材料の機能と創製プロセスについての基本的原理・法則を理解し、いかなる材料の開発も行うことができるよう、材料全般に関して広く授業は行われます。
どのように材料を有効に利用するか

構造
どのように材料の機能を引き出すかどのように材料を作り出すか

機能

性能
材料はどのような性質を持っているか

環境
どのように材料を廃棄・再利用するか

2

実験と計算機シミュレーションを併用しミクロ組織形成の要因を明らかにする。

材料の組織は決定論的には決まらない。
カオス的な要素を含む。

NiAl

γ相（Ni固溶体）

オーステナイト系耐熱鋼

γ‘相（Ni3Al型規則相）

ジェットエンジン用
ニッケル基超合金

実合金組織
Ni基超合金の例
ガスタービン用超合金

ナノ・
ミクロ 基礎学問に根ざし組織 て実用構造材料へ
熱力学・物理学

フェライト系耐熱鋼

シミュレーションδGsys∂c= M∇ 2∂tδc
ミクロ組織の発展方程式

ミクロ組織の再現化学反応を利用した複合材料･ポーラス材料の創製
ミクロの粉末間の化学反応のエネルギーを利用して金属中でセラミックスを合成したり、空間を導入する技術の開発塑性(ソセイ)加工とは、金属などの材料にプレスなどの加工機械を使って大きな力を加え、特性と形状を変化させて目的の形状・機能をもった製品に成形するプロセスです。
鍛造、プレス成形、圧延、せん断など様々あり、材料の損失が少なく、成形速度も速いので多くの工業製品に利用されています。研究室では、塑性加工を利用した高精度製品や高機能部品の製造プロセスの開発、特性・欠陥発現メカニズムの解明をCAE（計算機シミュレーション）を積極的に利用して行っています。

サーボプレス

前後方押出し鍛造による中空部品の成形（計算機シミュレーション結果）

正極

負極表面SEM像

負極表面SEM像

負極

1 µm

1 µm

亜鉛の不均一析出の顕微鏡像（電池の短絡の原因となるデントライト）

らせん状に成長したSiC結晶

DNAを被覆したナノ粒子
髪の毛より細い窒化アル
ミニウム単結晶
脂質二重膜

結晶化

結晶成長メカニズムを解明し析出を制御する

フィラー

従来フィラー樹脂
理想樹脂

100 nmDNAによる粒子間結合

高アスペクト比のフィラーを使用することでフィラー同士が接触する確率を増加し、熱伝導率を向上させる。

シリコン系新材料創製

シリサイド関連物質

ヘテロ

ボトムアップ・トップダウンプロセスの融合

Siベースナノ構造・ナノデバイス

Si1-xCx

バルク

薄膜・ナノ

組織・欠陥・不純物・歪みの制御

表面界面の制御

10 mm

50 µm50 mm

超高品質シリコンバルク結晶

ホモ

大粒径シリコン薄膜結晶

500 nm

Siナノワイヤー

資源が豊富なシリコンをベースとする材料イノベーションにより次世代高性能太陽電池やULSIデバイスの創製へ

環境を守る触媒材料

当研究グループでは，物質・材料の構造変化やマクロな性質の起源を原子・電子構造のレベルから解明するとともに，それに基づいて，これまでにない新しい材料の設計と開発を行っています．

環境に優しい燃料電池
e-Loade-PtOTi

理論計算により得られたTiO2 表面上の活性金属の吸着構造および電子構造○ 酸化チタン表面上における貴金属元素の原子レベル吸着機構解明とその触媒特性

高齢化社会を担う生体材料
H2O

豊かな未来を作るナノテクノロジー
Ca2+

Fuel (H2 gas)
2H2  4H+ + 4e-

O2

Air (O2 gas)

OH[1120]

CO32-

O2 + 4H+ + 4e-  2H2O

燃料電池の仕組み（電解質にプロトン伝導体を使用）

次代のクリーンエネルギー社会へ向けて，燃料電池の高性能化が望まれています．H+ やO2- イオンが高速伝導する電解質は，燃料電池の性能を決める重要因子のひとつです．
○ 理論計算に基づく新しいプロトン伝導性材料の設計および探索○ アパタイト型酸素イオン伝導体の伝導経路解析

7.49 nA

H+[0001]

PO43H2高機能触媒材料の開発により，有害物質の排出量を低減することが可能です．
原子・電子レベルでのミクロな視点から材料を捉えることで，機能の発現メカニズムが明らかとなり，さらなる特性向上の指針を構築することができます．

c
100nm

ba

（左）ハイドロキシアパタイト(HAp)のナノ粒子（右） HAp中への炭酸イオンの侵入形態（左）透過電子顕微鏡で観察したナノ細線（右）原子間力顕微鏡によるナノ細線の電気伝導度測定結果

来るべき超高齢化社会において，人工関節や人工骨の機能向上は急務です．

ナノテクノロジーは新たな機能発現の可能性に満ちた魅力ある世界です．

○ カルシウムリン酸塩中への炭酸イオン固溶機構の解明○ 酸窒化処理チタン中の窒素固溶形態の解明○ 点欠陥・転位・粒界などの格子欠陥制御に基づく新奇機能性材料の開発○ 原子間力顕微鏡による局所物性評価

