ナノテクノロジー・材料

ナノテクノロジー、単分子エレクトロニクス、有機エレクトロニクス

分子内ホッピング伝導の高効率化に向けた長鎖
分子導線の開発
産業科学研究所

教授 家 裕隆

ソフトナノマテリアル研究分野

https://researchmap.jp/read0105668?lang=ja

ナノテクノロジー・材料

分子レベルまで超微小化した単分子エレク
トロニクス実現のためには、π共役系分子で構成される高性能の分子導線の開発が不可欠である。我々は、一定間隔で分子構造にねじれをもち、かつ、分子間の相互作用を排除する構造を持つ数ナノメートルスケールの完全被覆型分子導線の開発に成功した。単分子の電気伝導測定を行い、一定間隔でねじれをもたせることで、分子内のホッピングサイトが均質化し、電気伝導特性が向上することを明らかにした。

クス応用に向けたπ共役ポリマー開発に適用
すると、新機軸の高性能有機半導体材料開発の実現も期待できる。
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特願2005-065947
特開2006-248945、特許4505568号

特

許

論

Ie, Yutaka; Tada, Hirokazu; Aso, Yoshio et al. Highly Planar and Completely Insulated
Oligothiophenes: Effects of π-Conjugation on Hopping Charge Transport J. Phys.
Chem. Lett. 10 2019; 3197-3204. doi: 10.1021/acs.jpclett.9b00747
文
Ie, Yutaka; Tada, Hirokazu: Aso, Yoshio et al. Improving Intramolecular Hopping
Charge Transport via Periodical Segmentation of π-Conjugation in a Molecule J. Am.
Chem. Soc. 143 2021; 599-603. doi: 10.1021/jacs.0c1056

参 考 URL80

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▍ 研究の意義と将来展望
究極な素子の微小化に繋がる単分子エレク
トロニクスの実現に向けて、この構成ユニットの役割を担う高機能な有機分子開発が不可欠である。本成果から、単分子エレクトロニ
クスの実現に向けた分子導線の開発のためには、“高い共役平面性” に加えて “ホッピング
サイトの均質化” の指針がホッピング伝導に有効であることが明らかとなった。本研究では単分子の電気伝導特性を明らかにするために、被覆部位を導入しており、単分子エレク
トロニクスに向けた分子導線としての機能が期待される。一方で、本研究で見出だされた“捻じれ” の導入は一般的な有機合成で簡便に実現できることから、有機薄膜エレクトロニ

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研究の概要

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Researchmap

ナノテクノロジーセンター

キーワード 単分子エレクトロニクス、ホッピング伝導、分子導線、π共役分子、有機半導体

ナノテクノロジー・材料

プラスチック、包装材料、日用品

カーボンニュートラル・海洋プラスチック
問題解決に貢献するバイオプラスチック
工学研究科

応用化学専攻教授 宇山 浩助教 徐 于懿Researchmap

https://researchmap.jp/read0168389

Researchmap

https://researchmap.jp/yuihsu

主要図1

研究の概要

ナノテクノロジー・材料

近年、マイクロプラスチックによる海洋汚染が深刻になり、脱炭素社会構築に向けたプ
ラスチックの資源循環が社会的に求められている。我々はカーボンニュートラルに貢献するバイオマスプラスチックと廃棄時の環境負荷を低減する生分解性プラスチックからなる
バイオプラスチックの実用化に向けた産学連
携研究を積極的に推進している。植物油脂の良さを引き出した機能性コーティング材料を開発し、屋根用塗料として実用化するとともに、植物油脂を基盤とするバイオプラスチッ
ク用添加剤を創製し、バイオプラスチックの
主要図2
耐熱性・耐衝撃性の大幅な向上を達成した。
また、独自開発の熱可塑性デンプンと生分解性プラスチックのブレンドを基盤とする海洋
生分解性バイオマスプラスチック（MBBP）の開発プラットフォームを立上げ、プラスチッ
ク製品を試作している。さらにデンプン単独の成形技術を構築し、ポリエチレンとの多層シートを開発した。

る。材料開発と成形技術開発の橋渡しを担い、バイオプラスチック製品の社会実装に貢献する。

修正・差替え植物油脂を利用したバイオプラスチック
植物油脂を利用したバイオプラスチック▍ 研究の意義と将来展望
プラスチック資源循環に不可欠なバイオ
プラスチックを早期に社会実装するため、企業30社以上が参画する MBBP 開発プラット
フォームや新たに設立したベンチャー企業（株式会社 KYU）における活動を積極的に推進す

デンプン配合バイオプラスチック
デンプン配合バイオプラスチック

特許 特許第4942436、特許第5057874、特許第5495360

論文

Uyama, Hiroshi, Functional polymers from renewable plant oils. Polymer Journal.
2018; 50:1003–1011. doi: 10.1038/s41428-018-0097-8

http://www.chem.eng.osaka-u.ac.jp/mbbp/
参 考 URL https://www.kyu-gs.com/
http://www.chem.eng.osaka-u.ac.jp/~uyamaken/
キーワード バイオプラスチック、バイオマスプラスチック、海洋生分解性プラスチック、熱可塑性デンプン

81

ナノテクノロジー・材料

エレクトロニクス、スマートデバイス

単一分子素子の電気伝導度
計測と解析
基礎工学研究科

物質創成専攻助教 大戸 達彦
准教授 山田 亮

教授 夛田 博一

未来物質領域

Researchmap

https://researchmap.jp/2ru3_y8_2d

Researchmap

https://researchmap.jp/_ryoy

Researchmap

https://researchmap.jp/read0051974

研究の概要
ナノテクノロジー・材料

人間が作ることのできる最小単位の部品である分子1つを電極間に架橋した単一分子接合は、電子デバイスの小型化や有機物ならではの電気応答の利用に向けて研究が進められている。単一分子の架橋構造を直接視認することはできず、電気伝導度の計測を通じて分子架橋を確認することになるため、単一分子デバイスの電気伝導特性の計測と評価の手法を確立することは重要な課題である。我々は、ブレークジャンクション法と教師なしクラス
タリング、第一原理計算を組み合わせること
で、架橋構造の特徴に従って電気伝導度を分類する手法を開発し、3脚型アンカー部位を用いた分子の架橋構造解析に応用した。

▍ 研究の意義と将来展望
データサイエンスの手法の1つである教師なしクラスタリングを用いることで、大量の実験データを物理化学的に意味のある形に分類し、分子架橋構造の決定に結びつけることができた。今後は、参照データを用いないク
ラスタリングなど、最先端のデータサイエン
ス手法を単一分子エレクトロニクスに応用することで、より精密な電気伝導特性の評価を目指していく。加えて電気伝導度を理論的に評価するための第一原理的手法に量子コン
ピューティングを導入することで、単一分子デバイスの伝導特性に関する精度の高い理論
予測を実現し、新しい分子デバイス開拓と性能評価を推進していく。
特論

第一原理計算による電極間距離に依存した架橋構造の予測。分子が左右対
称に電極と接続する構造と、左右非対称に接続する構造を用意し、電極間距離を変えながらポテンシャルエネルギーを計算する（この曲線をポテン
シャルエネルギー面（PES）と呼ぶ）。極小点として現れる構造は実験でも電気伝導度ヒストグラムのピークを与えると考えられる。左右非対称な構造での PES には、電気伝導度の異なる複数の架橋構造が出現する。

許Ohto, Tatsuhiko; Yamada, Ryo; Tada, Hirokazu et al. Single-Molecule Conductance of
文 a π-Hybridized Tripodal Anchor while Maintaining Electronic Communication. Small.
2021; 17: 2006709. doi: 10.1002/smll.202006709

