エネルギー

エネルギー・資源回収、排水・廃棄物処理

耐性微生物群集の導入による嫌気性消化のアンモニウムおよび塩分による阻害の緩和
工学研究科

環境エネルギー工学専攻教授 池 道彦

准教授 井上 大介

https://researchmap.jp/ikemichi
https://researchmap.jp/DaisukeINOUE

研究の概要

エネルギー

嫌気性消化によるメタン回収は、処理対象とする廃棄物、排水中に存在するさまざまな因子により大幅に減少するが、特に高濃度のアンモニウムおよび塩分は重要な阻害因子と認識されており、その阻害効果の緩和技術の開発が望まれている。本研究では、嫌気性消化において高濃度のアンモニウムや塩分により阻害を受けやすい微生物反応を解明するとともに、高濃度のアンモニウムや塩分に耐性を示す嫌気微生物群集を構築し、それらを嫌気性消化プロセスに導入することにより（バイオオーグメンテーション：bioaugmentation）その阻害効果を緩和し、阻害因子の存在しない系と同等の効率でメタン生成を行える技術を確立した。

▍

論

88

バイオガス
（メタン）

生ゴミ

嫌気性消化槽
畜産廃棄物

排水・下水汚泥

嫌気性消化による有機性廃棄物・排水からのバイオガス（メタン）回収【アンモニウム/塩分による嫌気性消化阻害】研究の意義と将来展望【バイオオーグメンテーションによる阻害緩和】
バイオオーグメンテーション（耐性微生物群集の導入）

生分解性有機物（炭水化物、タンパク質、脂質等）

生分解性有機物（炭水化物、タンパク質、脂質等）

加水分解/酸生成細菌

モノマー／オリゴマー

本技術により、嫌気性消化による処理−メ
タン回収の対象を、高濃度のアンモニウムや塩分を含む廃棄物や排水にまで拡大することができるようになり、環境保全の高度化や循環型社会・脱炭素社会の構築に大きな貢献をもたらすことが期待される。後続研究においては、アンモニウム、塩分以外の嫌気性消化の阻害因子に関しても、耐性微生物のバイオ
オーグメンテーションによる阻害緩和の可能

特性を見出しており、本技術により嫌気性消化が適用できる廃棄物・排水の範囲をさらに拡大し得るものと考えている。現在は本技術を実規模の施設へ適用するためのスケールアップ研究を進めている。

モノマー／オリゴマー（単糖、アミノ酸、高級脂肪酸等）（単糖、アミノ酸、高級脂肪酸等）

Key Population
酪酸、プロピオン酸等
ホモ酢酸
生成細菌

阻害

酪酸、プロピオン酸等
水素生成性
酢酸生成細菌

H2 + CO2酢酸

酢酸利用性
メタン生成古細菌

CH4 + CO2

H2 + CO2

酢酸

酢酸酸化細菌

酢酸酸化細菌
水素利用性
メタン生成古細菌

CH4 + CO2
Key Population

高濃度アンモニウム / 塩分による嫌気性消化反応の阻害と、耐性微生物群集の導入（バイオオーグメン
テーション）による阻害の緩和

許LuongVanDucetal.Identidficationofkeystepsandassociatedmicrobialpopulations
forefficientanaerobicdigestionunderhighammoniumorsalinityconditions.
BioresourceTechnology.2022,360,127571.doi:10.1016/j.biortech.2022.127571
文 LuongVanDucetal.Bioaugmentationwithmarinesediment-derivedmicrobial
consortiainmesophilicanaerobicdigestionforenhancingmethaneproductionunder
ammoniumorsalinitystress.BioresourceTechnology.2023,360,128853.
doi:10.1016/j.biortech.2023.128853

参 考 U R L http://www.see.eng.osaka-u.ac.jp/seewb/seewb/ikelab/
キーワード 嫌気性消化、アンモニウム／塩分阻害、耐性微生物群集、バイオオーグメンテーション

エネルギー

エネルギー変換、カーボンニュートラル、グリーントランスフォーメーション

高速・高選択 CO2 電解還元系の多階層横断的設計
基礎工学研究科

附属太陽エネルギー化学研究センター

准教授 神谷 和秀

https://researchmap.jp/kamiya0908

研究の概要
水溶液系での電気化学的手法による CO2還元反応は、クリーンかつ常温常圧で進行することから、CO2の資源化技術として大きな注目を集めている。本技術の社会実装に向けては高速かつ高選択で反応系を駆動させる必要がある。我々は CO2電解の反応場である三相界面を構築する電極触媒などの各要素を適切に選択・配列することで、1A/cm2を超える
電流密度で C2以上の有機化合物やギ酸を高選択的に合成することに成功した。

