東北大 WPI

研究者が交流する場のティータイム
親密で熱い議論が「融合研究」を生む比較する尺度である。現在は毎年、米国の大手情報企業のト
ムソン・ロイター（Thomson Reuters）が作成する引用文献
データベース「Web of Science」に収録されるデータを基に、インパクトファクターが算出される。

東北大学が 2007 年 10 月に設立した原子分子材料科

検証する中から、研究を進める方向のアイデアや難問いる。WPI の若手研究者は日本や海外の大学や研究トップレベルの研究拠点では多くが採用しているもの

学高等研究機構（WPI-AIMR）では、毎週金曜日の午を解くきっかけが生まれ、独創的な研究成果が誕生す

機関から志願し、選抜を経て採用されただけに、元々である。東北大の WPI など現在 5 拠点ある WPI では、

後 5 時から約 1 時 間、 研 究 者 同 士の懇 親 会である

ることが多いからだ。優秀な研究者同士が雰囲気は親はほとんどが知らない者同士だ。自分の研究内容を多研究環境や雇用条件などが世界的な基準を持つ“特区”「Friday Tea Time」（通称はティータイム）と呼ぶ交

密で気さくに、しかし内容は熱く話し合う場は優れた

面的に検討するには、まず他の研究者と知り合い、どとして機能している。

流会が開催されている。このティータイムには、参加

研究拠点として不可欠なものである。

の分野の専門家なのかを知る必要がある。このため「出者が守るべき厳格なルールがある。
「参加者は、自分が所属する研究グループではない
研究者と顔見知りになるきっか「Friday Tea Time」のルール

山本嘉則 機構長・教授

ティータイムでの会話は英語が基本

若手研究者は、現在、“主任研究者”である「世界トッ

張中でない限りは、できるだけ参加している」と、多プレベルの研究者」30 数人の研究室にくの若手研究者は異口同音にいう。そして「自分の研それぞれ所属している。この「世界トッ

究内容を拡充するきっかけをつかむために、他の研究

プレベルの研究者」とは、学術論文のけとしてまず名刺交換する」「自東北大の WPI は現在、研究者が約 150 人在籍し、グループの研究者と積極的に話し、融合研究をいくつ

被引用数が非常に多い、国際会議など

分の研究グループの参加者と話研究活動に励んでいる。研究者の国籍もさまざまで、か具体的に始めたところだ」と、上野和紀助教は語る。

の招待講演が相次ぐなどの国際的な名してはならない。 他の研 究グ

外国人の研究者は半数を超えている。

WPI の研究者の使命は優れた研究成果を上げること声の持ち主である、大型の競争的資金を獲得できる ―などの実力者を意味

ループの参加者と 3 人以上話をこの結果、ティータイムでの会話は英語が基本になする」「融合研究を行うために、る。実際には「話を始める時に外国人の方が相手だと他の研究グループの研究者と顔

自然と英語で話し始める」と、水上成美助教は説明す

WPI の若手研究者は材料科学の優れた研究成果をで、研究の進め方などを直接学ぶこと

見 知りになり、 親しくなる 」

る。相手が日本人同士の場合は日本語で話すことにな上げることが使命になっている。WPI の研究者は、大で、世界トップレベルの研究者を育成―というものだ。

るが、その場合にも、外国人の方が話の輪に加わった

学での授業などの教育ミッションが免除されるなどのする仕組みになっている。

時には、英語に切り替える。

“特権”が与えられている。
「入学試験などの大学教員

文部科学省は、WPI の在り方を説

このルー ルは、WPI 機 構 長する。世界トップレベルの研究者の下の山 本 嘉 則 教 授が決めたもの

つまり、WPI の公用語は英語なのである。研究者だとしての仕事が免除され、研究に専念できる点では恵

明した「世界トップレベル国際研究拠だ。
「材料科学を指向する研究

けではなく、WPI の事務局の職員も英語を話すことがまれている身分だ」（一杉太郎准教授）が、その半面、点形成促進プログラム」では、世界トッ者が世界中から本拠点に集結す求められている。研究用にさまざまな提出書類に加え雇用条件の方はかなり厳しい。

プレベルの研究者がぜひそこで研究しる研究センターを構築する」たて、仙台市で住むために行政などに提出する書類作成

WPI に採用された若手研究者は採用期間を定めた

たいと、世界中から集まってくるよう

めには、研究者同士が親しくなの支 援などでも、 英 語が必 要になる。 事 務 職 員は“任期付き”雇用になる。給与は年俸制だ。准教授とな、優れた研究環境と極めて高い研究る場がまず必要になる。自分がティータイムに積極的に参加し、研究者と顔見知りに助教は、任期は最長 5 年間で（更新あり）、2 年ごとに水準を誇る拠点になってほしいと考え

現在取り組んでいる研究内容をなるように努めている。

研究成果を評価するレビューを受けなくてはならない。

ている。

親しい研究者と多面的に議論し融合研究を推進する相手を探す場として機能

ポストドクター（博士研究員）は任期は 1 年間（更新あ水上成美 助教

秋山琴音 助教り）であるため、毎年レビューを受けることになる。
優れた研究成果を上げ、優秀な研究者としての名前

ティ ー タイムのルー ルに示された「 融 合 研 究 」

が世界中に知れ渡ると、東北大を含めて他の大学や研（Fusion Research）という言葉は学際などの融合領域究機関からの就職要請（オファー）が殺到するだろう。

での研究を意味する。最近は、単純な研究領域だけで逆に、任期期間内に優れた研究成果を上げないと、プは解明が進まず、いくつかの研究領域を融合する必要

ロとしての洗礼を受けるという厳しい現実が待ってい性が高まってきた。こうした融合研究を実際に進めるることになる。

には「専門領域を持つ研究者同士がプロジェクトチーWPI の研究者は、インパクトファクター＊が高い海

ムを組むなど、研究者同士の協力が不可欠になってい外の一流の学術誌に自分の研究成果を投稿する。学る」（秋山琴音助教）。このため、研究者同士が交流術の世界で、一流の研究者として認められる王道としする場として、山本機構長はティータイムを設けた。

