資源戦略学講座

Resources Strategies

環境素材設計学分野

Design of environment-friendly materials

Design of materials harmonizing with environment and life

教授 松原 秀彰

准教授 上高原 理暢

ProfessorAssociate Professor

Hideaki Matsubaraある。本分野では、材料と自然・生命現象の相互作用についての基礎学術に立脚し、環境科学の観点から、生命や環境と調和し、さらには積極的に生命や自然に働きかけて新しい調和を生み出す材料のデザインの探求を行っている。具体的には、省エネルギーのための材料、生体を修復するための材料、環境を浄化するための材料の開発、コンピューターシミュレーションの研究を行っている。
Nowadays, we are using many materials to live our daily life. From the viewpoint of environmental science, materials design is required in order to build
a sustainable society. In this laboratory, based on the fundamental science of the relationship between materials and phenomena of nature and life, thedesign of materials that produce harmony with the environment and life is studied from the viewpoint of environmental science. We are developing
materials for energy saving, biomaterials to repair our bodies, and materials to clean the environment and are studying computer simulations.

航空機エンジン用セラミックスコーティングのシミュレーション
現在、航空機エンジンの高温部品には熱遮蔽コーティングが広く適用されており、今後は新規コーティングである耐環境性コーティングの研究が重要になってくると考えられる。本研究では、セラミックスコーティングの組織形成、組織変化、損傷・剥離のシミュレーションを行っている。モンテカルロ法を用いて、特異（柱状晶、羽毛状）な構造の形成と焼結・粒成長による組織変化を再現できるシミュレーション技術を開発し、有限要素法を用いて、焼結による膜の形状変化を再省エネのための断熱・蓄熱システムの開発
エネルギー消費を抑え、化石燃料に依存しない暮らしへ移行するた
めには、自然・未利用熱 ( 地中熱、太陽熱、雪氷、工場排熱等 ) の利用が重要となる。種々の熱源と蓄熱槽を組み合わせることにより、最小限のエネルギー消費で自然・未利用熱を有効利用するためのシステム構築が可能となる。特に夏の温熱を冬に、冬の冷熱を夏に利用したい場合には、これらの熱を長期間に蓄えておく断熱性能がそのまま利用可能熱量に直結する。本研究室では、季節間の熱利用を行うことを想定し、高性能の新規断熱材料を開発し、断熱（熱保存）性能を評価するとともに、熱を蓄えつつ一定温度で放出可能な槽 ( 熱池と呼称 )と複数の熱源を組み合わせた回路によって熱利用システムの効率等を評価している。

材料組織形成のシミュレーション
モンテカルロ法、有限要素法、分子動力学法などを用いて、セラミッ
クスや複合材料の組織形成のシミュレーションの研究を行っている。
例えば、複数の固相、液相、気孔を含む材料の組織変化を、温度と時間との関係で追うことのできるシミュレーションを開発した。液相焼結として有名な WC-Co 超硬合金の粒成長を抑える新しい手法として、第 2 固相粒子をピン止め粒子として添加する材料設計手法を、MC シ

Development of a thermal insulation/storage system for energy conservation
In order to reduce energy consumption and shift to a life independent fromfossil fuels, it is important to use natural and unutilized heat. By combining
heat sources and storage, it is possible to construct a system to utilize
natural and unutilized heat effectively with minimum energy consumption.
In this laboratory, assuming that heat is used across seasons (summer andwinter), we developed a new high-performance insulation material andevaluated its insulation performance. The heat utilization efficiency of theheat utilization system was evaluated by using a circuit combining heatstorage and several heat sources.

Simulation of formation of material
microstructure
We are studying the simulation of the microstructure formation ofceramics and composites using the Monte Carlo method, the finite element
method, and the molecular dynamics method. For example, we developeda simulation that can calculate changes in the structure of a material
including several solid phases, liquid phases and pores from the viewpointof the relationship between temperature and time. We also studied thematerial design of the second particle addition as a new way to inhibit
grain growth in WC-Co cemented carbide, which is a well-known materialof liquid phase sintering and compared it to the Monte Carlo simulation.

