困難だからです．この目標が，我々のもつ行動力や技術の最善といえるものを集結しそれがどれほどのものかを知るのに役立つこととなるからです．その挑戦こそ，我々が受けて立つことを望み，先延ばしすることを望まないものだからです．
そして，これこそが，我々が勝ち取ろうと志すものであり，我々以外にとってもそうだからです．
1962年9 月12日
Copyright Rice University

ジョン・F・ケネディ
第35代米国大統領
1961年 – 1963年

1969年7月20日
アポロ11号

イノベーション

（新結合）

燃料電池，カメラ付き携帯電話，アスレチックシューズ，浄水器，フリーズドライ食品，ワイヤレスヘッドホン，粉ミルク，義肢，傷つきにくいレンズ，LED，断熱材，緊急ブランケット

フラッグシップミッションの例
サーキュラーエコノミー（CE）システムの構築

CE三原則

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1) 廃棄や汚染を取り除く
2) 製品・原材料を，高い価値を保ったまま循環させつづける
3) 自然を再生する➢ 環境対応が産業の生死に関わる時代➢欧州などで環境規制の動きに対応できなければ，サプライチェーンから締め出される可能性
日本の温室効果ガス全体排出量の1.5%低減を目指しグローバルリーディング企業とアカデミアが連携 燃やさない・埋めないポリマー素材を開発
次期SIP
PD候補 伊藤耕三

CO2排出量削減・資源循環の両立を可能とするエコシステムを構築

岡部朋永
東北大・工・
機械系

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https://www8.cao.go.jp/cstp/stmain/pdf/220527_sip1.pdf

CEシステムの構築に貢献する規格・標準化

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CEに関する標準規格＆標準必須特許(SEP)と，CE市場の設計がカギ「循環素材何%含有」「マテリアルリサイクル素材何%含有」

本当??

CE素材・製品についての信頼性• 信頼性を裏付けるための分析手法がわからない．未整備である．
• 科学的な動静脈上の共通プラットホームがない．
• 知るべき科学的な情報がわからない，共通化されていない．
例えば，規格や標準などがない．

CE素材・製品のライフサイクルデザイン• 用途に適した素材・製品のライフサイクルがわからない．

循環因子をマクロ分析とNanoTerasuによるミクロ分析により規格・標準化する．
NanoTerasuが開発素材・製品（動脈）から分離回収品・リサイクル材（静脈）まで包括的に分析を担い，動静脈企業と連携することで各素材・製品の規格・標準を決定する．
公的共有財産であるNanoTerasuが科学的な精密分析によって客観的に各素材・製品の循環因子を決定(保証)し，標準化の決定や規格をパスポートとして発行する．
DPP（ディジタル プロダクト パスポート）「循環素材何%含有」「マテリアルリサイクル素材何%含有」

本当??

ミクロ分析

CE規格マーク

信頼できる!!
それに経済的!!

大企業から中小企業まで巻き込んだ課題への取り組み

社長や技術担当責任者との長時間にわたる意見交換

次期SIP
PD候補 伊藤耕三

岡部朋永
東北大・工・機械系

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サーキュラーエコノミーシステムの構築

利用企業は，何を求めているか？
◆ 今後，市場で勝ち残るためには，何が必要か？
課題の本質を共有できる場◆ 高い専門性に裏付けされ，市場が求める製品開発を支援するツールと利用コンサルティング◆継続した利用相談
都度の新課題への活用の提案
35ナノテラスの利用：地域の中小企業にかかりつけ医が必要

公設試：コンサルティング
トライアルユース
大学：高い専門性

金融：市場環境の情報
PhoSIC：利用支援．
．
川崎市ホームページより転載
36私たちは，ものづくり企業，地域，大学，東北経済産業局と手を携えて企業価値の創出と世界に誇る日本の競争力を高めていきたいと考えています．

皆様のご理解・ご支援，そして，ご参画をお待ちしています

ご清聴 ありがとうございました

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