参 考 URL http://molectronics.jp/

82

ブレークジャンクション法による測定結果と電気伝導度ヒストグラムのクラスタリング。左上図のようにポリイミドをコートしたリン酸銅基板に金の細線を蒸着し、基板を曲げることで電極の破断を繰り返しながら電気伝導度を測定する。得られた電気伝導度ヒストグラムには、２つのピークがみられる。平均の電流―電圧曲線と個々の電流電圧曲線の類似度をもとにクラスタリングを行うと、分子架橋の認められる成分としては3種類のピークが存在することがわかった。

キーワード 単一分子エレクトロニクス、ブレークジャンクション、第一原理計算、機械学習

ナノテクノロジー・材料

水素ステーション、水素自動車、高強度構造材料

材料の強さに与える水素の影響の原子論的解明
基礎工学研究科

機能創成専攻教授 尾方 成信
Researchmap

https://researchmap.jp/read0185246

研究の概要▍ 研究の意義と将来展望
水素脆化現象の解明は水素社会において水素を安全に取り扱うために不可欠な課題です。
半世紀以上にわたり水素脆化に対する多くの実験的研究やシミュレーション研究が実施されていましたが、材料中の水素の直接観察が困難さや、シミュレーション手法の精度と計算量のバランスの問題から、その解明は未達成のままでした。本研究では、高精度原子間相互作用を開発することで従来研究のボトル

特論

ナノテクノロジー・材料

水素が材料を脆くする水素脆化現象は古くから知られており、その現象は先端高強度材料で特に顕著になることがわかっています。
本研究では、実験観察が極めて困難な、変形や破壊を起こしている材料中での水素の存在
様態や水素の振る舞いを、高精度原子シミュ
レーション（分子動力学解析）によって解析
し、水素が材料の欠陥に作用し材料に破壊をもたらすメカニズムの詳細を明らかにしています。これまでの材料中水素シミュレーショ
ンのボトルネックであった、原子間相互作用の精度と計算量の問題を、ニューラルネット
ワークを用いることで解消し、これまでにない精度と規模を両立した原子シミュレーショ
ンを実現し、それを可能としました。

ネックを取り払い、長年の水素脆化研究における課題を解決し、その解明を可能としました。今後、水素に強い材料の材料設計指針を構築や、耐水素材料の開発の加速が期待されます。

L. Wan, S. Ogata et al., Int. J. Plasticity（2019）

許Wan, Liang; Geng, Wen Tong; Ishii, Akio et al. Hydrogen embrittlement controlled by reaction of dislocation with grain boundary in alpha-iron. International Journal of Plasticity.
2019; 112: 206-219. doi: 10.1016/j.ijplas.2018.08.013
Meng, Fan-Shun; Du, Jun-Ping; Shinzato, Shuhei et al. A General-Purpose Neural Network
文 Interatomic Potential for α-iron and Hydrogen Binary System. Physical Review Materials.
2021; (5): 113606-1-16. doi: 10.1103/PhysRevMaterials.5.113606
Kimizuka, Hajime; Ogata, Shigenobu; Shiga, Motoyuki  Unraveling anomalous isotope effecton hydrogen diffusivities in fcc metals from first principles including nuclear quantum effects. Physical Review B. 2019; 100(2): 024104-1-9. doi: 10.1103/PhysRevB.100.024104

参 考 URL https://tsme.me.es.osaka-u.ac.jp/publications.html

キーワード 水素脆化、変形と破壊、原子シミュレーション、機械学習

83ナノテクノロジー・材料

物質合成、エネルギー、天体内部探査など先端基礎科学

高性能パワーレーザーと高エネルギー密度物質
工学研究科

電気電子情報工学専攻

准教授 尾崎 典雅
Researchmap

https://researchmap.jp/read0191201

研究の概要

ナノテクノロジー・材料

ハイパワーレーザー用いて実現されるダイ
ナミックな超高圧など、極限環境で現れる物
質の未知の姿や振る舞いを明らかにする研究を行っています。物質の構造や状態の変化と、それに伴って変化する物性や反応を理解する
ことで、新しい物質や材料の設計および合成に活かすことができます。貴重なリアルタイ
ム観察データとインフォマティクス技術を組み合わせ、先進的なレーザー加工・プロセス開発にも貢献できると考えています。大型レーザーだけでなく、X 線自由電子レーザーやスーパーコンピュータなど最先端施設・装置を利用した共同研究を通じて新たな知を生産します。

は、惑星の内部構造や形成過程の解明に繋げることができます。高エネルギー密度科学と呼ばれる日本の強みを活かした横断的な学術が進展しており、さらに新たな展開も期待されています。

▍ 研究の意義と将来展望
極限環境での新物質や新構造の発見は、新
たな物質の多様性を示すものです。極限的高圧高温下での高速の構造相転移、融解などの状態変化、液体構造変化や金属化、そしてそれらの過程に関わる化学反応の速度など、多くの未解明の謎が存在します。また “金属水素” や “ポストダイヤモンド” に代表される
ような全く新しい多形が、高エネルギー密度の条件で実験的に発見される可能性があります。地球惑星関連物質の構造変化の理解から

特論

許 特開2020-098330，WO2019098330

Katagiri, Kento; Ozaki, Norimasa; Umeda, Yuhei et al. Shock Response of Full Density Nanopolycrystalline Diamond. Physical Review Letters. 2020;125:185701. doi:
10.1103/PhysRevLett.125.185701
文
Katagiri, Kento; Ozaki, Norimasa; Ohmura, Satoshi et al. Liquid Structure of Tantalum
under Internal Negative Pressure. Physical Review Letters. 2021;126:175503. doi:
10.1103/PhysRevLett.126.175503

参 考 URL

84

https://resou.osaka-u.ac.jp/ja/research/2020/20201028_1
https://resou.osaka-u.ac.jp/ja/research/2021/20210521_2
https://www.asahi.com/articles/ASN767L0BN6TPLBJ004.html?iref=pc_photo_gallery_bottom
https://www.ile.osaka-u.ac.jp/ja/blog/2019/08/21/post-4073/index.html

キーワード パワーレーザー、新物質、極限環境、X 線自由電子レーザー、レーザー加工

ナノテクノロジー・材料

医療・ヘルスケア、スマートデバイス

木材由来のナノ繊維による濡れても割れても機能する回路保護膜
産業科学研究所

自然材料機能化研究分野

博士後期課程・日本学術振興会 特別研究員 DC1 春日 貴章
教授 能木 雅也

研究の概要

https://researchmap.jp/tkasuga

Researchmap

https://researchmap.jp/read0151141

を高める、新たな「最後の砦」として機能することが期待できます。
ナノテクノロジー・材料

電子デバイスにとって水が天敵であることはよく知られており、これまで防水コーティ
ングやパッキングなど様々な封止技術が開発されてきました。しかし、どんな封止も一度損傷してしまえば水の侵入を防ぐことはできず、故障は免れません。我々は、電子回路上に木材由来のナノ繊維をコーティングすることで、回路の短絡及び発熱・発火といった事
故を防止できることを発見しました。さらに
その短絡抑制効果はコーティングが損傷した状態からでも発揮され、24時間以上継続します。本成果は、吸水によるナノ繊維の再分
散、電気泳動、ゲル化という3ステップを上手く組み合わせることで実現しています。本
成果により水濡れによる発熱・発火といった故障を抑制でき、近年開発・普及が進んでいるウェアラブル・ヘルスケアデバイスや、環境調和型センサデバイスのさらなる安全性向
上が期待できます。

Researchmap▍ 研究の意義と将来展望
本成果のポイントは、電子回路上にナノ繊維が含まれたコーティング液を塗って乾かすという簡便な手順で、コーティングが損傷した状態でも機能する回路保護膜が実現できる点です。既存技術との組み合わせも容易であり、防水コーティングとナノ繊維コーティン
グの積層により、さらなる安全性の向上が期待できます。電子デバイスの安全性と寿命性