CO2電解に活性を決定する因子は触媒・電エネルギー▍ 研究の意義と将来展望

極・電解槽など多階層にまたがって複数あげられる。しかし、従来の多くの研究は各要素のみにフォーカスしたものであり、それぞれをいかに全体調和的に機能させるかといった研究はほとんど行われてこなかった。一方、
我々はこれらの各要素を適切に選択・配列することで、それらを調和的に機能させ、各構成材料のポテンシャルを最大限に発揮させるといった思想に基づき研究を進めることで、世界最高クラスの反応速度を達成することに成功した。本研究で扱ったようなミクロから
マクロスケールまで多階層横断的視点での設計は、今後のエネルギーデバイスの開発において基盤的方針になると考えられる。

CO2電解系の多階層横断的設計
特論

許Inoue,Asato;Nakanishi,Shuji;Kamiya,Kazuhideetal.Ultra-high-rateCO2reduction
reactionstomulticarbonproductswithacurrentdensityof1.7A/cm2inneutralelectrolytes.EESCatalysis.2023,1,9–16.doi:10.1039/D2EY00035K
Liu,Tengyi;Nakanishi,Shuji;Kamiya,Kazuhideetal.Atinoxide-coatedcopperfoam
hybridizedwithagasdiffusionelectrodeforefficientCO2reductiontoformatewitha−2
文 Currentdensityexceeding1Acm .Small.2022,18,2205323.
doi:10.1002/smll.202205323
Kato,Shintaro;Nakanishi,Shuji;Kamiya,Kazuhideetal.Selectiveandhigh-rateCO2
electroreductionbymetal-dopedcovalenttriazineframeworks:Acomputationaland
experimentalhybridapproach.ChemicalScience.2023,14,613–620.
doi:10.1039/D2SC03754H

参 考 U R L https://rcsec.osaka-u.ac.jp/nakanishilab
キーワード CO2電解、カーボンニュートラル、マルチスケールシミュレーション、人工光合成

89

エネルギー

ナノテクノロジー、エネルギー

粗水素を直裁使う分子技術
工学研究科

附属フューチャーイノベーションセンター

准教授（若手卓越教員）星本 陽一

https://researchmap.jp/YHoshimoto/

研究の概要

エネルギー

我々は、粗水素中の H2 を予め分離することなく、直接的に有機化合物の触媒的水素化に利用する技術を世界で初めて実現しました。
本研究成果により、既存の H2 精製プロセス（エネルギー消費および副次的な CO2 発生、H2損失が多い）に依存しない革新的な有機ハ
イドライドシステムの構築が原理的に可能となり、将来的には安価で競争力の高い H2 の生産・供給を可能にすると期待できます。また、「粗水素」という、これまで直接的に利用されてこなかったフィードストックの積極的な活用を促すことも期待できます。さらに、複数のガス成分が混在する「夾雑ガス系にお特論

ける分子変換化学」という新たな研究分野を開拓する点は波及効果が大きいと考えています。貴金属に依存した従来の触媒設計指針から脱し、典型元素化学種の特異な反応性を最大限に活用する分子材料設計は、元素戦略の観点からも、資源が乏しい我が国にとって極めて重要です。

▍ 研究の意義と将来展望
本研究成果により、既存の H2 精製プロセスに依存しない革新的な有機ハイドライドシ
ステムの構築が原理的に可能となり、将来的には安価で競争力の高い H2 の生産・供給を可能にすると期待できます。

許 特許第7079696号、特願2023-95773、特願2023-185532
Hoshimoto,Yoichietal.MaingroupcatalysisforH2purificationbasedonliquid
文 organichydrogencarriers.Sci.Adv.2022,8,eade0189.
doi:10.1126/sciadv.ade0189

http://www.chem.eng.osaka-u.ac.jp/~ogoshi-lab/hoshimoto/wp/
参 考 U R L https://resou.osaka-u.ac.jp/ja/research/2022/20221027_1
https://xtech.nikkei.com/atcl/nxt/column/18/02122/00123/?n_cid=nbpnxt_twbn

90

キーワード 水素、粗水素、水素貯蔵、水素精製、触媒

ものづくり技術

創薬、分子触媒、機能性分子

パラジウム触媒を用いたシクロブタノンの直截的骨格再配列反応
工学研究科

応用化学専攻助教 阿野 勇介

https://researchmap.jp/yusukeano

研究の概要
医薬品やプラスチック、色素など、有機化
合物は様々な場面でわれわれの生活を支えています。望みの有機化合物の合成は、多くの場合入手容易な出発原料に対して別のパーツを逐次的につなげることで進めていきます。
これに対して、有機化合物の骨格をなす炭素−炭素結合を切断して別のパーツに置き換えることができれば、全く異なる骨格をもつ分子を一段階で合成することができます。本研
究ではパラジウム触媒を用いることで、環状ケトンのひとつであるシクロブタノンの炭素−炭素結合が切断され、骨格再配列反応が進行することを見いだしました。
ものづくり技術▍ 研究の意義と将来展望
遷移金属触媒を用いた炭素−炭素結合の切断を含む有機合成反応は古くから研究されています。シクロブタノンの骨格再配列反応も数例報告されていますが、反応の足掛かりとなるハロゲンやホウ素、ピリジン環などをあらかじめ出発原料に導入しておく必要がありました。本手法では、N - ヘテロ環状カルベン（NHC）を配位子とするパラジウム触媒を用いることで、反応の足掛かりとなる部位を持たない単純なシクロブタノンをインダノ
ンに直接変換することができます。本手法は炭素−炭素結合の切断と変換を実現する新しい触媒であり、炭素循環型社会を支える合成技術として期待されます。

