いま持続可能な社会づくりへ
IMRAM-東北大学多元物質科学研究所
環境問題、エネルギー問題、地球温暖化…。我々は今、地球規模で解決しなければいけない問題に直面しています。
東北大学多元物質科学研究所は、まさにこれらの問題を解決し、持続可能社会を実現することを目指しています。
将来世代へ負の遺産を残さない「持続可能な社会（Sustainable Society））の実現。
積み重ねる様々な研究により、少しずつ未来へ歩みを進めていきたいと考えています。

東北大学多元物質科学研究所 所長あいさつ

03

FOREFRONT REVIEW

04

ナノサイズ磁性体の物性を究め
先端磁気メモリーデバイスへ展開
北上 修 教授05

高橋 聡 教授11

さまざまな観測手法の開発により
タンパク質の未知の領域に迫る
高温での
“その場”
観察から
斬新な素材製造プロセスシーズを
柴田 浩幸 教授

17

低炭素・資源循環型社会に向けて
機能性粉体プロセスの可能性に挑む
加納 純也 教授23

高田 昌樹 教授29

陣内 浩司 教授

35

放射光X線によるナノ可視化技術の開発と応用
高分子による自己組織化の電子顕微鏡による構造研究
非鉄金属製錬技術を駆使した未来のための金属資源循環への挑戦
柴田 悦郎 教授

1

TAGEN FOREFRONT

41

多元物質科学研究所が推進する研究

47

編集後記

50

TAGEN FOREFRONT 2

いま持続可能な社会づくりへ
IMRAM-東北大学多元物質科学研究所
環境問題、エネルギー問題、地球温暖化…。我々は今、地球規模で解決しなければいけない問題に直面しています。
東北大学多元物質科学研究所は、まさにこれらの問題を解決し、持続可能社会を実現することを目指しています。
将来世代へ負の遺産を残さない「持続可能な社会（Sustainable Society））の実現。
積み重ねる様々な研究により、少しずつ未来へ歩みを進めていきたいと考えています。

東北大学多元物質科学研究所 所長あいさつ

03

FOREFRONT REVIEW

04

ナノサイズ磁性体の物性を究め
先端磁気メモリーデバイスへ展開
北上 修 教授05

高橋 聡 教授11

さまざまな観測手法の開発により
タンパク質の未知の領域に迫る
高温での
“その場”
観察から
斬新な素材製造プロセスシーズを
柴田 浩幸 教授

17

低炭素・資源循環型社会に向けて
機能性粉体プロセスの可能性に挑む
加納 純也 教授23

高田 昌樹 教授29

陣内 浩司 教授

35

放射光X線によるナノ可視化技術の開発と応用
高分子による自己組織化の電子顕微鏡による構造研究
非鉄金属製錬技術を駆使した未来のための金属資源循環への挑戦
柴田 悦郎 教授

1

TAGEN FOREFRONT

41

多元物質科学研究所が推進する研究

47

編集後記

50

TAGEN FOREFRONT 2

多 元の可 能 性が
新 しい世 界 を 拓 く

東北大学多元物質科学研究所 所長

村松 淳司
MURAMATSU, Atsushi

東北大学・多元物質科学研究所（以下、多元研。）
が日々刻々と成長していく、多元研では、資源から最先誕生して１５年目を迎えます。従来の区別にとらわれない、

端材料までの垂直方向、そして無機、有機、バイオなど

物質、材料を含む、あらゆる“もの”を多元的に研究す

あらゆる物質材料を含む水平方向の両機軸を、ハイブリッ

る、特徴ある研究所として２００１年４月に誕生し、おかげドにカバーした、独創的で斬新な研究が、数多く行われさまで、一般社会にも次第に認知されつつあります。そています。そうした多元研の研究者の横顔をシリーズ化の礎は、創立１９４１年以来受け継がれる、選鉱製錬研して紹介する「TAGEN FOREFRONT」で、今回も最究所（素材工学研究所）、科学計測研究所、非水溶液

先端研究の一端を触れていただきます。

化学研究所（反応化学研究所）のスピリットであり、今年２０１１年３月の東日本大震災から４年が経過し、多元で７５年目を迎える伝統の力を、ひしひしと感じます。先研は物質材料における東北復興への貢献と、未来を背人たちが切り開いてきた多くの研究分野と、輝かしい研負う新進気鋭の優秀な研究者の輩出を、今後も積極的究成果が、漏れることなく、多元研に引き継がれており、に担っていきます。