特
論

許 出願中

Kasuga, Takaaki; Nogi, Masaya et al. Cellulose Nanofiber Coatings on Cu Electrodes
文 for Cohesive Protection against Water-Induced Short-Circuit Failures. ACS Appl. Nano
Mater. 2021; 4 (4): 3861–3868. doi: 10.1021/acsanm.1c00267

参 考 URL https://www.youtube.com/watch?v=6ENGdrD2vWM&t=105s

キーワード セルロースナノファイバー、回路保護膜、ウェアラブルデバイス、SDGs

85

ナノテクノロジー・材料

機能性触媒開発、機能性材料開発

量子化学理論と計算機シミュレーションによる C60ポリマーナ
ノ細孔内の二酸化炭素固定化に関する反応機構解明
基礎工学研究科

物質創成専攻准教授 北河 康隆
Researchmap

https://researchmap.jp/read0068726

研究の概要

ナノテクノロジー・材料

フラーレン C60薄膜に電子線照射をすることでナノ細孔を有する1次元凹凸 C60ポリマーが生じます。このポリマー内でおこる、CO2と H2O から炭酸イオンが生じる反応のメカ
ニズムを量子化学理論に基づいた計算機シ
ミュレーション（量子化学計算）により推定しました。その結果、まず CO2が C60ポリマー
をブリッジする形でピン留めされ、構造歪みによる LUMO エネルギーの安定化と C60 ポ
リマー鎖表面の電荷分極の増大により活性化します。そこに H2O が接近することで遷移状態が安定化し反応が進行している可能性を示すことに成功しました。

▍ 研究の意義と将来展望
量子化学計算は、実験では説明が難しい触媒反応機構を解明することができるのみならず、そこから得られた知見により、化合物の改良や、ひいては新たな触媒などのデザインを可能とします。したがって SDGs の達成に向けた研究を今後さらに加速させることが可能となります。このように量子化学理論とそれに基づくコンピュータシミュレーション
は、種々の化学現象の原理解明のための強力なツールであるのみならず、新規機能性材料開発においても、極めて有効なアプローチ法
です。

特

許

論

文

Nakaya, Masato; Kitagawa, Yasutaka; Onoe, Jun et al. Immobilization of CO2 at
Room Temperature Using the Speciﬁc Sub-NM Space of 1D Uneven-Structured C60
Polymer Film. Advanced Sustainable Systems. 2021; 5(1): 2000156. doi: 10.1002/
adsu.202000156

https://resou.osaka-u.ac.jp/ja/research/2020/20201027_1
参 考 URL https://news.mynavi.jp/article/20201029-1444179/
https://research-er.jp/articles/view/93424

86

キーワード 量子化学理論、計算機シミュレーション、触媒反応機構、CO2固定

ナノテクノロジー・材料

触媒化学、石油化学、カーボンニュートラル

山下 弘巳

低温での二酸化炭素再資源化を可能にする新触媒技術の開発
工学研究科

マテリアル生産科学専攻

准教授 桒原 泰隆
教授 山下 弘巳

Researchmap

https://researchmap.jp/yasutakakuwahara/

Researchmap

https://researchmap.jp/read0118536

研究の概要出しました。さらに興味深いことに、触媒に光を照射すると反応速度が向上することを見出しました。

▍ 研究の意義と将来展望
当研究室の開発した触媒は、調製が簡便である、分離・回収の容易な固体触媒である、廃熱を利用可能な低温（140℃付近）でも駆動する、など実用化に不可欠な基盤要素を兼ね備えています。さらに、触媒に可視光を照射することで、反応速度が向上するという特徴を有しています。本技術は、今後ますます
排出量削減が迫られる CO2を工業的に有用な物質へと変換するためのクリーンな触媒技術として期待されます。

ナノテクノロジー・材料

二酸化炭素 (CO2) は地球温暖化の主たる原因物質とされており、世界規模でその排出量削減に向けた取り組みが行われています。一方で、CO2を還元することによって得られる
一酸化炭素 (CO) は、アルコールやガソリン、
ジェット燃料などの液体炭化水素の原料となる有用な化学原料です。CO2 を水素 (H2) と反応させて CO を得る反応（逆水性ガスシフト反応）には、従来500℃以上の高温が必要とされており、低温では低い反応率しか得られず非効率という課題がありました。山下研究室では、モリブデン酸化物に白金（Pt）ナノ粒子を担持した触媒を用いると、従来よりも低い140℃という低温でも CO2 と H2 からCO を高効率かつ選択的に得られることを見山下 弘巳

省エネルギーで CO2を再資源化するための触媒開発
特論

許 特願2020-093711

Ge, Hao; Kuwahara, Yasutaka; Yamashita, Hiromi et al. Plasmon-induced Catalytic
CO2 Hydrogenation by a Nano-sheet Pt/HxMoO3-y Hybrid with Abundant Surface Oxygen Vacancies. Journal of Materials Chemistry A. 2021; 9 (24): 13898-13907. doi:
文 10.1039/d1ta02277f
Kuwahara, Yasutaka; Mihogi, Takashi; Yamashita, Hiromi et al. A Quasi-stable Molybdenum Sub-oxide with Abundant Oxygen Vacancies that Promotes CO2 Hydrogenation
to Methanol. Chemical Science. 2021; 12 (29): 9902-9915. doi: 10.1039/d1sc02550c

参 考 URL https://resou.osaka-u.ac.jp/ja/research/2021/20210526_2

キーワード CO2回収利用、CO2再資源化、モリブデン酸化物、表面プラズモン共鳴87

ナノテクノロジー・材料

電子デバイス、電気自動車

酸化物ナノ粒子分散銅焼結複合材の力学機能化
接合科学研究所
教授 近藤 勝義

特任助教 Abdollah Bahador

研究の概要
ナノテクノロジー・材料

本研究では高い電気・熱伝導率を有する銅を対象に、それらの優れた特性を維持しつつ、力学特性の向上を通じて銅製品の小型・軽量化を可能とする新たな銅合金の開発を目指している。一般に強度と延性は相反関係にあり、高強度化に伴う延性低下は素材の加工性や信頼性の低下を招く。そこで、古典強化理論に基づき、塑性変形を可能とする十分な延性を維持しつつ、複数の強化機構を効果的・有機的に発現する新たな合金設計指針を確立した。具体的には、粉末冶金法を基調とした固相焼結プロセスを用いて高硬度・高剛性を有するチタン酸化物 (TiO2)ナノ粒子を銅素地内に均一に分散し、かつ急速昇温焼結法の適用により最小限の熱履歴のもとで銅合金を創製した。その結果、結晶粒微細化に加えて、酸化物粒子と銅素地の接触界面での局所的な反応領域の形成を通じて高強度と高延性の両立に成功した。従来の主な金属製造技術である溶解・鋳造法では、銅と酸化物の比重差により酸化物粒子の均一分散が困難であったが、非溶解法である固相焼結法の適用により根幹の課題を解決した。
加えて、分散粒子の凝集・偏析現象を解消し、単分散粒子での効率的なオロワンループ形成による高強度発現を実証した。さらに、走査型電子顕微鏡内で本開発材料に対して引張変形を付与した状態での破壊挙動を直接観察し、酸化物粒子と銅素地の高い結合性により銅素地での優れた変形能が発現することで十分な延性が得られることを実証した。その結果、例えば、8重量比率の TiO2ナノ粒子が均一に分散する銅系複合焼結材において、純銅の1.7倍以上の引張強さの発現に成功した。

Researchmap https://researchmap.jp/kondoh
Researchmap https://researchmap.jp/Abdollah_Bahadorの中で最も比重が大きい。電気自動車をはじめとする車載用電動化技術の普及に対応すべく、銅製部材の小型軽量化に資する機械的特性の向上は必須といえる。本成果は、従来の銅素材に比べて1.7倍以上の強度を有し、塑性加工を可能とす
る十分な延性を有する酸化物ナノ粒子分散強化銅系複合材の開発に成功した。今後は、本材料の製造技術である粉末冶金法を生産プロセスとして既に確立しているものづくり企業との連携を通じて、本研究成果の社会実装を促進する。

▍ 研究の意義と将来展望
銅は高い電気・熱伝導性を有する反面、工業用金属材料

特

論

許

Bahador, Abdollah; Umeda, Junko; Kondoh, Katsuyoshi et al. Synergistic strengthening mechanismsof copper matrix composites with TiO2 nanoparticles. Materials Science & Engineering A. 2020; 772:
138797. doi: 10.1016/j.msea.2019.138797.
文
Bahador, Abdollah; Umeda, Junko; Kondoh, Katsuyoshi et al. Deformation mechanism and enhanced
properties of Cu-TiB2 composites evaluated by the in-situ tensile test and microstructure characterization.
Journal of Alloys and Compounds. 2020; 847: 156555.  doi: 10.1016/j.jallcom.2020.156555.