特論

パーツを順番につなげていくため多くの合成工程が必要

炭素－炭素結合切断をともなう合成法
炭素－炭素結合：有機分子の骨格の大部分を占める分子骨格の一部を切り開いてパーツをつなげることで短工程化
図１
図1炭素－炭素結合切断を利用する合成戦略
炭素−炭素結合切断を利用する合成戦略

本研究の概要

シクロブタノン

炭素－炭素結合と炭素－水素結合をともに切断して骨格を組み替える合成手法を開発

1ｰインダノン
従来法：
反応の足掛かりとなる置換基の導入が必要
本手法：
単純なシクロブタノンから1-インダノンに直接変換可能図２ 本研究：パラジウム触媒による骨格再配列反応
図2
本研究：パラジウム触媒による骨格再配列反応

許Ano,Yusuke;Takahashi,Daichi;Chatani,Naotoetal.Palladium-catalyzedskeletal
文 rearrangementofcyclobutanonesviaC-HandC-Cbondcleavage.ACSCatalysis
2023,13(4),2234–2239.doi:10.1021/acscatal.2c06389

参考URL

92

一般的な合成法

キーワード パラジウム触媒、シクロブタノン、骨格再配列反応

ものづくり技術

次世代ヘルスケア、農業IoT、建設テック

超柔軟・高透明エレクトロニクス創成の研究
産業科学研究所

先進材料実装研究分野

准教授 荒木 徹平

https://researchmap.jp/teppei_araki

研究の概要
本分野は、ナノ・マイクロ材料の設計により多機能な先進材料を創出し、新規電子デバ
イスの構築と、デバイス物性の発現機構の探究を行っています。また、新規電子デバイスを集積実装するフレキシブルエレクトロニク
スに関する研究を推進し、地域社会の課題解決を導くための応用研究にも取り組んでいます。全く新しい価値やエレクトロニクス・シ
ステムを創造し、さらには社会システム変革（人 / 農業 / インフラ分野などのヘルスケア）を引き起こす機序を紐解いていくなど、異分野連携を積極的に推進しています。先進材料のエレクトロニクス実装から社会実装までの幅広い展開を興すことに挑戦しています。

フレキシブル・ハイブリッド・エレクトロニクス（FHE）に必要な印刷配線板を多機能化・高性能化する研究開発を通じて、人 / 農
業 / インフラ分野にむけたヘルスケアセンサ
システムへの応用研究を行っております。特に、有機・無機ナノ材料を中心とする伸縮導体材料を、有機デバイスへ集積実装すること
で、薄膜・柔軟・透明なシート型センサの構特論

Fig.1(CopyrightpermissionfromAdv.Mater.Technol.)
ものづくり技術▍ 研究の意義と将来展望築を目指してます。人肌のような柔軟性や、水のような透明性を発現し、専門家でなくても明確に観察をすることが可能な電子デバイスの開発を行うことにより、生活に溶け込む
次世代パーソナルセンサの基盤技術を構築してます。

Fig.2(CopyrightpermissionfromAdv.Sci.)

許 特許第6889941号、特許第6865427号、特許第6832535号
Araki,Teppei;Li,Kou;Suzuki,Daichietal.Broadbandphotodetectorsandimagersin
stretchableelectronicspackagingtowardconstructionofcyber-physicalsystems,Advanced
Materials2023,2304048.doi:10.1002/adma.202304048
Takemoto,Ashuya;Araki,Teppei;Nishimura,Kazuyaetal.Fullytransparent,ultrathinflexible
organicelectrochemicaltransistorswithadditiveintegrationforbioelectronicapplications,
AdvancedScience2023,10(2),2204746.doi:10.1002/advs.202204746
文 Araki,Teppei;Yoshimoto,Shusuke;Uemura,Takafumietal.Skin-liketransparentsensorsheet
forremotehealthcareusingelectroencephalographyandphotoplethysmography,Advanced
MaterialsTechnologies2022,7(11),2200362.doi:10.1002/admt.202200362
Araki,Teppei;Uemura,Takafumi;Yoshimoto,Shusukeetal.Wirelessmonitoringusinga
stretchableandtransparentsensorsheetcontainingmetalnanowires,AdvancedMaterials
2020,32(15),1902684.doi:10.1002/adma.201902684

参 考 U R L https://www.sanken.osaka-u.ac.jp/organization/srp/srp_02_05/
キーワード ナノ・マイクロ材料、フレキシブル ･ エレクトロニクス実装、センサシステム