ての手段だからだ。

この交流の場は、特に若手研究者の育成に役立って（注）＊インパクトファクター（impact factor, IF）とは、自然科学・社会科学分野で発行されている学術誌が学術面で与える影響度を示す指標である。大まかにいえば、当該学術誌に掲載された学術論文の被引用回数の 1 年間分の平均値（3 年分のデータから算出）であり、同じ研究分野の学術誌同士を相対的に任期付き雇用や年俸制などの雇用条件は、世界の東北大 WPI「金属ガラスの本質に迫りたい」
原子配列構造の不均一性を発見
藤田武志 助教（注）＊金 属ガラス（Metallic Glass）は、合金組成によっても左右されるが、高強度、低ヤング率、高耐食性、高透磁率などが優れているとの特異な性質を持つ。特に、液体がそのまま固まる
ために、固相になる時に体積収縮が起こらず、ニアネットシェ
イプ成形ができるという工業面で重要な性質を持つ。この結果、一般の鋳物と異なり、後工程での仕上げ加工がほとんど必要ないなどの利点が生じる。

Research）が設置され、金属ガラス分野でも金研と連携する態勢をとった。WPI 側では、陳教授がバルク金＊“金属ガラス” と呼ばれる不思議な合金がある。簡やすくなる現象の解明に着手していた。この現象は「金

単にいえば液体がそのまま固まったものだ。普通の合属ガラス成形能が高まる」と表現され、金属ガラスが金は加熱して溶かした後に冷却して固まらせると、合できる本質にかかわる重要なものだった。

ところ」と藤田助教はいう。
ここまで高分解能な TEM は、日本の他の大学や公的研究機関などにはないため「既に共同研究の申し込

陳教授が金研の教授として金属ガラスの研究開発をみが来ている」という。もちろん、WPI 内での他の研推進している時に、藤田助教は金研助教に採用された。

究グループとの融合研究的な共同研究も増やす構えだ。

金を構成する各原子が整然と規則正しく並ぶ結晶構造

金属ガラスは液体が過冷却現象によって固まったも

陳 教 授が WPI に異 動した 2008 年に、 藤 田 助 教も金属ガラスの研究開発に加えて、いろいろな材料ををつくる。これに対して、金属ガラスと呼ばれる合金のなので、金属ガラスとして固まる大きさには限界が

WPI への異動を志願し、同年 7 月に無事採用された。

観察してみたいという。たとえば、量子ドットの構造

は、溶けた液体状態がそのまま凍結して固まる。

あった。組成にもよるが、一般的には直径が数 10mm

WPI に異動した後も「金属ガラスの本質を解明する姿やナノ空隙を持つ多孔質金属などの微細な構造を観察

このため、金属ガラスは合金を構成する各原子が結程度の大きさが限界になっている。つまり、大きな金勢は変わらない」という。

してみたいと抱負を語る。

晶構造のように規則正しく並ばず、液相を構成する各属ガラスをつくるためには、金属ガラス成形能を高め原子がバラバラな配列のままで固まる ― と、これまる機構を解明することが重要になる。

球面収差が大幅に小さい TEM で金属ガラスの構造を精密解析

電子顕微鏡のプロとして本質に迫る構造解析を続ける

では考えられてきた。

藤田助教は X 線吸収分光法の一つである EXAFS

ところが、金属ガラスの原子配列構造をよく調べる（Extended X-ray Absorption Fine Structure）法を

最近、藤田助教は新しい計測装置を整備し終わり、藤田助教は、九州大学大学院の博士課程で透過型と、原子は均一にバラバラではなく、不均一に片寄っ用いて精密な構造解析をするために、大型放射光施設

研究開発を加速し始めた。2009 年 3 月に設置した新し

電子顕微鏡を利用して材料科学を研究した。このた＊てバラバラに並んでいることが分かってきた。“不均一「SPring-8 」を利用して計測・解析した。EXAFS 法

い透過型電子顕微鏡（TEM）の活用に余念がない。ダめ、元々、電子顕微鏡の扱いに慣れ、その計測・解にバラバラに並んでいる”という難解な原子配列構造

は試料を構成する原子の微視的構造の情報を得ること

ブル球面収差補正レンズ付き TEM（加速電圧 200kV）

析装置としての能力を最大限引き出すプロである。学を見い出した中心人物の一人が藤田武志助教である。

ができる。得られた金属ガラスの微視的な構造解析はという、現時点では世界でも数台しかない高分解能な生時代は当然、共用の電子顕微鏡を使っていた。そこの難解な現象の正体は「構成元素がそれぞれのクラ

仙台高等専門学校の研究者と共同で実施した。

電子顕微鏡だ（図 2）。

の藤田助教は自分が自由に使いこなせる電子顕微鏡を

スターをつくっていることである」と藤田助教はいう。

大きな金属ガラスをどうつくる
構造解析で成形能を解明
東北大学 WPI の陳明偉教授と藤田助教の研究グ
ループは、銅・ジルコニウム（Cu・Zr）系の金属ガラ
スに銀（Ag）を添加すると、なぜか金属ガラスができ

この結果、銅・ジルコニウム・銀系合金の金属ガラ

電子顕微鏡は電子を試料に透過させ、磁界でつくっ手に入れたことを素直に喜ぶ。独自の有力な研究ツー

スは銀原子が 4 個つながり、その周囲をジルコニウム

たレンズで透過電子線を収束させて像をつくる。とこルを入手することは、プロの研究者として独創的な研原子が囲っているクラスターと銅原子とジルコニウム

ろが厳密には透過した電子線が 1 点に収束しない“収究成果を得ることの必要条件になるからだ。

原子を多く含むクラスターで構成される原子配列構造差”という現象がわずかだが起こり、透過した電子線を見い出した。隣接するクラスター同士はそれぞれ原がつくる像が少しぼやけ、その分だけ分解能が落ちる。