参 考 URL http://www.jwri.osaka-u.ac.jp/~dpt6/index_en.html

88

キーワード 銅合金、粉末冶金、ナノコンポジット、機械的特性

ナノテクノロジー・材料

ナノテクノロジー、スマートデバイス

原子層結晶の新奇物理現象解明：次世代量子デバイス創出への基礎研究
工学研究科

物理学系専攻教授 坂本 一之Researchmap

https://researchmap.jp/read0184558

研究の概要

ナノテクノロジー・材料

物質を極限まで薄くした厚さが1から数原子の2次元原子層物質は、3次元固体にない物理現象を発現することが知られており、それらの現象を用いることで全く新しいデバイスの創出が可能となる。このような原子層物質の基礎科学的知見と応用展開をさらなる発展させるため、我々は固体表面に原子や分子を吸着させて自然界に存在しない “原子層結晶” を作製し、そこで展開される新奇物理現象の起源を独自の測定手法を用いて解明している。また、原子層結晶への異種原子・分子
吸着や光照射により、それらの新奇物性の制御を確立する簡便な手法の開拓も行っている。

に不可欠であるスピンの向きと偏極度がコン
トロールされた高効率スピン流が流れる量子材料の創出も期待される。

▍ 研究の意義と将来展望
現代社会において喫緊の課題となっている、
日々爆発的に増加している情報量とその処理へ対応するためには、高速処理で長寿命、消費電力の大幅減少が期待できる量子デバイスの創出が不可欠である。大きなスピン軌道相
互作用と層垂直方向の空間反転対称性の破れが存在する原子層結晶を材料として用いたデバイスを再設計することで、デバイス性能の大きな改善が望めるが、そのためには同結晶の基礎量子物性をまず理解することが必須である。本研究は、構造などを制御することで原子層結晶の物性を理解し、新しい基礎学術分野を切り拓くだけでなく、次世代デバイス

特

論

許

Kobayashi, Takahiro; Nakata, Yoshitaka; Yaji, Koichiro et al. Orbital angular momentum induced spin polarization of 2D metallic bands. Phys. Rev. Lett. 2010 Oct 22;
105(17): 176401. doi: 10.1103/PhysRevLett.125.176401
文
Sakamoto, Kazuyuki; Ishikawa, Hirotaka; Wake, Takashi et al. Spatial Control ofCharge Doping in n-Type Topological Insulators. Nano Lett. 2021 May 26; 21(10):4415-4422. doi: 10.1021/acs.nanolett.1c01100

参 考 URL http://snp.ap.eng.osaka-u.ac.jp

キーワード 原子層結晶、電子状態、電子スピン、ラシュバ・エデルシュタイン効果、光電子分光
１2. ご自身の顔写真のご提供
１2.

89※ 印刷可能な解像度のものを電子ファイルにてご提供ください。
印刷可能な解像度のものを電子ファイルにてご提供ください。
※

ナノテクノロジー・材料

環境浄化、殺菌、エネルギー製造

2

4

1

0

Fig. 2

太陽光により H2O2から H2を製造する
光触媒技術

6

2

0

6
12
18
Photoirradiation time (h)240H2 selectivity (%)= percent H2 generated out of H2O2 decom

H2 generated (μmol)

3Time change in the amounts of H2 produced and the H2 selectivity

sunlight irradiation (λ >420 nm) (H2 is continuously generated by photoir
selectivity is almost constant).
１2. ご自身の顔写真のご提供

基礎工学研究科 物質創成専攻 化学工学領域・附属太陽エネルギー化学研究センター
https://resou.osaka-u.ac.jp/ja/research/2020/20200707_1
准教授 白石 康浩
Researchmap

https://researchmap.jp/read0054695

８．キーワード＜日本語＞
光触媒、太陽光、過酸化水素＜英語＞
Photocatalyst, Sunlight, Hydrogen peroxide
９．応用分野▍ 研究の意義と将来展望
エネルギーキャリアは非化石燃料依存型社
会を実現するための鍵物質と考えられている。
気体であるため貯蔵・輸送の困難な H2 に代
わり、液体である H2O2 は有力な候補であるが、H2を生成させることはできず、水素キャ
リアとしては利用できないと考えられてきた。
我々の開発した方法では、古くから安定化剤として用いられているリン酸（H3PO4 ）を
H2O2 水溶液に入れ、安価なメタルフリー光触媒を加えて太陽光を照射する簡便な操作に
より H2 を生成させることが可能である。選
択率の向上および H2 生成活性の向上が不可

特論①H2 generation from H2O2O

⑤ H2O2の不均化分解⑤ H2O2 decomposition
H2O2 → H2O + 1/2O
H2O22 → H2O + 1/2O2(ΔG° = –117 kJ mol–1) H2O2
GQD
–1

(ΔG° = –117 kJ mol )V vs NHE

CB

V vsHNHE
2 O2

CB

0.68 V②H2O2の酸化
H2O2 + 2h+ → O2 + 2H+

0.68 V

e–

e–

CB

CB

hv
N
H2Og-C
2 3 4

VB②H2O2 oxidation h+
H2O2 + 2h+ → O2 + 2H+O

H + e–
0V

P

O

H

H

H

O
P

③He+の還元+
2H+ + 2e– → H2 H

H

H
O

O6

H 2O
2–H3PO4安定化錯体の構造
GQD

O6

H2O2–H3PO4 complex–

H 2 O20V③H+ reduction
2H+ + 2e– → H2

V ④H
O の還元
hv 1.14
g-C
3N4 2 2
→ H2O + •OH
H2O2 + H+ +He–O
H 2 O2H2O V ④H O
H2O2 + 2H+ + 22e–2→1.14
1.76 VVB

HO

2 2 reduction
H2O2 + H+ + e– → H2O + •OH

2 2
図 1 本光触媒技術による H2O2 からの H2 生成メカニズ
H2O2 + 2H+ + 2e– → H2O
1.76 Vh+ム（リン酸は H2O2 と水素結合する

ことにより H O を安定化し、励起電子による還元を抑制する）
図1
本光触媒技術による H2O2からの H2生成メカ
Fig. 1 Mechanism for H2 generation from H2O2 (H3PO4 stabilizes H2O2 by hydrogen
ニズム（リン酸は
H O2と水素結合することによりbonding interaction2with
H2O2 and suppresses the reduction by excited electrons)
H2O2を安定化し、励起電子による還元を抑制する）
2

2

3

6

2

4

1

0

2

0

6

12
18
光照射時間 (h)240

図2 疑似太陽光照射（λ図 2 疑似太陽光照射（λ >420>420nm）による照射nm）による照射時間と H2 生成量および H2 選択率の関係（H2
時間と H
は光照射にともない継続的に生成し、H2生成量および H2選択率の関係（H2は光照
2 選択率もほぼ一定である）
射にともない継続的に生成し、H2 選択率もほぼ一定である）