93ものづくり技術

先端材料、先端電気電子デバイス、生命科学

超高安定・長時間測定可能な
超解像ラマン顕微鏡
高等共創研究院／工学研究科

物理学系専攻講師 馬越 貴之
工学研究科

https://researchmap.jp/TakayukiUmakoshi

物理学系専攻教授 バルマ プラブハット

研究の概要

ものづくり技術

近接場ラマン顕微鏡は、金属探針の先端に生成した微小な近接場光を用いて、ナノスケー
ルの空間分解能（約10nm）で試料の化学結合状態などをラマンイメージングできる顕微法である。本研究では、超高安定・長時間測定可能な近接場ラマン顕微鏡を開発した。従来は機械的なドリフトによって測定時間が30分程度に制限されていたが、このドリフ
トを自動補正する機構を開発することによって、原理上永遠にイメージング可能な近接場
ラマン顕微鏡を実現した。実際に、先端二次
元材料 MoS2（二硫化モリブデン）を6時間にわたって広範囲・高精細にイメージングできることを示した。

https://researchmap.jp/Verma_Prabhat?lang=ja

顕微鏡として、先端材料から生命科学まで様々な分野に貢献し得る成果である。

超高安定・近接場ラマン顕微鏡の概要図▍ 研究の意義と将来展望
従来は測定時間の制限から、非常に狭い範囲しか観察できなかったが、高安定・長時間
イメージングにより、例えばマイクロサイズの半導体トランジスタを、デバイススケール
で網羅的にイメージング・分析できるようになる。加えて、ラマン信号が弱くそもそもイ
メージングが不可能だった生体試料なども、観察できるようになる可能性がある。そもそも、安定的に再現良く測定できるようになる
ため、装置としての実用性を大きく向上する
ことができた。真に実用に足る超解像ラマン
特論

６時間かけて取得した MoS2の大面積・超解像ラマ
ンイメージ

許

Kato,Ryo;Moriyama,Toki;Umakoshi,Takayukietal.Ultrastabletip-enhanced
heperspectralopticalnanoimagingfordefectanalysisoflarge-sizedWS2layers.
ScienceAdvances2022,8,eabo4021.doi:10.1126/sciadv.abo4021
文 Umakoshi,Takayuki;Kowashima,Koji;Moriyama,Tokietal.Tip-enhancedRaman
spectroscopywithamplitude-controlledtapping-modeAFM.ScientificReports2022,
12,12776.doi:10.1038/s41598-022-17170-7

参 考 U R L http://naspec.ap.eng.osaka-u.ac.jp/jp/index.html

94

キーワード 近接場光学顕微鏡、ラマン分光法、超解像ラマン顕微鏡

ものづくり技術

軽量構造における異材摩擦撹拌
接合技術の可視化研究
接合科学研究所

機能評価研究部門

特任講師 ゲン ペイハオ
教授 麻 寧緒

https://researchmap.jp/phgeng
https://researchmap.jp/ma.ninshu

研究の概要
異材摩擦攪拌（FSW）の固相接合条件を適 正 化 し、接 合 品 質 を 向 上 す る た め に は、FSW 過程における発熱・熱伝導・熱伝達と異材界面の塑性流動を可視化し、接合メカニ
ズムを解明することは、極めて重要である。
本研究では、Al 合金 /CFRTP、Al 合金 / 高
張力鋼を対象とした異材 FSW 接合プロセスに対して、高度な数値シミュレーションモデ
ルを開発し、接合現象を再現すると共に、接合部のマイクロ組織と機械的特性の相関関係を明らかにした。

Figure1FrictionspotjoiningofAl/CFRTP

ものづくり技術▍ 研究の意義と将来展望
数値解析手法と実験測定技術を活用して接合メカニズムを解明し、異材 FSW 接合条件を適正化することにより、接合継手の性能向上を図る。さらに本技術の適用により輸送機
器の構造軽量化の接合課題を解決し、製造時や 使 用 時 の エ ネ ル ギー 消 費 量 を 低 減 し、SDGs に貢献する。
Figure2FrictionstirlapweldingofAl/steel

特論

許 特願2021-179991
Geng,Peihao;Ma,Hong;Li,Weihaoetal.ImprovingbondingstrengthofAl/CFRTP
hybridjointthroughmodifyingfrictionspotjoiningtools.CompositesPartB:
Engineering.2023,254,110588.doi:10.1016/j.compositesb.2023.110588
文 Geng,Peihao;Ma,Yunwu;Ma,Ninshuetal.Effectsofrotationtool-inducedheatand
materialflowbehaviouronfrictionstirlappedAl/steeljointformationandresultant
microstructure.InternationalJournalofMachineToolsandManufacture.2022,174,
103858.doi:10.1016/j.ijmachtools.2022.103858