子を共有する構造になっている（図 1）。

TEM に組み込んだ。この球面収差補正レンズ付きの属ガラス成形能を高めることがみえてきた。大きな金

高分解能 TEM は価格が 2 億円程度もかかった高価な属ガラス製の部品をつくる指針が分かってきたというものだ。藤田助教は新しい TEM の操作方法や性能限ことになる。科学面での発見が工業面での応用に役立界を見極めるために、いくつかの試料を観察した。

東北大金研が金属ガラスの研究開発をリード

図 1 ●銅・ジルコニウム・銀系合金の金属ガラスは、銀原子が中心部で4 個つながっている構造のクラスターと、銅原子とジルコニウム原子を多く含むクラスターの 2 種類で構成されている

藤田助教は収差の中で球面収差を抑制する装置をこのことから原子レベルでは不均一な原子配置が金つ典型的な事例に成長しそうな研究開発成果である。

属ガラスの研究開発のリーダーを務める。

＊ SPring-8 は、独立行政法人理化学研究所が運営する世界最高性能の放射光を利用できる大型放射光施設。兵庫県の佐用町（播磨科学公園都市と呼ぶ地域）にある。SPring-8 の運転・管理は財団法人高輝度光科学研究センター（JASRI）が担当している。

たとえば、ケイ素（Si）の単結晶の（110）面を観察し原子の大きさの 10−10m（0.1nm）の識別ができることを確認した。また「加速電圧を 120kV に低速化してポリマーなどの有機材料を観察できることも確認できた」

特異な性質を持つ金属ガラスは、東北大学金属材という。低加速化したことで、有機材料に電子線を照料研究所（金研）が 1980 年代後半に見い出し、その後射しても損傷が小さくなったため、観察可能となった。

も金 研が研 究 開 発の中 心 的な役 目を担 っ てきた。

金（Au）のナノ微粒子も観察し、粒子内部の原子配2007 年 10 月 1 日に、東北大に WPI の原子分子材料科

列を鮮明に見ることも可能になった。こうした観察実

学高等研究機構（Advanced Institute for Materials

験を重ね、いわゆる装置固有の「装置定数をつかんだ

図 2 ●ダブル球面収差補正レンズ付きの透過型電子顕微鏡（加速電圧は200kV）



東北大 WPI「新しいナノワイヤーができました」
すべての金属ガラスに適用可能に
中山幸仁 准教授

ナノワイヤーができる仕掛けだ。作製装置は、真空容の実験装置が並ぶ最適な研究環境を誇る。中山准教

器内部に金属ガラスリボンをつるす。リボンの下側に授も自分の研究費を獲得し、自分の実験装置として、直径が髪の毛の千分の一と極めて細い繊維「ナノファのワイヤーができることを、円柱形状の金属ガラスの重りとなる治具をつるす。この上下に張った状態で固金属ガラスナノワイヤー作製装置を組み立てた。これイバー」は、ナノサイズの微細構造からくる特徴によっ

圧縮変形時に見い出した。金属ガラスの力学的な性質

定し、加熱したタングステンフィラメントをリボンの中を武器としてさまざまな研究開発に応用し、成果を上て、通常の繊維とはひと味もふた味も異なる特異な性などを解明するために、ジルコニウム（Zr）系金属ガラ

央に近づけ、リボンの真ん中で直線上に溶融させ、リげている。

質を発揮する。このため、さまざまな応用が考えられ

ス製の円柱状試料を上下から加圧する圧縮試験を行っ

ボンを上下に引っ張るものだ。このナノワイヤー作製

中山准教授は横浜国立大学大学院で博士号を取得ることから研究開発が近年活発化しており、日本ではた際だった。金属ガラスは液体がそのまま凍結したも法は細部にかなりのノウハウがあり、「作製法に関してしてから、米国のミネソタ大学、東京大学、東北大学、

ナノファイバー研究会やナノファイバー学会などが相のなので、構成する各原子はバラバラに配置している。

特許を出願中」という。中山准教授は、「この方法は

米国イリノイ大学で研究三 昧の生活を送った。博士次いで設立された。

通常の金属は結晶構造を持ち、構成元素が規則正し

すべての金属ガラスに適用できる」という。

課程の学生やポストドクター（博士研究員）として過ござんまい2009 年 6 月に東京工業大学は「国際ナノファイバー

く並んでいるために、整列した原子が集団で、ある面

最近、金属ガラス製のナノワイヤーは高い曲げ性能した武者修行時代に身に付けた習慣は、「廃棄された

シンポジウム 2009」を東京都目黒区の大岡山キャンパ

で滑るような変形をする。これに対して、金属ガラスを持ち柔軟性に優れていることが見い出されたり、ヤ

実験機器を譲り受けて再活用すること」と中山准教授

スで開催した。ナノファイバーの第一線の研究開発者

は構成原子がバラバラに配置しているために、せん断ング率が大幅に高いなどの特異な性質が発見され、こは苦笑する。

が世界中から集まった同シンポジウムでは、最新の研応力によって円柱を斜めに切ったような面状に溶融層うした特性を生かした応用分野の検討が始まった。

究開発成果が報告された。東北大学 WPI の中山幸仁ができ、溶融した液体が引きはがされるように、部分

金属ガラス製ナノワイヤーがその“実力”を発揮でき程の学生やポストドクター時代に、手づくりの実験装准教授はセッション「ナノ材料の今後の展開はどうあ

的に糸状に引っ張られたり、丸くカールしたりするよ

そうな応用分野は、「磁気センサー」だという。100 兆置で研究成果を上げた経験から、「独創的な実験装置

るべきか」の中で「金属ガラスナノワイヤの最前線」をうな“橋”状の構造の破面が生じた。

分の 1T（テスラ）という微細な磁場を計測できる可能を手づくりすることにこだわりがある」という。自分で潤沢な研究開発費がいつもあるとは限らない博士課

発表し、大きな注目を集めた。金属ガラスという新し

この破面を走査型電子顕微鏡で詳細に観察したとこ性がある。これが実現すると、現在超伝導量子干渉

工夫した実験装置でないと、優れた研究成果が得られ

いアモルファス合金材料の中から、「金属ガラスナノワろ、 糸 状に引 っ 張られた部 分には直 径が 10nm 〜素子（SQUID）などで計測している「脳磁界計測などないことを痛感している。