過去から未来への時間軸の中で、研究所のあちらこちら

そして今年は多元研は在籍する教職員、学生、研究生、で、時空を超えて融合していく姿を見ることができます。

研究者らが一丸となって、多元研ブランドの浸透を目指して

東北大学の学内での部局間交流も非常に活発であり、昨年にはその象徴ともいえる、独立した産学連携先端材「TEAM TAGEN」を展開します。

料研究開発センターが設置されました。従来の研究所

今後とも、変わらぬ連携に加えて、理学研究科、工学研究科、生命科学

ご支援を賜りますよう宜

研究科、環境科学研究科などすべての学内部局との密しくお願いいたします。

接な連携から、新たな物質材料研究が日々誕生してきています。

3

TAGEN FOREFRONTTAGEN FOREFRONT 4

多 元の可 能 性が
新 しい世 界 を 拓 く

東北大学多元物質科学研究所 所長

村松 淳司
MURAMATSU, Atsushi

東北大学・多元物質科学研究所（以下、多元研。）
が日々刻々と成長していく、多元研では、資源から最先誕生して１５年目を迎えます。従来の区別にとらわれない、

端材料までの垂直方向、そして無機、有機、バイオなど

物質、材料を含む、あらゆる“もの”を多元的に研究す

あらゆる物質材料を含む水平方向の両機軸を、ハイブリッ

る、特徴ある研究所として２００１年４月に誕生し、おかげドにカバーした、独創的で斬新な研究が、数多く行われさまで、一般社会にも次第に認知されつつあります。そています。そうした多元研の研究者の横顔をシリーズ化の礎は、創立１９４１年以来受け継がれる、選鉱製錬研して紹介する「TAGEN FOREFRONT」で、今回も最究所（素材工学研究所）、科学計測研究所、非水溶液

先端研究の一端を触れていただきます。

化学研究所（反応化学研究所）のスピリットであり、今年２０１１年３月の東日本大震災から４年が経過し、多元で７５年目を迎える伝統の力を、ひしひしと感じます。先研は物質材料における東北復興への貢献と、未来を背人たちが切り開いてきた多くの研究分野と、輝かしい研負う新進気鋭の優秀な研究者の輩出を、今後も積極的究成果が、漏れることなく、多元研に引き継がれており、に担っていきます。

過去から未来への時間軸の中で、研究所のあちらこちら

そして今年は多元研は在籍する教職員、学生、研究生、で、時空を超えて融合していく姿を見ることができます。

研究者らが一丸となって、多元研ブランドの浸透を目指して

東北大学の学内での部局間交流も非常に活発であり、昨年にはその象徴ともいえる、独立した産学連携先端材「TEAM TAGEN」を展開します。

料研究開発センターが設置されました。従来の研究所

今後とも、変わらぬ連携に加えて、理学研究科、工学研究科、生命科学

ご支援を賜りますよう宜

研究科、環境科学研究科などすべての学内部局との密しくお願いいたします。

接な連携から、新たな物質材料研究が日々誕生してきています。

3

TAGEN FOREFRONTTAGEN FOREFRONT 4

FOREFRONT REVIEW

01

ナノサイズ磁性体の物性を究め
先端磁気メモリーデバイスへ展開
私たちの日常生活をよく見渡してみると、いわゆる磁性体が重要な役割を果たしているものが非常に多いことに気づきます。例えば発電に使われるモーターやタービンは、すべて磁石の固まり。国内電力消費量の約６割近くがモーターを使って発電されています。磁性体の性能を仮に１パーセントでも向上させることができれば、相当量の低炭素化に役立つということができます。もう１つ、磁性体が使われている重要なものがメモリーです。パソコンなどに使われているハード
ディスクドライブ（ＨＤＤ）
は、電源をオフにしても記録が残ります。半導体は電源をオフにすると記録が消えますが、磁気は電源を切っても記録が残り、半導体に比べて電力消費を大幅に削減できることになります。半導体を磁気に置き換えて、消費電力の低減を図るというのが、一つの流れになっています。このように、磁性体をどのように改良していくか、どれぐらい性能をよくできるか研究することは、社会多元物質科学研究所
無機材料部門
ナノスケール磁気デバイス分野

FOREFRONT REVIEW
現在の電子デバイスは最小構成単位がナノサイズになっており、磁性体のサイズも 10nm 程度に微細化されています。このため、ナノサイズ特有の現象や性質を知らないと、その有効性や機能性を生かせず、デバイスの設計もできないことになります。ナノサイズの物質では、何がどのように変わってくるのか。磁気的な性質はどう変わってくるのか。北上研究室では、これら基本的な課題を解決することが、デバイス開発を進めていく上でも非常に重要であると

教授

北上
修
K ITAKAMI, Osamu

1954年新潟県生まれ。1980年東北大学大学
院工学研究科修士課程修了（工学博士）。1980

考え、ナノサイズ粒子の結晶相安定性、単一ナノ粒子の物性、新規

年株式会社日立マクセル入社、1993年同社退な高密度メモリー技術の提案などの研究課題に取り組んでいます。

2001年東北大学多元物質科学研究所助教授

社。1993年東北大学科学計測研究所助教授、（組織再編による変更）、2005年東北大学多元物質科学研究所教授、現在に至る。所属団体／
日本磁気学会、
日本物理学会、
日本金属学会、