参考URL

キーワード 摩擦撹拌接合、異種接合、軽量合金、数値シミュレーション

95ものづくり技術

医療・ヘルスケア、機能性食品、工業原料

ベンサミアナタバコによる機能性トリテルペノイドのオンデマンド異種高生産
工学研究科

生物工学専攻准教授 關 光https://researchmap.jp/read0152753

研究の概要を明らかにしています。そのため今後、様々な機能性トリテルペノイドの生産に同手法を適用することが可能です。植物機能性トリテ
ルペノイドには材料植物における含有量が非常に低いものや、希少な植物にしか含まれず
野生植物の採取による環境破壊が懸念されているものなどが多く存在します。そのため、本研究を発展させ、環境にやさしく持続的な機能性トリテルペノイドのオンデマンド生産システムの構築と生産実証を行い、企業との 主要図表1(事
事 務 局 にて 編 集 )共同研究を通して社会実装に繋げたいと考えています。

ものづくり技術

ロコモティブシンドローム（運動器症候群）
は、加齢に伴う筋力の低下や関節の病気など
により運動器の機能が衰えて、要介護になるリスクが高い状態とされています。オリーブ
果実に含まれる微量成分のマスリン酸（植物
トリテルペノイドの一種）には、ロコモティ
ブシンドローム予防効果が確認されておりサ
プリメント（機能性表示食品）としても販売されています。私たちは、ベンサミアナタバ
コ葉へのアグロ浸潤法（植物細胞に外来遺伝子を導入する能力を持つ土壌細菌であるアグ
β-amyrin
CYP716C53
CYP716A12
synthase (bAS)
ロバクテリウムを葉組織に注入して外来遺伝
子を発現させる手法）を用いてマスリン酸合成に関わる酵素群を大量発現させました。そ
C-28
C-2α
の結果、オリーブ果実の約20倍に匹敵するマ
maslinic acid
2,3-oxidosqualene β-amyrin
oleanolic acid
主要図表2
スリン酸（約27mg/g 乾重）含有量をアグロ
図1.ベンサミアナタバコ葉に構築したマスリン酸
浸潤後1週間で達成することに成功しました。図1．ベンサミアナタバコ葉に構築したマスリン酸生合成経路
生合成経路

▍ 研究の意義と将来展望

本研究で、ベンサミアナタバコ葉での一過的な生合成酵素の大量発現により短期間でオリーブ由来の希少な健康機能性成分であるマスリン酸の高生産が可能であることを実証しました。私たちは、マスリン酸以外にも生薬である甘草に含まれるグリチルリチンなどの多くの機能性トリテルペノイドの生合成酵素

Figure 1 Engineered biosynthetic pathway of maslinic acid constructed in Nicotiana benthamiana leaves

tHMGR

bAS

CPR

Maslinic acid(maintaining skeletal muscle)

CYP716A12 CYP716C53

Engineered pathway
A

B

I

J

K

C D

E

F

図2.アグロ浸潤法による一過的なマスリン酸生合
成経路構築のスキーム
図2．アグロ浸潤法による⼀過的なマスリン酸⽣合成経路構築のスキーム
Figure 2 Schematic representation of the agroinfiltration process to construct engineered pathway
of maslinic acid in N. benthamiana leaves

特

論

96

許

Romsuk,Jutapat;Yasumoto,Shuhei;Fukushima,EryOdetteetal.High-yieldbioactive
triterpenoidproductionbyheterologousexpressioninNicotianabenthamianausingthe
Tsukubasystem.FrontiersinPlantScience.2022,13,991909.doi:10.3389/fpls.2022.991909
Chung,SooYeon;Seki,Hikaru;FujisawaYukikoetal.Acellulosesynthase-derivedenzyme
文 catalyses3-O -glucuronosylationinsaponinbiosynthesis.NatureCommunications.2020,11(1):
5664.doi:10.1038/s41467-020-19399-0
Seki,Hikaru;Tamura,Keita;Muranaka,Toshiya.Plant-derivedisoprenoidsweeteners:recent
progressinbiosyntheticgenediscoveryandperspectivesonmicrobialproduction.Bioscience,
biotechnology,andbiochemistry.2018,82(6)927-934.doi:10.1080/09168451.2017.1387514

参 考 U R L http://www.bio.eng.osaka-u.ac.jp/pl/index.html
キーワード ファイトケミカル、機能性成分、サプリメント、薬用植物

ものづくり技術

デジタルツイン、CAEデザイン、鋼構造物、疲労寿命延伸

鋼構造物のデジタルツインによる寿命延伸技術の高度化：地震動を含む各種荷重に伴う繰返し弾塑性変形挙動と疲労損傷過程の高精度な予測技術
工学研究科

地球総合工学専攻

准教授 堤 成一郎

https://researchmap.jp/tsutsumi

研究の概要

図1 鋼製橋脚のデジタルツイン（地震時応答の繰
返し弾塑性 FEM シミュレーション）
ものづくり技術

我々の周囲にある大小様々な機械・装置・構造物に生じる損傷の80％近くは、力や変形が繰返し作用した結果として生じる “ 疲労 ”に起因するとされています。この各種材料からなる構造体が損傷するまでの過程を事前に、かつ正確に評価・予測できる手法を確立し、疲労損傷およびそれに伴う事故を未然に防止することは、豊かで安全かつ持続的な社会活動を営む上で、また各種産業分野において国際競争力を高める上で極めて重要な課題です。
この疲労損傷過程は、疲労亀裂の発生過程とその後の進展過程に分けて議論され、塑性論や破壊力学など複数の理論体系に跨る多くの予測モデルが提案されていました。我々は、各種材料からなる構造体の変形・応力状態を高精度・高効率に予測可能な数値シミュレー
ション（デジタルツイン）技術を開発するとともに、疲労亀裂発生から進展・破断までを統一して評価できる疲労性能評価手法を提案
しています。