イヤー」（図 1）という新しい 1 次元ナノ構造を誕生させ

1 μm 程度のワイヤーができていた。また、カールしの最先端医療分野に適用できるだろう」と期待を膨らた報告だったからだ。

た部分にはチューブ状のものができていた。これが金ませる。

金属ガラスの溶融部から飴を引っ張るように作製
中山准教授は直径が最小で数 10nm の金属ガラス製

属ガラスのナノワイヤー が発 見された時の経 緯だ。
2008 年 1 月の研究成果だった。
ジルコニウム系に続いてパラジウム（Pd）系などでも金属ガラス製のナノワイヤーができることを確認した。

手づくりの実験装置にこだわりを持つ

実は、WPI の母体である東北大金属材料研究所には、手づくりの実験装置から独創的な研究成果が生まれるという“神話”がある。この金属材料研究所に二度、在籍したことがある中山准教授は、この伝統をしっかりと受け継いでいる。

現在、中山准教授が所属する東北大 WPI は最新鋭

「数百種類もの多くの組成の金属ガラスでナノワイヤーができる」と、中山准教授は考えている。最近は「長あめさ 1cm 程度の飴を引っ張ったような長いナノワイヤーをつくれるようになった」という。

金属ガラス箔中央部を加熱する
効果的な作製手法を考案

金属ガラスのリボン
タングステン
フィラメントで加熱

ポンプ

金属ガラスナノワイヤーを発見した中山准教授は、ナノワイヤーを効率的に作製する方法を考えた（図 2）。
考案した作製法は、金属ガラス製のリボンを上下にピンと引っ張り、その真ん中付近を局部的に加熱して、
図 1 ●金属ガラスナノワイヤーの走査型電子顕微鏡像。中央部の細長い線がナノワイヤー。金属ガラスナノワイヤー作製装置で作製



水平方向の線状に溶融した状態をつくり出す。リボンを上下に引っ張って溶融した部分が飴状に伸びる際に、重りの治具
図 2 ●金属ガラスナノワイヤー作製装置

東北大 WPI「役に立つ新酸化物を創りたい」
究極の分解性能の実験装置を駆使
一杉太郎 准教授＊＊「新しい実験装置向けに特別な基礎工事を施してもネル顕微鏡（STM） とパルスレーザー蒸着（PLD） 装らった」と、一杉太郎准教授は語る。同氏が今いる実

置を組み合わせた実験装置を用意した（図 1）。

＊ PLD（Pulsed Laser Deposition）装置はパルスレーザー蒸着装置と呼ばれ、真空室内に置いたターゲット材料表面に強力なパルスレーザー光を照射すると、アブレーションと呼ばれる
急激な蒸発現象が起こり、蒸発した原子群が向かい合う基板表面に蒸着して堆積（たいせき）し薄膜をつくる。何回もパルスレーザーを照射し、堆積層の厚さを増やす。また、蒸発させるターゲットを複数にすると、異なる元素（分子）などを層状に堆積させることができる

究開発の中で、2 酸化チタンにニオブ（Nb）を添加する

電性を両立させた新物質を見い出したい」という。文

と、透明性と導電性を両立させる組成があることを見

部科学省・科学技術振興機構（JST）が現在進めていい出した（図 2）。2005 年のことだった。

る元素戦略プログラムの一つとして東大の長谷川教授

酸化物では透明性と導電性を兼ね備えることは一般の研究提案が選ばれ、透明電極材料としての可能性を追究しているからだ。

新物質をつくるために、PLD によって原子や分子を的には相反する性質なので、実用性のある物質では 4１層ずつ精密に積み上げていく。その際に、原子や分種類しか見い出されていない。中でも 2 酸化チタンは、

一杉氏は東大大学院工学系研究科で博士号を得てm レベルで操作することもケース

液晶パネルなどの透明電極材料の有力候補として注目修了した 1999 年 4 月にソニーに就職した。この時の経原子レベルのわずかな揺れが厳禁となる。このため、によっては必要になる。新物質をつくり出すことが、を集めている。現在、透明電極として利用されている

験から、「大学と企業をつなぐ研究開発を実践したい」

実験装置を支える基礎部分は、建物の基礎に固定す

新しい性能を発見する出発点になるからだ。

インジウム・スズ酸化物（ITO）の代替材料として注という。たとえば、2 酸化チタン系の透明導電材料で目され、研究開発が盛んになっている。

も、単なるインジウム・スズ酸化物の代替材料を狙う

験室がある東北大学の WPI インテグレーションラボ棟を建てた時のことだ。
新実験装置は原子レベルの微妙な測定を行うために、子を 1 個単位の 10− 10

るのではなく、地中の岩盤に直接打ち込む究極の防振

このように作製した物質の特徴を原子レベルで調べ工事となった。
「この基礎工事だけで数 1000 万円もかるため、原子の大きさの微少な振動を防ぐことが不可

こうした研究開発の先駆けとなったのが一杉氏の研のではなく、2 酸化チタン系の特徴である屈折率が高かったが、建物の下の地層に頑丈な岩盤があったこと欠になる。基礎部分に加えて、実験装置内にも当然、究開発成果だった。発見できたポイントは、結晶がきい点や、還元雰囲気で劣化しない、耐薬品性に優れは本当に幸運だった」と笑う。

最新の防振装置のアクティブダンパーを組み込んでいちんと成長した高品質な薄膜をつくる技術だった。ガているなどの「独特な性質を生かす用途開発を手がけ究極の防振工事ができなければ、高精度な実験そのる。また、実験装置全体は防音室に収められている。