生活基盤における重要なテーマとなっています。
情報社会と言っているものを記憶容量という観点で見てみると、
２０１０年の情報データ量は約４００ＥＢ（エクサバイト／エクサ＝１０の１８乗＝１００京）と言われます。これから情報量はさらに増えていくと予想されています。２０１８年のデータ量は６，０００ＥＢを超すとの予測もあります。大事なのは、記憶媒体の主力はＨＤＤであり、これら膨大なデータの９０パーセント以上がＨＤＤに記録されているという事実です。
ＨＤＤの性能向上を実現させていくことができれば、これから情報量がさらに増えていく社会の動きにも対応していけますし、それができなければ、他の記録技術が急速に進化でもしない限り、情報社会が停滞してしまうということにもなりかねません。
ナノサイズにおいて磁性体の物性を解明するという、基礎的な分野の研究に携わる北上研究室は、このような技術開発の出口を強くIEEE意識しており、超高密度磁気記録、新規な磁性材料・デバイス構

http://www.tagen.tohoku.ac.jp/modules/

造の探索などを視野に入れ、先端的な取り組みを進めています。

laboratory/index.php?laboid=30

5

TAGEN FOREFRONTTAGEN FOREFRONT 6

FOREFRONT REVIEW

01

ナノサイズ磁性体の物性を究め
先端磁気メモリーデバイスへ展開
私たちの日常生活をよく見渡してみると、いわゆる磁性体が重要な役割を果たしているものが非常に多いことに気づきます。例えば発電に使われるモーターやタービンは、すべて磁石の固まり。国内電力消費量の約６割近くがモーターを使って発電されています。磁性体の性能を仮に１パーセントでも向上させることができれば、相当量の低炭素化に役立つということができます。もう１つ、磁性体が使われている重要なものがメモリーです。パソコンなどに使われているハード
ディスクドライブ（ＨＤＤ）
は、電源をオフにしても記録が残ります。半導体は電源をオフにすると記録が消えますが、磁気は電源を切っても記録が残り、半導体に比べて電力消費を大幅に削減できることになります。半導体を磁気に置き換えて、消費電力の低減を図るというのが、一つの流れになっています。このように、磁性体をどのように改良していくか、どれぐらい性能をよくできるか研究することは、社会多元物質科学研究所
無機材料部門
ナノスケール磁気デバイス分野

FOREFRONT REVIEW
現在の電子デバイスは最小構成単位がナノサイズになっており、磁性体のサイズも 10nm 程度に微細化されています。このため、ナノサイズ特有の現象や性質を知らないと、その有効性や機能性を生かせず、デバイスの設計もできないことになります。ナノサイズの物質では、何がどのように変わってくるのか。磁気的な性質はどう変わってくるのか。北上研究室では、これら基本的な課題を解決することが、デバイス開発を進めていく上でも非常に重要であると

教授

北上
修
K ITAKAMI, Osamu

1954年新潟県生まれ。1980年東北大学大学
院工学研究科修士課程修了（工学博士）。1980

考え、ナノサイズ粒子の結晶相安定性、単一ナノ粒子の物性、新規

年株式会社日立マクセル入社、1993年同社退な高密度メモリー技術の提案などの研究課題に取り組んでいます。

2001年東北大学多元物質科学研究所助教授

社。1993年東北大学科学計測研究所助教授、（組織再編による変更）、2005年東北大学多元物質科学研究所教授、現在に至る。所属団体／
日本磁気学会、
日本物理学会、
日本金属学会、

生活基盤における重要なテーマとなっています。
情報社会と言っているものを記憶容量という観点で見てみると、
２０１０年の情報データ量は約４００ＥＢ（エクサバイト／エクサ＝１０の１８乗＝１００京）と言われます。これから情報量はさらに増えていくと予想されています。２０１８年のデータ量は６，０００ＥＢを超すとの予測もあります。大事なのは、記憶媒体の主力はＨＤＤであり、これら膨大なデータの９０パーセント以上がＨＤＤに記録されているという事実です。
ＨＤＤの性能向上を実現させていくことができれば、これから情報量がさらに増えていく社会の動きにも対応していけますし、それができなければ、他の記録技術が急速に進化でもしない限り、情報社会が停滞してしまうということにもなりかねません。
ナノサイズにおいて磁性体の物性を解明するという、基礎的な分野の研究に携わる北上研究室は、このような技術開発の出口を強くIEEE意識しており、超高密度磁気記録、新規な磁性材料・デバイス構

http://www.tagen.tohoku.ac.jp/modules/

造の探索などを視野に入れ、先端的な取り組みを進めています。

laboratory/index.php?laboid=30

5

TAGEN FOREFRONTTAGEN FOREFRONT 6

FOREFRONT REVIEW

作製したナノ磁性体試料に対し様々

01

左の画面の中央部にあるのが、L10 構な構造解析や物性評価を行う。特に造の単結晶の粒子1個。四方から電極

磁気特性評価にあたっては、研究目をつけて微弱な電流を流すと、この磁的に応じ研究室所有の装置を用い試料を適宜調整する。

TERM INFORMATION

石の性質を反映した電圧が観測されナノサイズる。この電圧検出により極めて高感度

ここではナノメートル（ｎｍ）
スケールのサイズというに1粒子の磁化挙動を測定することができる。

意味で使っています。ナノ（ｎａｎｏ）
は１０億分の１を表わす単位で、したがってナノメートルは１０億分の
１メートル（あるいは１００万分の１ミリ）です。この1個のナノサイズ粒子に着目して物質の構造や物性を探索する