計画の立案、また新設の構造物に対しては、維持コストを低減可能な強靭な構造や新材料の提案、さらに新たな長寿命化技術の開発など、多くの社会課題の解決に繋がると考えています。

▍ 研究の意義と将来展望
我々が開発を進めている構造物の変形・疲労破壊現象を対象としたデジタルツイン・数
値シミュレーション技術を活用することにより、例えば、老朽化が進む既存の各種インフ
ラ鋼構造物に対しては、合理的な補修・補強
特論

図2 DIC による最大主ひずみ分布計測結果（溶接継手の低サイクル疲労実験）

許Tsutsumi,Seiichiroetal.EffectsofweldgeometryandHAZpropertyonlow-cyclefatiguebehaviorof
weldedjoint.InternationalJournalofFatigue.2022,159,106683.doi:10.1016/j.ijfatigue.2021.106683
Fincato,Riccardo;Tsutsumi,Seiichiro.Numericalimplementationofthemultiplicativehyperelastic-based
extendedsubloadingsurfaceplasticitymodel.ComputerMethodsinAppliedMechanicsandEngineering.
文 2022,401,115612.doi:10.1016/j.cma.2022.115612
Fincato,Riccardo;Yonezawa,Takayuki;Tsutsumi,Seiichiro.Numericalmodelingofcyclicsoftening/hardeningbehaviorofcarbonsteelsfromlow-tohigh-cyclefatigueregime.ArchivesofCiviland
MechanicalEngineering.2023,23,164.doi:10.1007/s43452-023-00698-4

参 考 U R L https://scholar.google.co.jp/citations?hl=ja&user=Au48XfYAAAAJ
キーワード 繰返し塑性、材料モデル、有限要素法、疲労、亀裂発生進展

97

ものづくり技術

サステイナブルケミストリー、酵素工学、人工光合成

触媒概念の融合に基づく分子設計と持続可能な物質変換・材料開発
工学研究科

応用化学専攻教授 林 高史https://researchmap.jp/20190602_Sun▍ 研究の意義と将来展望
これまで化学およびバイオのそれぞれの分
野で独自に発展を遂げている触媒開発について、両分野の協働がさらなる大きなインパク
トを与えるものと期待される。本研究では、
主に化学とバイオの学際的な国際共同研究を通じて、図１に示すように最新の触媒技術を用いた物質変換と材料の開発を精力的に実施するとともに、触媒の学術的概念の融合を目
特

論

98

Computational
Data Science
Organic/Inorganic
Chemistry

Material
Science

BioTechnology

UnifiedCatalysis
Concept

CellularEngineering

Process
Engineering

図１ 触媒が果たす様々な分野とその触媒概念の融合!"#$%&'#()*+,-(.'(--*'(.

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ものづくり技術

本研究は化学（有機化学、触媒化学、錯体
化学、高分子）とバイオ（酵素工学、プロセ
ス工学、ゲノム工学、医工学）および計算科
学や機械学習を巻き込んだ学際領域において、触媒をキーワードとする物質変換や触媒設計、
化学エネルギーの生産技術開発等の開発を、
国際共同研究を主軸として実施するものである。化学とバイオが協働することによって、斬新な触媒の創製や持続可能な物質変換に寄与するプロセス開発に展開し、人工金属錯体
をタンパク質に埋め込む新しい生体触媒の創製や、データサイエンスを駆使した触媒設計
や酵素改変、遍在小分子から人工光合成による化学エネルギー源の生産、あるいは微生物と化学触媒を駆使した生体適合性材料の開発を実施する（図1）。

的としている。最終的な目標としては、化学
触媒とバイオ触媒の融合と触媒概念の統一を図り、バイオエコノミーな物質変換に寄与す
る触媒の開発と利用をめざすことにある。

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研究の概要

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図2 タンパク質と金属錯体を組み合わせた新しい
人工金属酵素の開発

許Kato,Shunsuke;Schwaneberg,Ulrich;Hayashi,Takashietal.EvolutionaryengineeringofaCp*Rh(III)complex-linkedartificialmetalloenzymewithachimericβ -barrelprotein
scaffold.J.Am.Chem.Soc.2023,145,8285-8290.doi:10.1021/jacs.3c00581
Oohora,Koji;Onoda,Akira;Hayashi,Takashi.Hemoproteinsreconstitutedwith
文 artificialmetalcomplexesasbiohybridcatalysts.Acc.Chem.Res.2019,52,945-954.
doi:10.1021/acs.accounts.8b00676
Kato,Shunsuke;Honda,Kohsuke;Hayashi,Takashietal.Chitin-andstreptavidinmediatedaffinitypurificationsystems:Ascreeningplatformforenzymediscovery.
Angew.Chem.Int.Ed.2023,62,e20230376.doi:10.1002/anie.202303764