ラス基板の上に 2 酸化チタンとニオブの混合物を原子のたい」という。

ものができない。費用がかかっても実現できたことを、

振動厳禁なため、「良い成果を得る実験は気合いを入

並び方がバラバラなアモルファス（非晶質）状態の薄膜

企業人の考え方が分かる大学の研究者としてイン

一杉准教授は素直に喜ぶ。かかった費用は、新物質れないとできない」と真顔で語る。

をつくり、これを加熱して微細な結晶で構成される薄ターフェース役を務めることも、自分の独自性を発揮膜にする。

する強みと信じているようだ。

の発見によって報いれば済むと考えているからだ。

これまでにない最新鋭 STM で
極低温・高磁場環境を実現
一杉准教授は、これまでにない新しい物質をつくって、新しい性質を発見するために、高性能な走査トン

新実験装置の中心となる STM は新しい顕微鏡としてはある程度普及している。しかし、一杉准教授が今

このつくり方が発見の基となった高品質な酸化物の大学と企業の研究者の違いは、大学の研究者は自回組み上げた STM は観測装置部分に電界イオン顕微

薄膜づくりは大学院生だった当時に、高温超伝導で分の責任で研究テーマを選び、自分の責任で研究開発

鏡や電子線回折などの別の観察装置を組み合わせた独話題を集めた酸化物超伝導体の研究で会得した技術計画を立てて実行し、その成果を論文などのかたちで

自の STM に仕上げる工夫を施した。

だった。こうした幸運なセレンディピティーは、運を公表する。すべて自分の責任で行い、その記録が個人引き寄せる努力の上に花開く見本のようだ。

名で残る。独自の発想でどれだけ工夫したかなどが、観察する試料室の環境も極低温・高磁場をつくり出せる独自のものに仕上げた。極低温は 0.4K を達成できるように液体ヘリウムを用いる冷凍機を組み込んだ。
高磁場は磁束密度 7T をつくり出せる超伝導マグネッ
トを組み込んである。極低温・高磁場の環境でないと、

図 1 ● STM（走査トンネル顕微鏡）と PLD（パルスレーザー蒸着）装置
を組み合わせた新しい実験装置の上部。この下側に主要な機構が配置されている

企業勤務の経験を生かし研究成果を応用開発につなげたい

かなりオープンになるだけに、やりがいがある仕事だと語る。

2007 年 12 月に東北大の WPI に異動した一杉准教

姿を現さない物質の性質もあるからだ。

授は、現在の研究開発目標を三つに絞っている。第「これまでにない実験装置をつくり上げて研究開発す

一は STM ベースの新実験装置を用いた酸化物薄膜のることが新発見のカギになる」と一杉氏は説明する。

研究開発だ。チタン酸ストロンチウム（SrTiO3）などの透明性と導電性を兼ね備えた
2 酸化チタンを発見（注）＊ STM（Scanning Tunneling Microscope）は走査トンネル顕微鏡と呼ばれる精密な計測機器。一般に電気伝導性を持つ試料表面に、針状のプローブ（探針）を限りなく近づけた時に流れるトンネル電流を測定する。探針と試料表面の距離を一定に保つように計測するなどの測定法を利用する。

古くて新しい酸化物を相手に精密に測定することで新しい性質を見い出し、有用材料であることを示す。第二は電気自動車などで最近事業化が一気に進み始めた

一杉准教授の名前を材料科学分野で一躍有名にしリチウムイオン 2 次電池の電極となるリチウム（Li）イ

た研究開発成果は、2 酸化チタン（TiO2）の透明導電

オン酸化物の研究開発テーマだ。この分野は新しい正材料を見い出したことだった。2003 年 10 月に東京大極材料の開発が活発化しているホットな分野だ。

学大学院の理学系研究科の助教に就任し、長谷川哲

第三は、東京大学と連携している 2 酸化チタンの透也教授の研究開発グループの一員に加わった。その研

明導電材料としての研究開発テーマだ。
「透明性と導

図 2 ●透明性と導電性を持つ TiO2 膜東北大 WPI「超伝導を電界効果で起こします」
電気二重層トランジスタを活用
上野和紀 助教（注）＊高 温超伝導体とは、1986 年にスイスの IBM チューリヒ研究所がランタン・バリウム・銅・酸素（La-Ba-Cu-O）系が超伝導を示すことを発見したのを契機に、液体窒素温度 77K（－
196℃）以上の温度で超伝導を起こす銅酸化物が相次いで発見された材料群を意味する。実用化面ではイットリウム（Y）系
やビスマス（Bi）系の銅酸化物が先行しているが、銅酸化物系
ではない新しい超伝導材料も発見され、物性面からも超伝導が起こる機構の解明が進んでいる。

ゲート電圧を加えるとデバイスが稼働することを確認した（図 2）。

＊電 界効果トランジスタ（Field Effect Transistor、FET）は、
ゲート電極に電圧をかけることで、ソース・ドレイン端子間の電流を制御するトランジスタ。FET を利用した金属・酸化物半導体膜型（Metal Oxide Semiconductor FET：MOSFET）は現在の集積回路（IC）の論理回路などに多く利用されている半導体素子である。CMOS 型（Complementary
MOS：相補型 MOS）の形で利用されるケースが多い。

融合的な共同研究を目指し
多様な人脈を築く

電気抵抗がゼロになる超伝導現象を使うと、電流が（電子やホール）を大幅に増やすという新しい手法にこのチタン酸ストロンチウムを利用した電気二重層

ほとんど損失しないで電気を流すことができる。このよって超伝導体をつくる研究を精力的に進めている

トランジスタのデバイスを極低温に冷却し、0.4K で超東京大学大学院で博士課程を修了した上野助教は、魅力的な特徴を生かして、伝送損失がほとんどない電（図 1）。「電圧を変えるなどの電界効果によって超伝伝導を起こすことを確認した。電界効果によって、酸学生時代から産業技術総合研究所と連携して研究開