程度のサイズになると、量子効果や表面効果が顕著に現われ、我々が日常眼にする物質とは異なる性質が現われてきます。現在の先端電子・磁気デバイスの構成要素もこのサイズ領域に入りつつ
あります。

磁性体

ナノサイズの物質は構造や性質がどう変わるのか

程度もの元素があるけれども、われわれ（ｈｃｐ）という結晶構造をとります。コバル

１個のナノサイズ磁性体に着目して計測する技術はないか

が磁石といっているものは、これしかない。

ト原子が六角柱状に配置したこの構造が北上教授の研究のもう１つのアプローているような、先が見えない状態。答え「ナノメートルサイズの物質では、それ

鉄・コバルト・ニッケル。こういう磁性体を最もエネルギー的に安定だからです。温

チは、磁性体をナノサイズまで小さくし、がどこにあるのか、わからない状態で模を構成する原子の数はたかだか１０万個

対象に、それを小さくナノサイズにした時度を上げると、面心の立方構造（ｆｃｃ）にその１個の粒子を調べることです。「たと索しなければいけないのは、研究のいち程度。この世界では、われわれがふだんにどういう変化が生じるのか。ふだん、わ変わります。「半世紀以上前から、コバ

えば１個のナノ磁性体の磁気の強さ（磁

ばん苦しくもワクワクする面ですね」と北見ている物質とはまったく異なる構造や性

れわれが目にする物質は、ダイヤモンドでルトは小さくすると安定な六方最密構造

気モーメント）は１０－１４ｅｍｕ程度。一方、

上教授は話す。

質を示す場合があります」。しかし実際にも食塩でも、原子が規則正しく並んだ結から面心立方構造に変化するらしいこと

最も高感度なＳＱＵＩＤ磁力計でさえ、そは、何がどのように変わるかについては明晶構造を取っています。しかし、物質をドがわかっていた。ただシステマティックにの感度は１０－８ｅｍｕ程度。これをどうやっらかにされていないと言います。「それをンドン小さくしていった場合、その構造や研究する動きもなかったし、分析手段もなて測るか。非常に難しい課題だった」。

サイズによって変化する結晶構造理論と実験で実証

少なくとも磁気をキーワードにして明らかに性質は日常生活で目にするものと果たしてかった」。要するに、サイズに依存した結この計測技術を確立するために、学生を「われわれはコバルトのナノ粒子を作りしたいというのが、われわれのミッションで同じなんだろうか」。北上教授は、そう問

晶構造の変化の様子や理由は明らかにさ含む若手が中心となり長期にわたり研究ました。そしてサイズによって原子の並びす」と北上教授は話します。

題提起します。実は物質のサイズに依存れていませんでした。「そこをきちんと磁を進めました。そして最終的に１粒子検方が変わるのかどうか。
それを実証したの「周期表の中で室温で磁性を示す元素

し、物性のみならず構造までも変化する性体に対して調べようというのが、基本的出が可能な「超高感度磁化検出技術」がが、このデータです」（下図「コバルトの結は３つしかありません。自然界に１００種類

ことが明らかになってきました。

な課題です」。

開発されました。

晶構造におけるサイズ効果」参照）と北上「さらに、こういったナノ磁性粒子に磁教授は説明します。

たとえばコバルトは、六 方 最 密 構 造

使した物性の探索。「それら一連の動き

磁性体には様々な種類がありますが、一般に磁性は、非常に困難な課題がいくつも連なっリ磁性体で、
それらは様々な形で私達の日常生活体あるいは磁石と呼ばれるものは強磁性体やフェにおいて利用されています。強磁性体では、粗っぽい言い方をすれば、物質を構成する各原子が磁気モーメントを有し隣接原子と相互作用して平行に並びます。
その結果、全体の磁気モーメントが揃い、非常に強い磁力（磁場）を生み出します。

ＳＱＵＩＤ
Ｓｕｐｅ
ｒ
ｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ ＱＵａｎ
ｔ
ｕｍ Ｉ
ｎ
ｔ
ｅ
ｒ
ｆ
ｅ
ｒ
ｅｎｃｅ
Ｄｅｖ
ｉ
ｃｅの略であり、超伝導量子干渉素子と呼ばれます。
ＳＱＵＩＤは、弱く結合させた２つの超伝導体
ジョセフソン接合と呼ばれる素子を用いた磁気センサであり、微小磁場の検出に利用されます。