参 考 U R L http://www.applied-bioinorganic.jp/jp/
キーワード 触媒、酵素、持続可能物質変換、化学エネルギー変換、バイオエコノミー

ものづくり技術

海洋構造物、化学プラント

二相ステンレス鋼の溶接熱影響部における孔食発生メカニズム
接合科学研究所

接合評価研究部門

助教 Hou, Yuyang

https://researchmap.jp/houyyjwri

研究の概要

図1 ステンレス鋼溶接金属部の機械的特性を向上させるδフェライト核生成のための TiN 形成を促
進する酸化物の同定(a) 核生成サイトの特性、(b)結晶方位関係と核生成機構

ものづくり技術

高能率埋もれアーク溶接による二相ステン
レス鋼溶接部の耐孔食性を検討したところ、
孔食は主に最高到達温度がフェライト単相域まで上昇する高温熱影響部（HT-HAZ）で発
生 し、そ の ほ と ん ど は、フェ ラ イ ト 相 の（Ti,Cr）N 近傍から発生することがわかりました。母材となる二相ステンレス鋼のチタン
含有量が50ppm以下であるにも関わらず、（Ti,Cr）N が析出し、この周囲に明確なCr
欠乏層は認められないものの、（Ti,Cr）N 表
面に不動態皮膜がほとんど形成されていない
ことが確認されました。以上のことから、
孔食は Cr 窒化物周囲に形成される Cr 欠乏層だけでなく、（Ti,Cr）N 表面の不動態皮膜の欠如によって引き起こされると考えられました。

▍ 研究の意義と将来展望
この研究により、二相ステンレス鋼溶接部の熱影響部における析出物が原因となる孔食発生の新たなメカニズムが明らかになりました。この結果は、より高い耐孔食性を有する
二相ステンレス鋼の成分設計および製造プロ
セスに関する新たな展望を与えると考えられます。また、この研究は、二相ステンレス鋼
製品の安全性の確保はもとより、より良い環
境保護と省エネルギーへの貢献すると期待さ
れます。

特

論

図2 二相ステンレス鋼溶接部の HT-HAZ（熱影響部高温側）における孔食発生起点の解析(a)(Cr,Ti)N の相同定、(b)(Cr,Ti)N 上の不動態皮膜の脆弱性と欠如（(Cr,Ti)N 近傍の EDS 線分析）

許Hou,Yuyang;Nakamori,Yudai;Kadoi,Kotaetal.Initiationmechanismofpittingcorrosioninweldheataffectedzoneofduplexstainlesssteel.CorrosionScience.
2022,201,110278.doi:10.1016/j.corsci.2022.110278
文 Hou,Yuyang;Kadoi,Kota.Nucleationofequiaxedδ -ferritebyacceleratingTiN
formationcontrolledbyoxideduringweldingofferriticstainlesssteel.Materials
Characterization.2023,204,113212.doi:10.1016/j.matchar.2023.113212

参考URL

キーワード 溶接・接合、冶金、ミクロ組織、腐食、欠陥

99

ものづくり技術

デジタルものづくり技術

CFRP/Steel レーザ溶接や CFRP/Aluminum
抵抗スポット溶接の強度試験と数値解析
接合科学研究所

教授 麻 寧緒

機能評価研究部門

https://researchmap.jp/ma.ninshu

研究の概要

ものづくり技術

レーザ熱源と電気抵抗熱源をそれぞれ用いて、性質が全く異なる CFRP（カーボン繊維強化樹脂材）と金属（高張力鋼板、アルミ合金）を直接接合する熱・力学プロセスを、開発した数値解析モデルにより再現し、実験で観察できない
内部の温度分布、CFRP の溶融領域と分解領域を定量化し、接合メカニズムを解明した。接合界面の温度範囲を CFRP の溶融温度以上と分解温度以下に制御することは、CFRP と金属を接合する必要条件となることが分かった。接合
継手にはこの温度範囲が広いほど、接合継手の強度が高くなる。より詳細な研究を行ったことで、レーザ溶接条件（熱量）と CFRP/Steelの接合強度、抵抗スポット溶接の電流など（発熱量）と CFRP/Aluminum の接合強度に関する相関関係を明らかにした。

▍

モノづくり現場において、生産性の向上および製品の品質保証のため、デジタル化制御と可視化が必要不可欠となる。それらを支援するデジタルシステムとして、DT（デジタルツイン）や DX（デジタルトランスフォーメーション）が注目されている。
本研究では、まず CFRP/Aluminum の抵抗スポット溶接による温度場、溶接寸法および引張りせん断強度を定量化・可視化したDT を構築し、生産現場で使用する CFRP 板と Aluminum 板の寸法変更に伴う溶接条件
特
論