力送電ケーブルや高効率な超伝導モーターなどの応用

導現象を起こす方が使いやすい用途があると考えてい化物のチタン酸ストロンチウムが超伝導になることを初発を実施するなど、自分の研究開発テーマを最大限に開発が活発に続けられている。

るからだ」という。電圧をかけると超伝導状態になり、めて示した実験結果だった。

生かす人脈づくりを心がけてきた。東北大にも多種多超伝導現象が画期的なイノベーションをもたらすと多くの人に期待されるようになったのは、1986 年から電圧をかけるのを止めると通常の絶縁状態に戻るといったオン・オフできる点が使いやすいとみている。

高温超伝導の研究開発時に対象となった酸化物の中には、伝導キャリアを多く導入できない酸化物もあっ様な研究開発を手がける研究者・教員が多いため、大学内の共同研究に力を入れている。

従来の不純物を添加する手法では、超伝導を引き起た。上野助教が見い出した電界効果による超伝導化のチタン酸ストロンチウムの電界効果による超伝導化

ランタン（La）系酸化物が超伝導を示すことが見いこしている伝導キャリアである電子の動きを、その不手法を適用すると、超伝導を示す新しい酸化物が発見の研究開発では、「極低温科学センターや金属材料研出されてから、
液体窒素温度 77K（－ 196℃）の“高温”

純物原子自身が邪魔するケースもあると考えられていされる可能性が高まった。たとえば、上野助教の研究

究所の方々にお世話になった」という。最近は WPI

で超伝導となる高温超伝導体 が次々と見い出された。

る。この点でも、「電界効果によって超伝導を起こす

グループはタンタル酸カリウム（KTaO3）が超伝導現象

内の若手研究者との融合的な研究開発を進めるため、

この高温超伝導体を研究開発する手法の主役は、銅手法は有利な場合がある」と、上野助教は推測していを起こすことも確認した。

毎週金曜日の夕方に開催される“ティータイム”とい

酸化物に不純物元素を添加する“不純物ドーピング”

る。

「高温超伝導材料をはじめとする新しい電子機能をうネットワーキングの集まりには、「出張中でない限り引き出す可能性を見い出した点に意味がある」という。

は参加するように心がけている」と語る。多種多様な

上野助教は「炭素の結晶体であるダイヤモンドに 2 次研究者と刺激し合うことが独創的な発想を生み出すと元性の超伝導現象や、化合物半導体である窒化アル

上野助教は考えているのである。

始まった“高温超伝導フィーバー”からだろう。

＊という手法だった。不純物ドーピング手法によって見い出された高温超伝導体の代表格であるイットリウム（Y）系やビスマス（Bi）系の銅酸化物の実用化検討が活発化している。

電界効果によって超伝導を発現
これに対して、東北大学 WPI の上野和紀助教は電界効果によって酸化物内に電気を通す“伝導キャリア”

電気二重層を利用した新デバイスを試作「電界効果」という言葉は、現在は電界効果トラン＊

ジスタ という言葉で目にすることが多い。この電界効

ミニウム（AlN）を超伝導体に変える研究開発の端緒をつかみたいと考えている」という。

果トランジスタは、集積回路（IC）の論理回路などに活用されており、現在ではなくてはならない存在になっ
ている。

（a）

（b）

上野助教は、酸化物に超伝導現象を起こさせるためには電界効果トランジスタで作り出せる伝導キャリア量では不足すると判断し、「電気二重層トランジスタ」という新しいデバイスを活用する手法にたどり着いた。
「電気二重層トランジスタはトランジスタの絶縁体層の代わりに電解液を用いることで、イオンと電子が正と負の電荷を蓄積するコンデンサーとなり、桁違いに多い正と負の電荷を蓄えられる点に着目した」と説明する。
上野助教は、研究開発対象とする酸化物として、酸化物エレクトロニクスとして標準的に用いられている
チタン酸ストロンチウム（SrTiO3）を選択した。チタン
酸ストロンチウム単結晶の上に固体電解質を用いた電図 1 ●超伝導を引き起こす新しい酸化物をつくる実験装置群の一部

10

気二重層トランジスタを組み込んだデバイスを試作し、

図 2 ●チタン酸ストロンチウム単結晶の上に電気二重層トランジスタを組み込んだデバイス試作品。
（a）固体電解質を流し込む前のデバイス構造、（b）固体電解質を流し込んだ後のデバイス試作品

11

東北大 WPI「生体が持つ機能を引き出します」
ナノテクで親水・撥水表面を実現
石井大佑 助教（注）＊自 己 組 織 化（Self-organization、Self-assembly）は他からの制御なしに自分自身で組織や構造をつくり出す性質を意味する。生物は自己組織化で生体をつくり上げる。

んでいる。表面自由エネルギーを部分ごとに最適制御
し、撥水（疎水）性と親水性を巧みに組み合わせることハスを目指した。

優れた研究環境を求め
東北大 WPI に異動

蓮の葉の上にできる無数の水滴が風に揺られて微妙（生体模倣技術）だ。生物が持つ優れた機能や構造なに動く…。蓮の葉の表面は撥水性が高いために、水滴

どのデザインを高度に模倣し、人間に役立つものを実が生じて、ころがる。この水滴のように、小さな“液滴”

現するのが狙いだ。たとえば、昆虫の蛾の目は光の反を精密に 1 滴ずつ移動させる研究開発に、東北大学

射を少なくするために、微細な突起が規則正しく並び、

WPI の石井大佑助教は没頭中だ。図 1 に示した「ハイ小さな波形が続く構造をとる。この微細波形構造を太こうしたバイオミメティックスの研究にあたって石イミングでも企業と研究機関への就職を並行して考え