Shiraishi, Yasuhiro; Takii, Takahiro et al. Resorcinol-Formaldehyde Resins as Metal-Free
Semiconductor Photocatalysts for Solar-to-Hydrogen Peroxide Energy Conversion. Nat.
Mater. 2019; 18(9): 985-993.  doi: 10.1038/s41563-019-0398-0
文Shiraishi, Yasuhiro; Ueda, Yuki et al. Photocatalytic Hydrogen Peroxide Splitting on
Metal-Free Powders assisted by Phosphoric Acid as a Stabilizer, Nat. Commun. 2020;11(1): 3386.  doi: 10.1038/s41467-020-17216-2
https://www.nikkan.co.jp/spaces/view/0054028
https://resou.osaka-u.ac.jp/ja/research/2020/20200707_1

キーワード 光触媒、太陽光、過酸化水素

O

H
O

O

H 2 O2HO

H

O①H2O2からのH2生成
H2O(ΔG°(ΔG° = +131 kJ mol–1)
2 → =H+131
2 + O
H2O2 → H2 + O
kJ2 mol–1)
2

許 特許6765132号

参 考 URL

90

１1．上記ご研究に関連する画像（図表・イラスト・写真）

H2 選択率 (%)= 分解されたH2O2のうち生成したH2の割合

ナノテクノロジー・材料

過酸化水素（H2O2 ）は、漂白剤や消毒剤として重要な化学物質であるほか、燃料電池
発電の燃料として有望視されるエネルギー
キャリアである。しかし、水素ガス（H2）を生成させることは困難であり、水素キャリア
としては利用できないと考えられていた。本
研究開発において、リン酸（H3PO4）とメタ
ルフリー粉末光触媒を H2O2 水溶液に加えて太陽光を照射する方法により、H2O2から H2を生成させることに成功した。H2O2を水素・エネルギーキャリアとする新エネルギー社会の実現に向けての社会実装が期待できる。

＜日本語＞
欠であるものの、これまで不可能と考えられ
環境浄化、殺菌、エネルギー製造てきた本反応を、H＜英語＞
3PO4 とメタルフリー光Environmental remediation, Disinfection, Energy production
触媒の添加により進めることができる点は、
H１0．特許2O2 の水素キャリアとしての利用可能性を
特許 6765132 号
飛躍的に向上させるはずである。

H2 生成量 (μmol)

研究の概要

indicate the magnitude and direction of the force in the plane. The black and whitephotoinduced force field map. The tendency

indicates the magnitude of the force in the height direction. (c) Theoretically calcu

photoinduced force evident.
field map. The tendency to explain the results of experimen
evident.

ナノテクノロジー・材料

１2. ご自身の顔写真のご提供
１2. ご自身の顔写真のご提供※ 印刷可能な解像度のものを電子ファイルにてご提供ください。
※ 印刷可能な解像度のものを電子ファイルに

光触媒材料、太陽電池

光の力で原子スケールの構造を可視化工学研究科

物理学系専攻教授 菅原 康弘

Researchmap

教授 石原 一Researchmap

基礎工学研究科https://researchmap.jp/read0082006

物質創成専攻https://researchmap.jp/nonlocal

研究の概要▍ 研究の意義と将来展望

図 1 (a) 光 照 射 さ れ た 走 査 型 顕 微 鏡 の プ ロー
ブ 先 端 と 試 料 の 間 に 働 く 力（ 光 圧 ）を 読 み 取 る
図１ (a) 光照射された走査型顕微鏡のプローブ先端と試料の間に働く力（光圧）を読み取る光誘起力顕光誘起力 顕 微 鏡 の 模 式 図。(b)(c) 二種の光波長微鏡の模式図。
(b)(c)二種の光波長(600nm,520nm)で得られた光誘起力顕微鏡像。
(d)光誘起力像の断面図。
Fig.1 (a) Schematic
image of photoinduced force microscopy. (b)(c) Photo-induced
force
光触媒として設計された電子エネルギー構造が反映されている。
(600nm,520nm)で得られた光誘起力顕微鏡像。(d)microscopy
images of a quantum dot
measured using different wavelengths (600 nm,520
nm).
(d)Photoinduced
force
profilesfortheimages.
This
reflects
theelectronicenergy
光誘起力像の断面図。光触媒として設計された電子
Fig.1(a) Schematic image of photoinduced force microscopy. (b)(c) Photo-induced force
structure designed for photocatalysis.
microscopy
images of a quantum dot measured using different wavelengths (600 nm,520
エネルギー構造が反映されている。
図１ (a) 光照射された走査型顕微鏡のプローブ先端と試料の間に働く力（光圧）を読み取る光誘起力顕微鏡の模式図。(b)(c)二種の光波長(600nm,520nm)で得られた光誘起力顕微鏡像。(d)光誘起力像の断面図。
光触媒として設計された電子エネルギー構造が反映されている。

ナノテクノロジー・材料

半導体や金属のナノ粒子は、光触媒、太陽電池などに用いる光機能材料として注目されている。光を用いる走査型顕微鏡（走査型近接場光学顕微鏡）を用いれば、このような試料の光学特性を反映した画像を取得できるが、これまで原子スケールの分解能での観察は実現されていなかった。
研究チームは、光照射により発生する力（光圧）を計る顕微鏡（光誘起力顕微鏡）を用いて、高性能な光触媒材料として設計された複合ナノ粒子の近接場光を1ナノメートル以下の分解能で画像化することに世界で初めて成功した（図1〜2）。超高真空中での観測を実現し、かつ光照射による熱の影響を除去する
独自の工夫を加えたことが高分解能観察の鍵となっている。複合ナノ粒子を複数の波長の光を用いて観測し、複合ナノ粒子が設計通りの化学的性質を持つことを原子分解能に迫る
光圧画像で確認し、光圧の3次元ベクトル像を取得することにも成功した（図3）。機能性
ナノ材料の設計・評価のための新しい基盤技術として期待される成果である。

的な光触媒材料や太陽電池材料を実現するた
めの新しい基盤技術になると期待される。

nm). (d) Photoinduced force profiles for the images. This reflects the electronic energy
structure designed for photocatalysis.

図２ (a) 試料の原子間力顕微鏡像（拡大図）。(b)試料の光誘起力顕微鏡像（拡大図）。(c)光誘起力顕微
鏡像の断面図。1nm を切る分解能が得られていることが分かる。

図2 (a) 試料の原子間力顕微鏡像（拡大図）。(b)
試料の光誘起力顕微鏡像（拡大図）。(c) 光誘起力顕Fig.2(a) Atomic force microscopy image を切る分解能が得られていof a quantum dot. (b) Photoinduced force
微鏡像の断面図。1nm
microscopy image at 660 nm. (c) Photoinduced force profiles for the image. A spatial
ることが分かる。
resolution of less than 1 nm has been obtained.
Fig.2 (a) Atomic force microscopy image of a quantum dot. (b) Photoinduced force

図２ (a) 試料の原子間力顕微鏡像（拡大図）。(b)試料の光誘起力顕微鏡像（拡大図）。(c)光誘起力顕微
microscopy imageat 660 nm. (c) Photoinduced force profiles for the image. A spatial
鏡像の断面図。1nmを切る分解能が得られていることが分かる。

resolution of less than 1 nm has been obtained.