新しい電池には、自然エネルギーの有効利用、快適な生活の基盤技術、環境に優しい社会の構築、災害に強い街作り等 様々な分野への貢献が期待されています

ナノ集積工学で界面設計と制御→高性能化！

固体電解質が新しい電池開発への鍵！
メリットが多い ： 不燃性、液漏れなし、長寿命、高エネルギー密度、安全 etc….
課題が深刻 ： 固体-固体界面（電極-固体電解質、固体電解質-固体電解質）での反応抵抗が大きい。また、固体電解質を用いた電気化学現象には不明な点が多い。
研究のターゲット → 全固体リチウム二次電池、金属空気電池、ｅｔｃ
・固固界面での反応抵抗を低減する手法の開発。
・固固界面で起こる電気化学反応の基礎現象の解明。

太陽光

長時間発振が可能な小型太陽光レーザーを2次元に配列し、レーザー光の伝送性と小スポット性を活かし、室内などに置かれた単色光特性を強化した太陽電池と組み合わせ、砂漠、洋上など太陽電池の劣化が激しい環境における持続的太陽光発電を実現します。

Nd/Cr:YAG
セラミックロッド
レーザ媒質
1x1x5mm

太陽光

Φ50mm

小型太陽光励起レーザーユニット
室内

小型太陽光励起レーザー
ユニットの2次元配列

単色光効率の高い太陽電池

手のひらにのる
１００万気圧超高圧発生装置
沈む室温の氷一対のダイアモンドの間に物質を挟み荷重をかけることで超高圧を発生させるダ
イアモンドアンビル

水に浮かぶ
通常の氷

超高圧下では水より重たい室温の氷を作ることができる

冷たい液中プラズマ～反応場と材料合成～◇ソリューションプラズマ反応場◇材料合成
ナノクラスター

ソリューションプラズマの放電の様子

処理前
1～2nmのナノクラスター

 気/液界面での高密度、高速反応 様々な溶質との化学反応
 溶媒のプラズマ化・クエンチ過程による新規材料合成

極限サイズの精密制御◇ソリューションプラズマのメリット
ＳＰ

大口径多孔質カーボン
ナノクラスター担持カーボン
一括合成

次世代大容量電池の開発

グロー放電(低温)
反応速度 速処理後

環境低負荷、高速処理

アルギン酸塩水溶液中の金ナノ粒子
化学薬品不使用、良分散性

排気

軽量化

分散液を液添することで、コンポジット材料を作成

ガス、CO酸化触媒材料

液中放電

溶融混練
精密合成
反応速度 遅バイオ

CNTs強酸処理（6h）-> SP（30min）

◇応用技術
電池

溶液化学

表面改質

カーボン材料

アーク放電(高温)
反応速度 速正極材料
従来材料の1.5倍の容量

吸気マニフォールド

メソポーラスシリカ内にAg触媒を担持

ポリアミド強化樹脂
ガラス強化樹脂に対し、30%程度の軽量化

20nm
ナノ粒子の担持(内側)CO酸化触媒材料

光源加速器およびシンクロトロン光の利用
直線加速器

電子ビーム
生成ブースター
リング

加速

蓄積リング

蓄積

蓄積リング中の電子ビームシンクロトロン光放射

現代の錬金術＝廃棄物の安全で安心な再利用

溶融固化体
溶融固化体
廃電池
焼却灰
廃電池
焼却灰
汚染土壌
汚染土壌

飛灰
飛灰

塩化揮発
塩化揮発

電炉ダスト
スラッジ
電炉ダスト スラッジ
複合材料
Ａ
複合材料
ＡＳ
ＳＲ
Ｒ
廃電子機器
廃電子機器

組織制御
組織制御
浸出・抽出
浸出・抽出

フラックス処理
ックス処理
フラ
熱力学的解析
熱力学的解析

熱処理
熱処理

精製
精製

再資源化
溶出制御
溶出制御

安定鉱物化
安定鉱物化
挙動解析
挙動解析
分離・分割が困難な混合物・複合物● 環境に有害で難処理の廃棄物● 有用資源を含む廃棄物

機能制御
機能制御

無 害 化

評価・分析
評価・分析
■再資源化・無害化処理プロセスにおける処理条件と材料特性との相互関係に関する基礎的研究、及び処理技術の研究・開発

廃棄物のリサイクリング？

どうやって？？？
OK

ガラスビンをそのまま再利用できるものは簡単

ガラスビンにこういうのも廃棄物なんだね

だめ！

灰を灰に

そのまま使えないものは工夫が必要

石炭灰

石炭灰

ではどうするか？ ひとつの解決方法として・・・
廃棄物を鉱石と同じように原料として使う
具体的には、灰を素材に石炭灰・違う種類の廃棄物同士の化学反応を利用して素材元素を別々に分けて取り出す！
・灰（石炭灰，火山灰）から太陽電池の素材になるシリコンを取り出す！ etc・・・