超高感度磁化検出技術
まさに非常に高い感度で磁気情報を検出する技術です。一般的な磁気測定法としては磁気天秤、
振動試料型磁力計、あるいは光磁気効果や磁気抵抗効果などを利用した様々な方法があります。
しかし１個のナノ磁性粒子を高感度に検出すること場を加えた場合、ピコ・ナノ秒スケール

１個の粒子に電子線をあてて回折パ

は決して容易ではありません。私達の方法では、磁で粒子の振る舞いはどうなるのか」。このターンを観測すると、サイズが大きい時に常ホール効果を原理としています。この電気的手

課題からは「高速磁化ダイナミクス計測技

は、明瞭な６回対称のパターンが得られて術」が必要であるとの方向性が定まってきいます。
「これは、原子の並び方、
つまり結

ました。

晶構造を反映したパターンで、この粒子が性体に電流を流すと直交方向に電圧が生じる異法は従来法に比べ非常に高感度で、かつ微細加工技術と組み合わせることにより１粒子の磁気計測が可能となります。

高速磁化ダイナミクス計測技術

これらの目的に特化した独自の技術開バルク結晶と同じ六方最密構造を有する

物質は一般に原子が周期的に配列した結晶構造から成る。
ダイヤモンドしかり、発があって初めて、ナノサイズ磁性体のことがわかります。粒子がもうちょっと小さ

録、
低コストなどの優れた特徴を持っているため、急速に情報化が進む現代社会において、ますます食塩しかり。
しかし物質をどんどん小さくしていくと構造に変化が生じる場合があ

重要性を増しているキーデバイスとなっている。
２０１０年の情報データ量４００ＥＢの約９０パーセントる。たとえばコバルトは六方最密構造（ｈｃｐ）構造が最もエネルギー的に安定だ

物性も少しずつ明らかになってきていまくなるとどうなるか。回折パターンは４回対以上はＨＤＤに記録された。出典：テクノシステムリサーチ（2011）

が、温度を上げると面心立方構造（ｆｃｃ）に変化する。

す。計測技術の開発と、その技術を駆称に変わり、結晶構造が面心立方構造に

ンプ－プローブ法と呼ばれる時間分解計測を、磁なっていることがわかりまクスが計測されています。
しかし１粒子計測への適磁気ディスクをはじめとする磁気メモリーは、電源供給なしに情報保存でき、高密度記録、高速記

音楽も読書も、あまり１つのものに固まらず。好きなものがたくさんありますす。
さらに小さくなるともっ

MY FAVORITEと複雑な形になる。
このように、サイズに応じて原

読書は以前からずっと好きです。学生の頃はドストエフスキーなど海外のものを読むことが多かっ磁性体の磁化の振舞いを理解するには、
非常に短い時間スケール（１兆分の１秒～１０億分の１秒）
での磁気計測技術が必要になります。一般的にはポ気光学効果と組み合わせることにより磁化ダイナミ用は容易ではありません。私達は、異常ホール効果を原理とする磁化検出技術と、独自に開発した大振幅パルス磁場発生装置を組み合わせ、微小磁性体の磁化ダイナミクス計測に取り組んでいます。

子の並び方が違うというたのですが、
その後はだんだん日本の小説が好きになって、永井荷風、谷崎潤一郎、三島由紀夫なことを理論と実験で示し

どを読むようになりました。今でもけっこう古い小説を中心に読んでますね。
あと音楽は、
ロック、ジャズ、
クラシックと幅広く聴きます。ロックで気に入っているのは、
Ｎｉ
ｒ
ｖａｎａ。

たというのが、われわれ

アメリカのバンドで、
バンド名は
「涅槃」
という意味です。
ジャズは、主にハードバップと言われるジャズの一つの成果です」と北の黄金期のものが好きですね。以前はＬＰレコードを２００枚ほど持っていました。
クラシックはいろい

上教授は話します。

ろ、
バロックや古楽まで聴きます。仕事をする時はバッハを聴くことが多いです。今夜は、
電力ホールにベートーヴェンの４大ピアノソナタのコンサートを聴きにいきます。
コバルト粒子の結晶構造に及ぼすサイズ効果
7

TAGEN FOREFRONTTAGEN FOREFRONT 8

FOREFRONT REVIEW

作製したナノ磁性体試料に対し様々

01

左の画面の中央部にあるのが、L10 構な構造解析や物性評価を行う。特に造の単結晶の粒子1個。四方から電極

磁気特性評価にあたっては、研究目をつけて微弱な電流を流すと、この磁的に応じ研究室所有の装置を用い試料を適宜調整する。

TERM INFORMATION

石の性質を反映した電圧が観測されナノサイズる。この電圧検出により極めて高感度

ここではナノメートル（ｎｍ）
スケールのサイズというに1粒子の磁化挙動を測定することができる。

意味で使っています。ナノ（ｎａｎｏ）
は１０億分の１を表わす単位で、したがってナノメートルは１０億分の
１メートル（あるいは１００万分の１ミリ）です。この1個のナノサイズ粒子に着目して物質の構造や物性を探索する