本技術を用いれば、ナノ構造の近接場光を
原子分解能で観測することができるため、新しいナノ材料合成のための設計・評価が格段に高度化する。このため本技術は今後、画期特論

許Yamanishi, Junsuke; Ishihara, Hajime; Sugawara, Yasuhiro et al. Optical force map文 ping at the single-nanometre scale. Nature communications. 2021 Jun 23; 12(1):3865. doi: 10.1038/s41467-021-24136-2

参 考 URL https://resou.osaka-u.ac.jp/ja/research/2021/20210623_2
キーワード 光誘起力顕微鏡、光圧、近接場光学、ナノ粒子

91

ナノテクノロジー・材料

光エレクトロニクス、全光スイッチ、超解像イメージング

シリコンナノ共振器による巨大非線形光散乱
工学研究科

物理学系専攻教授 髙原 淳一
Researchmap

https://researchmap.jp/read0185115

研究の概要

ナノテクノロジー・材料

単結晶シリコン（Si）のナノ光共振器において自然のバルク値と比べて10万倍（5桁）
もの極めて大きな非線形光学散乱がおきることを見出し、本効果がミー共振による熱光学効果によっておきることを明らかにした。これにより超短パルス光を用いることなく連続光でシリコンの非線形性を利用することが可能となる。本成果はシリコンフォトニクス素子における全光スイッチ素子や超解像イメー
ジング等への応用が期待される。

▍ 研究の意義と将来展望
Si は産業のコメともよばれエレクトロニク
スの中心材料であるが、近年ではフォトニク
スにおいてもその重要性が増しており、シリ
(a)

特

論

コンフォトニクスとよばれている。本研究は熱により Si が本来もつ自然な非線形光学定数を桁違いに増幅するものである。これまで
も超短パルス光をマイクロメートルサイズのマイクロ共振器やフォトニック結晶に入射することにより非線形性を増大できることが実証されてきたが、本成果の値は単純な箱型構造でありながら、それを大きく超えるものである。
従来、熱光学効果は応答速度が遅いと考えられてきたが、本効果の緩和時間はナノ（10-9）秒オーダーであることが確認されたことから、将来は10GHz で高速動作させることができる。
本成果はシリコンフォトニクスにおける光・
光スイッチをはじめとする光制御デバイスや超解像イメージングなどへの応用が期待され
る。

(b)

(c)

(d)

(e)

許

Tang, Yu-Lung: Yen, Te-Hsin; Nishida, Kentaro et al. Mie-enhanced photothermal/
thermo-optical nonlinearity and applications on all-optical switch and super-resolution imaging [Invited]. Opt Mater Express. 2021; 11(11): 3608-3626. doi: 10.1364/
文 OME.431533
Duh, Yi-Shiou; Nagasaki, Yusuke et al. Giant photothermal nonlinearity in a single
silicon nanostructure. Nature Commun. 2020; 11: 4101. doi: 10.1038/s41467-02017846-6

参 考 URL

キーワード ミー共振器、カー効果、シリコンフォトニクス、全光スイッチ

92

Fig.1
主要図

ナノテクノロジー・材料

医療・ヘルスケア、環境モニタリング、スマートデバイス

二次元半導体を用いた光活性化ガスセンサ
の開発
工学研究科

電気電子情報通信工学専攻

助教 田畑 博史
Researchmap

https://researchmap.jp/read0156510

研究の概要

図１

ナノテクノロジー・材料

遷移金属ダイカルコゲナイド (TMDC) に代表される2次元半導体物質は、その高い表面
体積比のために、ガス分子の吸着に対して電気特性が敏感に変化する。そのためガスセン
サのセンシング材料として注目されている。
一方で、この TMDC は可視光領域においてシリコンやゲルマニウム等のバルク半導体の約10倍もの高い光吸収係数を持つなど、光との強い相互作用を持つ。今回の研究では、
この TMDC の一種である二硫化モリブデン（MoS2）に注目し、この単層膜を用いた電界効果トランジスタ型ガスセンサの二酸化窒素（NO2 ）ガスに対する応答に及ぼす光照射の効果を調査した。その結果、MoS2 のバンド
ギャップ（1.8 eV）以上の光子エネルギーを持つ可視光を照射すると、センサの応答感
度や応答・回復特性が大幅に改善されることを明らかにした。

▍ 研究の意義と将来展望
本研究の意義は、2次元半導体物質とガス
分子との相互作用に光という第三の要素を加えることで、応答特性を制御することができるという点にある。光照射によって室温で優れたセンサ性能を得ることができることから、
マイクロ LED 等の高効率微小光源と組み合わせることにより、IoT センサに求められる
超低消費電力なガスセンサへの展開が期待できる。さらに、照射する光の波長選択や強度変調などによって、生体ガスの検知等に必要な高度な分子識別が可能になると期待される。
特
論

図２

許

Tabata, Hiroshi; Matsuyama, Hiroaki; Goto, Taishi et al. Visible-Light-Activated Re文 sponse Originating from Carrier-Mobility Modulation of NO2 Gas Sensors Based on
MoS2 Monolayers. ACS Nano. 2021; 15(2): 2542-2553. doi: 10.1021/acsnano.0c06996

参 考 URL http://nmc.eei.eng.osaka-u.ac.jp/index_j.html

キーワード MoS2、二酸化窒素センサ、光導電性、光活性化ガス応答、光刺激脱離

93

ナノテクノロジー・材料

パワーデバイス、EV・HEV、ドローン、宇宙航空、5G・6G通信

AE センシングによる WBG パワー
デバイス初期劣化診断技術の開発
産業科学研究所

フレキシブル３Ｄ実装協働研究所

特任准教授 陳 伝彤

特任教授 菅沼 克昭

Researchmap

https://researchmap.jp/chenchuantong

Researchmap

https://researchmap.jp/ksuganuma

以上

以上

研究の概要
ナノテクノロジー・材料

こ れ か ら の WGB 半 導 体 は、200℃～
300℃の環境下で動作することが求められるが、WBG 半導体を用いたパワーモジュールは実使用環境下で室温～300℃近辺の温度プ
ロセスが何度も繰り返されるため、金属接合
部材とセラミック部材との熱膨張率の差により繰り返し熱疲労の影響を受け、接合部破断、配線部の断線などによる故障が生じやすいという問題があった。従来の方法では、電圧変動や熱抵抗変動などのパラメーターで故障を検知できるが、いずれも断線故障が生じるまでの変化が少なく、このデータだけでは故障直前の時期を判別することが難しい状況であった。一方、本研究では AE（Acoustic-Emission）のデータにより、断線故障時期に近づくに従い計測数が増加していることがわかる
ため、この AE データをセンシングすればリ
アルタイムで初期き裂の発生、進展と故障に至る寿命の時期がかなり正確に判断することができる。結果的に、パワーデバイスの「故障予測」「寿命予測」が可能となる高精度、高品質の劣化検知システムが実現できた。

▍ 研究の意義と将来展望
本研究成果により、パワーモジュール動作
中に故障する問題を回避することができ、またシステム冗長性を低減することもできるので、全体として軽量・低コスト化するだけではなく、SiC や GaN が広い範囲で使われることで、あらゆる電力変換機器の損失を低減することが可能となる。そのため、EV 車の普及にもつながり、市場の拡大とともに前回
中のエネルギーロスの削減にもつながるため、小型化や低消費電力化に貢献できる。

図1．SiC
パワーモジュールの断面とパワーサイク
図１．SiC
パワーモジュールの断面とパワーサイクル試験後に配線の劣化
図１．SiC
パワーモジュールの断面とパワーサイクル試験後に配線の劣化
ル試験後に配線の劣化

図２．AE(Acoustic-Emission)の圧電センサでパワーモジュール配線接合部
疲労による劣化検出技術

図２．AE(Acoustic-Emission)の圧電センサでパワーモジュール配線接合部
図2．AE(Acoustic-Emission)の圧電センサでパ
１2.
ご自身の顔写真のご提供
疲労による劣化検出技術※ 印刷可能な解像度のものを電子ファイルにてご提供ください。
ワーモジュール配線接合部疲労による劣化検出技術

１2. ご自身の顔写真のご提供※ 印刷可能な解像度のものを電子ファイルにてご提供ください。

特論

許Choe, C; Chen, C; Nagao, S et. al. Real-time acoustic emission monitoring of wear-out
文 failure in SiC power electronic devices during power cycling tests. IEEE Transactions
on Power Electronics. 2021; 36 (4): 4420-4428. doi: 10.1109/TPEL.2020.3024986.