ブリッド表面」は親水性と撥水性をナノテクノロジー

陽電池の表面に適用すれば、発電効率が高まると考え

井助教は、下村教授の研究成果を基盤とした。下村た」という。その結果、「自分のやりたい研究開発がによって精密に制御した表面である。ハイブリッド表

られ、応用開発が進められている。

教授は直径数μm の球状の穴が整然と並んだ高分子膜できそうな環境を選び続けた」と語る。自己実現の舞を実用化した実績を持つ。見た目は蜂の巣状の高分子

台として WPI は最適な研究環境を与えると判断した

はっすい

ガ

面の吸着力を精密に制御することで、液滴 1 滴を移動させる仕組みだ。

生物はそれぞれ独特の機能を持っている。このため

通常、研究開発者は優れた研究環境を求めて異動

自己組織化ハニカム膜を基に独自の工夫でハイブリッド膜に＊し、研究実績を積み上げていく。石井助教も出身校の東京工業大学大学院から理化学研究所を経て、東北大 WPI に移籍した。石井助教は、「どの移籍のタのである。

「応用を考えるネタには困らない」という。石井助教は

膜は「自己組織化 ハニカム膜」と名付けられた。つく

液滴を精密に輸送するといった微細操作は、直接

水に対する表面の超撥水性という点は、蓮の葉や蝶のり方は、空中の蒸気を高分子溶液表面に結露させ、石井助教は、WPI は研究開発設備が整い、優れた的には血 液 検 査などへの応 用が考えられる。 さらに羽の表面構造から学んだ。この表面は“表面自由エネ

小さな水滴が規則正しく並んだ状態のままで高分子を研究開発環境を備えていることに満足している。ただ「MEMS（Micro Electro Mechanical Systems、微ルギー”という表面が他のものと作用する力（正確には固まらせた後に、水滴を蒸発させると、水滴の跡としし、WPI には厳しい決まりもある。助教という若手研小電子機械システム）デバイスや電池をつくる際の精エネルギー）が小さい特殊な表面構造になっており、て微細な球状の穴が並ぶハニカム膜に仕上がる。現在、究者といえども、自分の研究開発テーマ向けの研究費

密加工や、ある表面にセルフクリーニングする機能を

水滴をはじく。

富士フイルムがこの自己組織化ハニカム膜の実用化をは自分で獲得しなければならないルールだ。このため、持たせるなどの親水・撥水加工などへの応用も見込ま「ゴミムシダマシ」という昆虫の背中にも着目した。

図っている。

WPI の若手研究者は文部科学省傘下の独立行政法人

れている」と石井助教は説明する。

この昆虫の背中に生えた微細な毛は親水性と超撥水性

石井助教は微細な球状の穴が並ぶ自己組織化ハニカ

日本学術振興会（JSPS）の科学研究費補助金をはじめ意外と大きな市場が期待できそうなのが、空気中のの部分が混在し、超撥水性部分で水滴をつくり、親ム膜を水平面で上下半分ずつに割り、その下側半分のとする研究費の申請に余念がない。この研究費獲得は蒸気を水分として捕捉する用途だ。石井助教の恩師で水部分で水滴を捕獲する機能を持つことで有名だ。同膜にさまざまなメッキを施した。メッキという加工法研究者として避けては通れない試練の場である。このある下村政嗣教授は「砂漠などの昼と夜の気温差を利様に、両生類のヤモリの手足裏側にも注目した。微細を選んだ理由は「確立され、広く普及された基盤技術

競争環境によって鍛えられていく。

用し、湿気を含む空気から水分を捕捉する用途を考えな突起物が複雑に生えた、親水性と超撥水性の部分なので加工コストが安いなどの利点が多いから」という。

ている」という。実用化が近いと見込まれているようだ。

が混在する構造を備え、水滴を移動させる機能を持っ自己組織化ハニカム膜にいろいろな精密メッキを施ている。

生体の高機能性を目指し
親水性と撥水性を高度に利用
石井助教の研究開発テーマはバイオミメティックス

し、多くの応用技術を確立した。球状の穴内部に薄石井助教は撥水性を示す疎水性の微細構造に、親いメッキ層をつくり、この上下を逆さまにすると、小水性の微細な部分を組み合わせ、その親水性の機能のさな金属ドームが並んだ微細構造ができ上がる（図 2）。

強弱を外部からの刺激で制御させる研究開発に取り組

この金属ドーム表面は親水性や吸着性を示す。さらに、
金属ドームの間にできた高分子の突起ピラー表面に疎反転
ハイブリッド表面の吸着力

金属ドーム

高分子ピラー

水性・撥水性の機能を付与した。最先端のナノテクノ
ロジーを高度に駆使し、微細な構造を持つ表面をつく
り上げることに成功した。
金属ドームと突起ピラーのそれぞれの表面に親水性や疎水性を与えた微細構造をつくり上げた石井助教は、電気エネルギーを与えることで水滴などの吸着力を精ハイブリッド表面

密に制御する技術を確立した。これが液滴を精密に操

水滴にかかる重力
液滴との親和力

図 1 ●「ハイブリッド表面」の親水性と撥水性を制御し、液滴を精密に操作する模式図

12作する技術の基本になった。

図 2 ●ハイブリッド表面の一例。金属ドーム（直径数μ m）に親水性・吸着性の機能を持たせ、突起ピラーに疎水性・撥水性の機能を持たせた

13

東北大 WPI「高分子の本質を解明します」
原子間力顕微鏡の工夫がカギ
中嶋健 准教授（注）＊原子間力顕微鏡（Atomic Force Microscope; AFM）は、先端が鋭い針状のプローブ（探針）を試料表面に沿って平行に動かす走査型プローブ顕微鏡（SPM）の一種。プローブを試料表面に接触させるコンタクトタイプでは、プローブ先端の原子と表面の原子との微小な引力による変形を測定する。この引力が一定になるようにプローブを上下し、一定値を保つように
水平方向にプローブを動かすように制御する。制御信号値から像を作成する。非コンタクトタイプもある。