程度のサイズになると、量子効果や表面効果が顕著に現われ、我々が日常眼にする物質とは異なる性質が現われてきます。現在の先端電子・磁気デバイスの構成要素もこのサイズ領域に入りつつ
あります。

磁性体

ナノサイズの物質は構造や性質がどう変わるのか

程度もの元素があるけれども、われわれ（ｈｃｐ）という結晶構造をとります。コバル

１個のナノサイズ磁性体に着目して計測する技術はないか

が磁石といっているものは、これしかない。

ト原子が六角柱状に配置したこの構造が北上教授の研究のもう１つのアプローているような、先が見えない状態。答え「ナノメートルサイズの物質では、それ

鉄・コバルト・ニッケル。こういう磁性体を最もエネルギー的に安定だからです。温

チは、磁性体をナノサイズまで小さくし、がどこにあるのか、わからない状態で模を構成する原子の数はたかだか１０万個

対象に、それを小さくナノサイズにした時度を上げると、面心の立方構造（ｆｃｃ）にその１個の粒子を調べることです。「たと索しなければいけないのは、研究のいち程度。この世界では、われわれがふだんにどういう変化が生じるのか。ふだん、わ変わります。「半世紀以上前から、コバ

えば１個のナノ磁性体の磁気の強さ（磁

ばん苦しくもワクワクする面ですね」と北見ている物質とはまったく異なる構造や性

れわれが目にする物質は、ダイヤモンドでルトは小さくすると安定な六方最密構造

気モーメント）は１０－１４ｅｍｕ程度。一方、

上教授は話す。

質を示す場合があります」。しかし実際にも食塩でも、原子が規則正しく並んだ結から面心立方構造に変化するらしいこと

最も高感度なＳＱＵＩＤ磁力計でさえ、そは、何がどのように変わるかについては明晶構造を取っています。しかし、物質をドがわかっていた。ただシステマティックにの感度は１０－８ｅｍｕ程度。これをどうやっらかにされていないと言います。「それをンドン小さくしていった場合、その構造や研究する動きもなかったし、分析手段もなて測るか。非常に難しい課題だった」。

サイズによって変化する結晶構造理論と実験で実証

少なくとも磁気をキーワードにして明らかに性質は日常生活で目にするものと果たしてかった」。要するに、サイズに依存した結この計測技術を確立するために、学生を「われわれはコバルトのナノ粒子を作りしたいというのが、われわれのミッションで同じなんだろうか」。北上教授は、そう問

晶構造の変化の様子や理由は明らかにさ含む若手が中心となり長期にわたり研究ました。そしてサイズによって原子の並びす」と北上教授は話します。

題提起します。実は物質のサイズに依存れていませんでした。「そこをきちんと磁を進めました。そして最終的に１粒子検方が変わるのかどうか。
それを実証したの「周期表の中で室温で磁性を示す元素

し、物性のみならず構造までも変化する性体に対して調べようというのが、基本的出が可能な「超高感度磁化検出技術」がが、このデータです」（下図「コバルトの結は３つしかありません。自然界に１００種類

ことが明らかになってきました。

な課題です」。

開発されました。

晶構造におけるサイズ効果」参照）と北上「さらに、こういったナノ磁性粒子に磁教授は説明します。

たとえばコバルトは、六 方 最 密 構 造

使した物性の探索。「それら一連の動き

磁性体には様々な種類がありますが、一般に磁性は、非常に困難な課題がいくつも連なっリ磁性体で、
それらは様々な形で私達の日常生活体あるいは磁石と呼ばれるものは強磁性体やフェにおいて利用されています。強磁性体では、粗っぽい言い方をすれば、物質を構成する各原子が磁気モーメントを有し隣接原子と相互作用して平行に並びます。
その結果、全体の磁気モーメントが揃い、非常に強い磁力（磁場）を生み出します。

ＳＱＵＩＤ
Ｓｕｐｅ
ｒ
ｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ ＱＵａｎ
ｔ
ｕｍ Ｉ
ｎ
ｔ
ｅ
ｒ
ｆ
ｅ
ｒ
ｅｎｃｅ
Ｄｅｖ
ｉ
ｃｅの略であり、超伝導量子干渉素子と呼ばれます。
ＳＱＵＩＤは、弱く結合させた２つの超伝導体
ジョセフソン接合と呼ばれる素子を用いた磁気センサであり、微小磁場の検出に利用されます。

超高感度磁化検出技術
まさに非常に高い感度で磁気情報を検出する技術です。一般的な磁気測定法としては磁気天秤、
振動試料型磁力計、あるいは光磁気効果や磁気抵抗効果などを利用した様々な方法があります。
しかし１個のナノ磁性粒子を高感度に検出すること場を加えた場合、ピコ・ナノ秒スケール