参 考 URL https://resou.osaka-u.ac.jp/ja/research/2020/20201015_1

94

キーワード パワーエレクトロニクス、AE センシング、故障診断、Ag 焼結接合

ナノテクノロジー・材料

ナノテクノロジー、材料、エネルギー

環境調和型高性能熱電変換ナノ材料の開発
基礎工学研究科

システム創成専攻

教授 中村 芳明
Researchmap

電子光科学領域

https://researchmap.jp/research_nakamura

研究の概要

ナノテクノロジー・材料

エネルギー消費量のうち60% は廃熱として捨てられており、この莫大な廃熱をターゲットとした熱電変換が新たなクリーンエネ
ルギーとして注目されています。従来の熱電材料は、高性能化のために高価・有毒な重元
素が主に用いられるのが課題でした。我々は、原子レベルで制御した独自のナノ結晶構造形成技術を駆使して、高熱電性能化のための至上命題であった電気と熱の独立制御を達成し、IV 族元素を中心とする軽元素のみで構成した
環境調和型高性能薄膜熱電材料を開発しました。本研究は、ナノ構造物理に基づいた電気・熱の輸送学理を新規構築するとともに、IoT
センサ電源等といった社会応用も可能にする
学術面・社会面の両面に貢献するものと言えます。

ります。こうした社会の流れに対して、我々はナノ構造を用いた高性能薄膜熱電電源をセンサに組み込むことで、新たな生活様式を支えるための遠隔通信サービスを可能にします。
これにより、医療・農業を含む幅広い社会分
野を支えることを目指します。

Si ナノドット連結構造を用いた熱電材料▍ 研究の意義と将来展望
本研究は、ナノ構造形成技術を駆使して熱と電気の独立制御を可能にする学術的意義の高いものです。これは、環境調和型の軽元素
材料を熱電材料の主役に引き上げる産業・
社会的意義の高い研究でもあります。現在、COVID-19や高齢化社会により遠隔通信をベースとした新たな生活様式に移行しつつあ
特論

ナノワイヤを用いた透明熱電材料

許 特願2019-220283 特願2012-124940、PCT ／ JP2013／063580
Nakamura, Yoshiaki; Watanabe, Kentaro; Fukuzawa, Yo, et al. Observation of the quantum-confinement effect in individual Ge nanocrystals on oxidized Si substrates using scanning tunneling spectroscopy. Appl.
Phys. Lett. 2005; 87, 133119-1-3.
Nakamura, Yoshiaki; Isogawa Masayuki; Ueda Tomohiro, et al. Anomalous reduction of thermal conductivity in coherent nanocrystal architecture for silicon thermoelectric material. Nano Energy 2015; 12, 845-851.
Nakamura, Yoshiaki, Nanostructure design for drastic reduction of thermal conductivity while preserving high electrical conductivity. Science and Technology of Advanced Materials 2018; 19, 31-43.
Ishibe, Takafumi; Tomeda, Atsuki; Watanabe, Kentaro, et al. Methodology of thermoelectric power factor enhancement by controlling nanowire interface. ACS Applied Materials & Interfaces 2018; 10, 37709-37716.
文
Taniguchi, Tatsuhiko; Ishibe, Takafumi; Naruse, Nobuyasu, et al. High Thermoelectric Power Factor Realization in Si-rich SiGe/Si Superlattices by Super-Controlled Interface. ACS Applied Materials & Interfaces 2020;12, 25428-25434.
Taniguchi, Tatsuhiko; Terada, Tsukasa; Komatsubara, Yuki, et al. Phonon transport in nano-system of Si and SiGe films with Ge nanodots and approach to ultralow thermal conductivity. Nanoscale 2021; 13, 49714977.
Sakane, Shunya; Ishibe, Takafumi; Mizuta, Kosei et al. Anomalous enhancement of thermoelectric power factor by thermal management with resonant level effect. J. Mater. Chem. A 2021; 9, 4851-4857.

参 考 URL

https://www.jst.go.jp/pr/announce/20141210/
http://www.adv.ee.es.osaka-u.ac.jp/
https://resou.osaka-u.ac.jp/ja/research/2014/20141210_1

https://resou.osaka-u.ac.jp/ja/research/2018/20181031_2
https://engineer.fabcross.jp/archeive/181101_nanowire.html
http://www.optronics-media.com/news/20181031/53791/
https://resou.osaka-u.ac.jp/ja/research/2021/20210129_1

キーワード 熱電材料、ナノ結晶、ユビキタス元素、結晶方位、環境調和型材料

95

ナノテクノロジー・材料

有機半導体、有機EL、創薬化学

炭素を埋め込み輪をつくる
新しいカップリング反応の実現
工学研究科

応用化学専攻講師 西井 祐二
Researchmap

https://researchmap.jp/y_nishii

研究の概要

ナノテクノロジー・材料

有機分子中に含まれる炭素 – 水素結合を金属触媒によって切断し、2炭素ユニットを組
み込み新たな環構造を組み上げる斬新なカッ
プリング反応（ビニレントランスファー法）
を開発した。安価な固体試薬である炭酸ビニ
レンが、アセチレンガスの合成等価体として機能することを世界で初めて実証し、炭酸（水＋二酸化炭素）のみを副生するクリーンな化
学変換を実現した。本反応の開発によって、機能性材料の基礎骨格として広く用いられている、様々な縮環芳香族化合物を迅速に構築することが可能となった。

を再発見することで、創薬・超分子化学・マ
テリアルサイエンスなど関連分野に波及効果が期待できる。

▍ 研究の意義と将来展望「置換基を持たない」多環構造は、有機合成分野におけるターゲット構造として良く見られるものではあり、本研究で開発したビニ
レントランスファー法は、その最もシンプル
かつ革新的な構築手法を提供するものである。
多環芳香族化合物は「機能の宝庫」と呼べるほど様々な機能性材料に利用されており、特に、有機 EL や薄膜太陽電池などの有機エレクトロニクス分野に高い利用価値があると考える。また「環化カップリング反応でしか構築できない」分子骨格が多数あることを踏まえると、今まで見過ごされてきた分子の価値

特

論

許

Ghosh, Koushik; Nishii, Yuji; Miura, Masahiro; Rhodium-Catalyzed Annulative Coupling
Using Vinylene Carbonate as an Oxidizing Acetylene Surrogate. ACS Catalysis. 2019;9: 11455-11460. doi: 10.1021/acscatal.9b04254.
Ghosh, Koushik; Nishii, Yuji; Miura, Masahiro; Oxidative C-H/C-H Annulation of Imi文 dazopyridines and Indazoles through Rhodium-Catalyzed Vinylene Transfer. Organic
Letters, 2020; 22: 3547-3550, doi: 10.1021/acs.orglett.0c00975.
Mihara, Gen; Nishii, Yuji; Miura, Masahiro et al. Concise Synthesis of Isocoumarins
through Rh-Catalyzed Direct Vinylene Annulation: Scope and Mechanistic Insight.
Organic Letters. 2020; 22: 5706-5710.  doi: 10.1021/acs.orglett.0c02112.