8Coexistence Activity Report 2017

生体に調和する材料の創製
代謝に組み込まれて生体機能に働きかける骨修復材料ならびに薬剤を効果的に放出できる薬剤担体の創製を行っている。これまでに、生体内で吸収され骨の代謝に組み込まれる人工骨の作製に成功している。これらの材料が骨代謝を活性化するメカニズムの解明にも取り組んでいる。適切な部位に適切な量の薬剤を送り込むことにより薬剤の効用を向上させるとともに薬剤の使用量を減らすことのできるドラッグデリバリーシステム（DDS）の担体として、リン酸八カルシウムと水酸アパタイトの複合相からなる顆粒の作製にも成功している。これらの材料の開発は、患者の生活の質（QOL）を向上させるだけでなく、環境低負荷医療の実現に貢献できると考えている。

学会等での活動
下記のように、学会等でも積極的に活動をしている。
松原秀彰：粉体粉末冶金協会理事、同協会硬質材料分科会主査、粉体および粉末冶金編集委員長、日本セラミックス協会エンジニアリングセラミックス部会委員、日本セラミックス協会東北・北海道支部委員、賢材研究会幹事
上高原理暢：Associate Editor of Journal of the Ceramic Society ofJapan、日本バイオマテリアル学会評議員、日本セラミックス協会第 30 回秋
季シンポジウム特定セッションオーガナイザー（代表者）

ミュレーションと比較する形の研究で進めている。

Fig.1 Heat insulation vessel (a) with vacuum wall and porous silica powder andsimulation study (b) showing heat transfer from heat storage material in the vessel.

現できるシミュレーション技術や膜の剥離の解析技術を開発した。

Fig.2 Simulation and experiment of pinning effect by the second phaseparticle on grain growth at liquid phase sintering.

Fig.3 Simulation for microstructure change in the top coat of
the environmental barrier coating.

Group Photo

Simulation of ceramics coating for jet engines
Thermal barrier coating of ceramics is widely used in high-temperatureand high-pressure parts of jet engines. Environmental barrier coatings are
considered to be a very important ceramic technology for new jet engines.
This study aimed to develop a simulation technique for microstructureformation and change and for delamination/fracture in ceramic coatings.
The Monte Carlo method was used for the simulation of deposition andsintering, and the finite element method was used for the simulation ofdeformation and delamination of ceramic coating.

Preparation of materials harmonizing with life
In this laboratory, we designed bone-repairing materials that can beincorporated into bone metabolism and activate the biological functions
and drug carriers to release drugs efficiently. We succeeded in thepreparation of artificial bone that can be resorbed in vivo and incorporated
into bone metabolism. We are also studying the mechanism by which thesematerials activate bone metabolism. This involved developing biphasic
granules of octacalcium phosphate and hydroxyapatite as carriers of adrug delivery system (DDS) capable of improving the utility of a drug andreducing the amount of drug by releasing an appropriate amount of it to an
appropriate site. We believe that the development of these materials not
only improves the quality of life (QOL) of patients but also contributes tothe realization of medicine with low environmental impact.

Department of Environmental Studies for Advanced Society

現在、我々は様々な材料を利用して生活を営んでいる。持続可能な社会を構築するためには、環境科学の観点からの材料のデザインが必要でMasanobu Kamitakahara

先進社会環境学専攻

環境や生命に調和する材料デザインを求めて

Activities in academic societies
As noted, we are active in academic societies.
Hideaki Matsubara: Director of the Japan Society of Powder and Powder
Metallurgy, Chairperson of the Technical Division of the Hard Materials
Committee of the Japan Society of Powder and Powder Metallurgy, Chief
Editor of the Journal of the Japan Society of Powder and Powder
Metallurgy, Committee Member of the Engineering Ceramics Division ofthe Ceramic Society of Japan, Committee Member of the TohokuHokkaido Branch of the Ceramic Society of Japan, Secretary of the Society
for Intelligent Materials.
Masanobu Kamitakahara: Associate Editor of the Journal of the CeramicSociety of Japan, Committee Member of the Japanese Society for
Biomaterials, Session organizer of the 30th Fall Symposium of the CeramicSociety of Japan Organizer (Representative).

Fig.4 Scanning electron microscopic images of biphasic granule of octacalcium
phosphate and hydroxyapatite. (a) Low magnification and (b) High magnification.

Coexistence Activity Report 20179