１個の粒子に電子線をあてて回折パ

は決して容易ではありません。私達の方法では、磁で粒子の振る舞いはどうなるのか」。このターンを観測すると、サイズが大きい時に常ホール効果を原理としています。この電気的手

課題からは「高速磁化ダイナミクス計測技

は、明瞭な６回対称のパターンが得られて術」が必要であるとの方向性が定まってきいます。
「これは、原子の並び方、
つまり結

ました。

晶構造を反映したパターンで、この粒子が性体に電流を流すと直交方向に電圧が生じる異法は従来法に比べ非常に高感度で、かつ微細加工技術と組み合わせることにより１粒子の磁気計測が可能となります。

高速磁化ダイナミクス計測技術

これらの目的に特化した独自の技術開バルク結晶と同じ六方最密構造を有する

物質は一般に原子が周期的に配列した結晶構造から成る。
ダイヤモンドしかり、発があって初めて、ナノサイズ磁性体のことがわかります。粒子がもうちょっと小さ

録、
低コストなどの優れた特徴を持っているため、急速に情報化が進む現代社会において、ますます食塩しかり。
しかし物質をどんどん小さくしていくと構造に変化が生じる場合があ

重要性を増しているキーデバイスとなっている。
２０１０年の情報データ量４００ＥＢの約９０パーセントる。たとえばコバルトは六方最密構造（ｈｃｐ）構造が最もエネルギー的に安定だ

物性も少しずつ明らかになってきていまくなるとどうなるか。回折パターンは４回対以上はＨＤＤに記録された。出典：テクノシステムリサーチ（2011）

が、温度を上げると面心立方構造（ｆｃｃ）に変化する。

す。計測技術の開発と、その技術を駆称に変わり、結晶構造が面心立方構造に

ンプ－プローブ法と呼ばれる時間分解計測を、磁なっていることがわかりまクスが計測されています。
しかし１粒子計測への適磁気ディスクをはじめとする磁気メモリーは、電源供給なしに情報保存でき、高密度記録、高速記

音楽も読書も、あまり１つのものに固まらず。好きなものがたくさんありますす。
さらに小さくなるともっ

MY FAVORITEと複雑な形になる。
このように、サイズに応じて原

読書は以前からずっと好きです。学生の頃はドストエフスキーなど海外のものを読むことが多かっ磁性体の磁化の振舞いを理解するには、
非常に短い時間スケール（１兆分の１秒～１０億分の１秒）
での磁気計測技術が必要になります。一般的にはポ気光学効果と組み合わせることにより磁化ダイナミ用は容易ではありません。私達は、異常ホール効果を原理とする磁化検出技術と、独自に開発した大振幅パルス磁場発生装置を組み合わせ、微小磁性体の磁化ダイナミクス計測に取り組んでいます。

子の並び方が違うというたのですが、
その後はだんだん日本の小説が好きになって、永井荷風、谷崎潤一郎、三島由紀夫なことを理論と実験で示し

どを読むようになりました。今でもけっこう古い小説を中心に読んでますね。
あと音楽は、
ロック、ジャズ、
クラシックと幅広く聴きます。ロックで気に入っているのは、
Ｎｉ
ｒ
ｖａｎａ。

たというのが、われわれ

アメリカのバンドで、
バンド名は
「涅槃」
という意味です。
ジャズは、主にハードバップと言われるジャズの一つの成果です」と北の黄金期のものが好きですね。以前はＬＰレコードを２００枚ほど持っていました。
クラシックはいろい

上教授は話します。

ろ、
バロックや古楽まで聴きます。仕事をする時はバッハを聴くことが多いです。今夜は、
電力ホールにベートーヴェンの４大ピアノソナタのコンサートを聴きにいきます。
コバルト粒子の結晶構造に及ぼすサイズ効果
7

TAGEN FOREFRONTTAGEN FOREFRONT 8

FOREFRONT REVIEW

01

TERM INFORMATION
回折パターン（P8)

光、電子などの波は物質中の原子により散乱される。
それらの散乱波には原子位置に係る位相情報が含まれ、多くの散乱波が干渉し結晶構造を反映

実験・理論両面からの追求により未解明な難題の突破口を開くした特定の方向に強いビームを生み出す。これが構造ＦｅＰｔは、微細化が求められる現在試料などを微細加工する際に使うマスクアライナーは、の磁気デバイスの世界において非常に注

試料に光をあてて微細なパターンを転写するための装目されていて、少なくともメモリー・ストレー置。
この転写されたパターンをもとに微細加工を行う。感光材は日光で変質するため、イエロールームで作業する。