100

研究の意義と将来展望の提案や溶接結果の予測をリアルタイムで支援することが可能になってきている。
CFRP/Steel のレーザ溶接の研究成果を実用に展開するために、実験・解析データを蓄積して、ML（マシンラーニング）による予測技術と DT を構築しなければならない。

図1：(a)CFRP/Steel レーザ溶接試験，(b)数値解析
による界面温度履歴，(c)引張りせん断試験による荷重−変位カーブ，(d)継手強度

図2：(a)CFRP/Aluminum 抵抗スポット溶接，(b)有限要
素モデル，(c)引張りせん断試験による荷重−変位カーブ

許Xia,Hongbo;Ma,Ninshuetal.Influenceoflaserweldingpoweronsteel/CFRPlapjointfracture
behaviors.CompositeStructures.2022,285(115247),1-12.doi:10.1016/j.compstruct.2022.115247
文 Ren,Sendong;Ma,Ninshuetal.Numericalanalysisoncoaxialone-sideresistancespotweldingofAl5052andCFRPdissimilarmaterials.MaterialsandDesign.2020,188(108442),1-14.
doi:10.1016/j.matdes.2019.108442

参 考 U R L http://www.jwri.osaka-u.ac.jp/research/research03_1.html
キーワード 鋼 /CFRP レーザ溶接、Al/CFRP 片側抵抗スポット溶接、RSW デジタルツインものづくり技術

パワーデバイス、ヒートスプレッダ、ダイヤモンド工具

プラズマを援用したダイヤモンド基板の高能率超精密研磨法
工学研究科

附属精密工学研究センター

教授 山村 和也

https://researchmap.jp/read0014013▍ 研究の意義と将来展望
ダイヤモンド基板をパワーデバイス放熱用のヒートスプレッダに用いる研究は数年前から行われてきた。しかしながらダイヤモンド
は難加工材料であり、高加工速度と高品位表面を両立する加工プロセスの実現には未だ至っていない。『プラズマ援用研磨法』により、高品質なダイヤモンド基板を低コストで製造

[μm]

100
50
0

-50
-100

(a) PAP前の表面(b) PAP後の表面

図1単結晶ダイヤモンド基板の平坦度
図１ 単結晶ダイヤモンド基板の平坦度
ものづくり技術

ダイヤモンドは低誘電率、高絶縁破壊電圧、高熱伝導度など優れた電気的・熱的特性を有するため、次世代半導体パワーデバイスの分野において注目されている。しかしながら、高硬度かつ化学的に不活性な難加工材料であるため半導体分野での普及が遅れている。当該グループでは、『化学的作用』と『機械的作用』とを複合した『プラズマ援用研磨法』
によりダイヤモンド基板を高能率かつダメー
ジフリーに仕上げる新しい加工プロセスを開発した。本プロセスにより、通常の化学機械
研磨（CMP）と比較して10倍以上の研磨レートが得られ、多結晶ダイヤモンド基板に対しても粒界段差の無いサブナノメータオーダの表面粗さをダメージフリーに得ることに成功した。

できるようになると、半導体デバイス用途のダイヤモンド基板の普及に向けて従来の限界を突破するという意義がある。また、省電力
高性能パワーデバイスや高周波デバイスの性能を向上させ、低炭素社会の早期実現が期待
できる。

30
20
Height (nm)研究の概要

CMP後, Ra: 3.2 nm Rz: 24 nm

主要図表１

10
0

PAP 2h後, Ra: 0.54 nm Rz: 3.6 nm-10

PAP 5h後, Ra: 0.16 nm Rz: 1.0 nm

-20
-30

0

10

20

30

40

50

60

70

80 (µm)

図2多結晶ダイヤモンド基板の表面粗さ
図2 多結晶ダイヤモンド基板の表面粗さ
主要図表2

特

論

許 特願2022-125662、特許第5614677号
Liu,Nian;Yamamura,Kazuyaetal.Highlyefficientfinishingoflarge-sizedsingle
crystaldiamondsubstratesbycombiningnanosecondpulsedlasertrimmingand
plasma-assistedpolishing.Ceram.Int.2023,49,19109–19123.
doi:10.1016/j.ceramint.2023.03.038
Liu,Nian;Yamamura,Kazuyaetal.Effectsofpolishingpressureandslidingspeedon
文 thematerialremovalmechanismofsinglecrystaldiamondinplasma-assistedpolishing.
Diam.Relat.Mater.2022,124,108899.doi:10.1016/j.diamond.2022.108899
Liu,Nian;Yamamura,Kazuyaetal.Damage-freehighlyefficientplasma-assisted
polishingofa20-mmsquarelargemosaicsinglecrystaldiamondsubstrate.Sci.Rep.
2020,10,19432.doi:10.1038/s41598-020-76430-6

参 考 U R L http://www-nms.prec.eng.osaka-u.ac.jp
キーワード プラズマ援用研磨、単結晶ダイヤモンド基板、多結晶ダイヤモンド基板

101