な現象が起こるメカニズムを解くことができそうになっは、“釣り”に似ている。このため、この計測実験を「ナてきた。これは原子間力顕微鏡によって、高分子のナノフィッシング」と名付けている。
「実験を 1 日やって

「ゴム弾性」という言葉で直感的に分かるように、ゴ

ナノ力学物性を解明している点にある。原子間力顕微

ノ力学物性を観察したからこそできた大きな研究成果

も、1 本も釣れない時もある」と中嶋准教授は苦笑する。

ムはよく伸び縮みする。一見、当たり前のことのよう鏡は、針形状のプローブを試料表面に接触させる。原である。

この計測実験は「高分子物理学の基礎となる高分子鎖に思えるが、ではそもそもゴムはなぜ伸縮するのだろう

理的には、接触した試料表面の接触部分の一番近くか。実はそこには深い謎がある。

て上にある原子 1 個と針の先端の原子 1 個とが“原子

ゴムは大まかにいえば、微細な細長い高分子が“束状”に集まったものだが、この構成要素の高分子 1 本に着間力”で引き合う時の力を計測し、その表面の微視的な性質を調べる計測機器である。

試料やプローブを工夫し
高分子 1 本を釣り上げる
中嶋准教授は有機材料を構成する鎖状の高分子そ

1 本の統計力学を検証できる実験手法を手に入れたことになる」と説明する。計測する高分子鎖によっては、プローブを化学修飾したり、基板を金にしたりと、さまざまな工夫を施した実験手法が必要になっている。

目すると、「ゴムはもっと伸び縮みをしてもよさそうな

最も多く観察されているのは、試料表面の原子レベのものを直接観察したいと考えた。これを実現するにものだが」と、東北大学 WPI の中嶋健准教授はいう。

ルでの凹凸の地図だ。このため、原子間力顕微鏡で観は、試料やプローブの針先端にさまざまな工夫を施す

ゴムは、ある程度の大きさの“巨視的な”動きの解明と、察する試料は、硬くて弾性変形しないものが適していことが必要になった。まず、高分子の鎖の両端にあるゴムを構成する高分子レベルの“微視的な”動きの解明

ることになる。これに対して、中嶋准教授は表面が軟

化学基を変化させる工夫を加え、基板やプローブ先端はそれぞれ進んでいるが、「両者をつなぐ部分があまりらかい高分子を試料に選んだ。このため、プローブのに“結合”する“加工”を施す。

解明されていないのが実情」（中嶋准教授）なのである。

針が当たった高分子表面は弾性変形してしまい「本当たとえば、ポリスチレンの高分子鎖の両端に「チオー大学の助教として研究していた。この東工大時代から、

中嶋准教授の研究テーマは「高分子のナノ力学物性の表面の凹凸は分からなくなる可能性が高い」という。

ル基」を結合させる化学反応の操作を行う。この加工

高分子のナノ力学物性の研究を本格的に始めている。

の評価」である。プラスチックやゴムなどの有機材料の

しかし、プローブの針の先がまるでマッサージ師のした高分子鎖を基板の上に吸着させる。高分子鎖の逆「博士課程まで在籍した東京大学大学院工学系研究科

ヤング率や変形する時の挙動などを解明し、有機材料

指先のように触診として接しているとも考えるとこの問側の端のチオール基を狙ってプローブを近づけ、プローの時には、原子間力顕微鏡を手づくりし、ナノフィッを構成する高分子とは本質的に何かを追究するものだ。

題は打開できる。中嶋准教授は、原子間力顕微鏡のブ先端にチオール基を吸着させることができれば、基シングの実験をしたことがあった」と懐かしむ。あの当プローブで試料表面が軟らかいものを“ナノ触診”とし板とプローブの間に張った高分子鎖 1 本の力学物性を時に比べれば、「 最 新の高 性 能な実 験 装 置を使えるて観察すると、硬い部分と軟らかい部分の地図がつく

直接測定できる。基板とプローブ先端に高分子鎖の端

WPI は優れた研究環境と感じている」という。その分、れるなどの活用ができると考えた。

を吸着させているので、プローブをゆっくり引き上げ高分子の本質に迫る独創的な研究開発に精力を傾けてれば、高分子鎖の弾性などの動きを測定できる。

いる。

マッサージ師のような“ナノ触診”で軟らかい表面を観察
中嶋准教授の研究スタイルの特徴は、原子間力顕＊微 鏡 （Atomic Force Microscope, AFM）を用いてさまざまなゴムやプラスチックなどの有機材料を試料として観察した。たとえば、ポリスチレン・ポリイソ

学生時代は原子間力顕微鏡を手づくり
中嶋准教授は 2008 年 4 月に東北大 WPI に異動を志願し、採用された。その前は、2003 年から東京工業

プローブで高分子鎖の端の化学基を吸着させる行為

ブチレン（PS/PIB）やアクリロニトリル・ブタジエン・
スチレン（ABS）などの硬い相と軟らかい相が混じった

（a）

（b）

ポリマーアロイの表面を観察すると、硬い部分と軟らかい部分の地図が描けた。この結果、そのポリマーアすることに成功した。
中でも興味深かったのは、非粘弾性を示すポリアミド（PA、ナイロン）の中にポリオレフィン系が混じったポリマーアロイだ。原子間力顕微鏡で観察した結Height / nm

凝着エネルギーなどのナノ構造の地図（像）を多数観察

果、軟らかいゴム状の高分子がしみ出してできた“中間相”がネットワークをつくっていることを見い出した

Young’s modulus / GPa

ロイのみかけの凹凸、変形量、弾性率（ヤング率）、のだ（図 2）。このポリマーアロイは、高速で変形させ
図 1 ●主力の計測機器の原子間力顕微鏡（AFM）

14

ると、軟らかくなる不思議な現象を示す。その不思議

図 2 ●ポリアミド／ポリオレフィン系のポリマーアロイの観察像。（a）高さ像、（b）ヤング率像

15