参 考 URL http://www.chem.eng.osaka-u.ac.jp/~miura-lab/96

キーワード 触媒化学、有機エレクトロニクス、カップリング反応

ナノテクノロジー・材料

有機電子材料、センサー

芳香環を密に接近させたπクラスターシステムの構築とその物性の解明
理学研究科

化学専攻

助教 西内 智彦
Researchmap

https://researchmap.jp/t-nishiuchi

研究の概要

ナノテクノロジー・材料

ベンゼン環を基本骨格に持つ多環芳香族炭化水素 (PAH) は様々な分子骨格を持つもの
がこれまでに合成され、その一部は有機半導体や有機発光ダイオードに代表される有機デバイスの開発にも展開されている。本研究では、多様な分子骨格を有する PAH が存在す
る今日において、複数の芳香環の面同士を炭素のファンデルワールス半径の和である3.4
Å よりも接近させたπクラスターシステムに注目し、芳香環が密集することで初めてみせる独特な物性の解明を目的としている。

ることにも注力して分子骨格の多様化を行っており、様々な用途に使用できる汎用性の高い機能性材料としての展開も見据えている。

▍ 研究の意義と将来展望
複数の芳香環を密集させると、芳香環同士のπ電子軌道が相互作用することでその芳香環が一枚の時とは全く異なる物性、例えば吸収・発光挙動の変化や電子供与性・受容性の変化、さらには光照射による分子骨格の異性化やその固体をすり潰すといった物理的刺激を与えることによる分子骨格の変化に伴う吸収・発光色の変化など多様な挙動を示す。すなわち芳香環を密接させるという単純なコンセプトで様々な物性を引き出すことが可能となる。一方で芳香環を密集させた分子は、合成の際に低収率で得られるなど困難が伴う場
合が多く、その分子骨格は限られていた。そこで効率よくπクラスターシステムを構築す

特

論

許

Nishiuchi, Tomohiko; Kisaka, Kazuki; Kubo,Takashi. Synthesis of Anthracene-Based
Cyclic π-Clusters and Elucidation of their Properties Originating from Congested
Aromatic Planes. Angew. Chem. Int. Ed. 2021; 60(10): 5400-5406. doi: 10.1002/anie.
文 202013349
Nishiuchi, Tomohiko; Sotome, Hikaru; Kubo, Takashi et. al. Optical nature of non-substituted triphenylmethyl cation: Crystalline state emission, thermochromism, andphosphorescence. Aggregate. 2021; 2(6): e126. doi: 10.1002/agt2.126

参 考 URL http://www.chem.sci.osaka-u.ac.jp/lab/kubo/

キーワード 多環芳香族炭化水素、πクラスター、外部刺激応答性、発光特性、クロミズム特性

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ナノテクノロジー・材料

エネルギー、電子デバイス

１2. ご自身の顔写真のご提供※ 印刷可能な解像度のものを電子ファイルにてご提供ください。
藤井

吉矢

結晶粒界の原子配列に基づく
熱伝導度の直接的予測
工学研究科

マテリアル生産科学専攻

助教 藤井 進教授 吉矢 真人

Researchmap

https://researchmap.jp/susumufujii

Researchmap

https://researchmap.jp/read0210118

研究の概要
ナノテクノロジー・材料

機能性・構造材料の多くは、微細な結晶粒から構成された多結晶体として使用されている。結晶粒の間に形成される結晶粒界（以下、粒界と呼ぶ）は、物質の結晶構造とは異なる
電子・原子配列を有する。したがって、示す性質も様々であり、結果的に機械的、電気的、熱的特性など、多岐に渡る巨視的材料特性に大きな影響を及ぼす。もし粒界構造と巨視的特性の相関を解明出来れば、材料中の微視的構造に基づいた新奇の材料設計が可能になる。
本研究では、原子レベルの計算科学手法を用いて多様な MgO 粒界の熱伝導度を評価した。
そして、得られたデータに対して種々の機械学習を行うことで、粒界の原子配列からその熱伝導性を直接予測可能なモデルを構築した。
つまり、モデル材料 MgO について、粒界構
造と熱伝導度の相関関係を初めて定量的に解
明した。

吉矢

体中に形成されやすい粒界構造を把握することができ、材料プロセスの最適化に繋がる。
さらに、熱伝導度以外の巨視的特性の構造依存性も併せて解明すれば、複数特性の同時制
御を粒界分布によって実現でき、多機能性を有する新規材料の開発に繋がる。
（主要１）

（主要２）

▍ 研究の意義と将来展望
本研究で開発した予測手法を他の実用材料に応用すれば、熱電変換材料など、遮熱・放熱に関連する機能性材料全般の材料設計に役立つ指針が得られる。また、粒界エネルギーの構造依存性へと研究を展開すれば、多結晶（補足図はなし）

特論

許Fujii, Susumu; Yoshiya, Masato et al. Quantitative prediction of grain boundary thermal
conductivities from local atomic environments. Nature Communications. 2020; 11(1):1854. doi: 10.1038/s41467-020-15619-9
Fujii, Susumu; Yokoi, Tatsuya; Yoshiya, Masato. Atomistic mechanisms of thermal
文 transport across symmetric tilt grain boundaries in MgO. Acta Materialia. 2019; 171:154-162. doi: 10.1016/j.actamat.2019.04.009
Sekimoto, Wataru; Fujii, Susumu; Yoshiya, Masato. Direct numerical analyses of nanoscale thermal transport near MgO edge dislocations. Scripta Materialia. 2021; 202:113991. doi: 10.1016/j.scriptamat.2021.113991

参 考 URL http://www.mat.eng.osaka-u.ac.jp/msp8/index_j.html

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キーワード 計算材料科学、機械学習、ナノ構造、格子欠陥、熱伝導

以上

以上

＜英語＞
Statistical Physics, Soft-matter Physics, Glass transitions, Jamming

ナノテクノロジー・材料

９．応用分野

＜日本語＞
レオロジー、アモルファス物質

レオロジー、アモルファス物質＜英語＞
ジャミングの物理における普遍性
rheology, amorphous material

サイバーメディアセンター
准教授 吉野 元
Researchmap

図 2 粒子の中心から距離 r にある他の粒子の平均的な数

Fig. 2 Average number of particles aparticle

１2. ご自身の顔写真のご提供※ 印刷可能な解像度のものを電子ファイルにてご

１0．特許ありません。

https://researchmap.jp/read0076565
１1．上記ご研究に関連する画像（図表・イラスト・写真）

研究の概要

ナノテクノロジー・材料

最もシンプルなガラス状態である剛体球ガラスに対して、圧縮やシア（剪断）をかける
数値シミュレーションをスーパーコンピューター用いて行いました。その結果、様々な密度と異方性をもつ膨大な数のジャミング状態を生成することに成功しました（図1)。これ
らのジャミング状態について解析すると、力図１
図1 ジャミング密度近傍にある高密度の剛体球ガラス
ジャミング密度近傍にある高密度の剛体球ガラス
学的にマージナルな安定状態であり、すべて同一の臨界性を持つことが明らかになりました。例えば、粒子の中心から距離 r にある他の粒子の平均的な数（図2) を見ると、様々なジャミング密度φ j を持つ配置で共通する普遍的な振る舞いになっています。左図から平均配位数は6であり、力学的にぎりぎりの安定状態にあることがわかります。また右図から、ほとんど接触しかけている粒子の数は、
普遍的な指数で特徴づけられるベキ分布に従っていることがわかります。これはある種
図2 粒子の中心から距離r にある他の粒子の平均的な数
図 2 粒子の中心から距離r にある他の粒子の平均的な数の臨界状態にあることを示唆します。本研究
Fig. 2 Average number of particles at distance r from aの成果により、身近にありながら結晶に比べparticleて多くの未解決問題をもつガラスの基礎物理の理解が進展すると期待されます。
ご自身の顔写真のご提供glass at a high density close to
Fig. 1 １2.
Hard-sphere※ density
印刷可能な解像度のものを電子ファイルにてご提供ください。
jamming▍ 研究の意義と将来展望

本研究成果により、結晶とは異なり、乱れたまま固体となったガラスの基礎的理解が進
むことが期待されます。また将来的には、身近な工業材料や食品において重要なコロイドなど、高密度のソフトマターの制御に役立つと期待されます。

特

許

論

文

以上

Jin, Yuliang; Yoshino, Hajime. A jamming plane of sphere packings. PNAS. 2021; 118(14): e2021794118. doi: 10.1073/pnas.2021794118

参 考 URL http://www.cp.cmc.osaka-u.ac.jp/~yoshino/

キーワード 統計力学、ソフトマター物理、ガラス転移、ジャミング

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