ジデバイス分野で用いられている磁性材

振動試料型磁力計による磁気特性評価。試料はをホル「問題なのはこの物質を小さくしていっ

ダーにセットし、それを一定の周波数で振動させると磁性体
試料からの磁束が時間変化する。
その結果、試料に近接す

鉄白金の規則合金で次世代磁気デバイスを探る

ある１個の原子に着目すると、上記積た時に、われわれが日常生活で扱うよう層方向とそれに直交する方向では原子な巨視的なサイズで見られるＬ１０ 構造「次のステップとしてわれわれが研究しの並び方が全く違ってきます。この異方がほんとうに実現できるのかということで（鉄－白金ているのは、Ｌ１０構造のＦｅＰｔ

的な原子配列を反映し、積層面に対してす」。北上研究室ではそれを実験によりの合金）です。いまメモリーの世界でいち

垂直方向に強い磁気異方性を示します。

調べています。それによれば、サイズが常に難しい実験で、高度な構造解析技

す。電子デバイスの世界での次の３つのばん注目を集めている材料です」と北上

磁気異方性が大きければ、微小サイズ領

約２ナノメートル以下ではＬ１０構造に規術が必要でした。

相反する要求があると言います。ＨＤＤな教授。Ｌ１０構造ＦｅＰｔは、ＦｅとＰｔが交互域でも熱による磁化の揺らぎが抑制され、則化しないものの、それ以上ではほぼ理に１原子層ずつ積層した層状規則構造

安定な磁化状態（磁気情報）を保持する

想的に規則化することが実証されました。

を有します。

ことができます。こうした事情から、Ｌ１０

ナノサイズの結晶構造を調べるという非る検出コイルに誘導起電力が発生し、それにより試料の磁気特性を評価できる。

理論と実験がなぜ違うのか
パラドクスへの飽くなき挑戦

報を長期保存するために熱的に安定でください」と北上教授が手渡したのは磁あること。これらの条件を満たそうとする石でした。離したり、近づけてみたりすとすべて相反する要件となるため、トリレ

ると、驚異的な磁力を感じるものでした。

ンマと言われます。「突破口を開くにはい世界最強と言われる磁石で、ハードディ

くつかアイデアがあって、われわれが取り

スクドライブやハイブリッドカーの中に使わ組んでいるのはマイクロ波アシスト記録とれています。「例えばこの磁石が上向きいうもの」と北上教授。「磁場下においてマイクロ波アシスト記録の磁化を持つものと考えます。これを下磁化はコマのように固有の周波数で才差

将来の超高密度磁気記録の一方式。磁化は有向きに反転させるには、その方向に強い

運動し、その周波数はおよそマイクロ波

磁場を加えなければなりません。問題は帯に相当するギガヘルツ台。その固有周

どれぐらいの強い磁場をかけると反転す

波数と同程度の微小交流磁場の印加にるか。実際の臨界の磁場を測ると理論よ

より才差運動を誘起し、記録の書き込み

垂直に強い磁性を発現し、次世代磁気デバイスとして期待されている。

メートル以下では規則化しないが、それ以上ではほぼ理想的なＬ
１０ 構造をとることが確か

ｗｎパラドクスの一例です。理論値が実です」。このアプローチがこれからの磁現されないのはなぜなのか、わかってい気記録技術の本流の１つになるかもしれません。北上研究室でずっと研究してきないと北上研究室では考え、実験と理論て解決できてない問題の一つです。北の両面から課題を追求しています。

独りで気の向くままにブラブラしますが、ここ何年かは、大学の同期や後輩が住む街を巡る旅もしています。
写真は、一昨年金沢に行った時のもの。

TAGEN FOREFRONTの物理学者。磁気およびそれに係る様々な諸問題

Ｂｒｏｗｎパラドクスです。これを触ってみて上教授は、超高感度の磁場検出技術を

このように、北上研究室の研究は少な使うことによって突破口を開けないかと研

くとも磁性体を使う電子デバイスのすべて究しています。

に関わることであり、北上研究室におけるきるものがありました。それ以来ずっと奈良の寺々や古道を独りでぶらつくのが習慣になっています。私が好

9

Ｗｉ
ｌ
ｌ
ｉ
ａｍ Ｆｕ
ｌ
ｌ
ｅ
ｒＢ
ｒ
ｏｗｎ，
Ｊ
ｒ
（１
． ９０４－１９８３）。米国が必要であること。いったん記録した情（磁化の反転）を容易にしようという研究

奥でしめやかに静かにとめどもなく涙が流れるというような気持ち」と書いています。仏像を観る旅はだいたい層状に規則化した合金を層状規則合金とも呼ぶ。

「これからわれわれが挑戦したいのは、

りひと桁ほど小さいんです」。これがＢｒｏ

きな仏像は、法隆寺に隣接する中宮寺の菩薩半跏像です。和辻はこの仏像をながめた後の心境を「心の子層毎に交互に積層された配置をとる。
このような

Ｂｒｏｗｎ

を表わし、縦軸のＳ＝１は完全な規則化、Ｓ＝０はランダム。実験の結果、粒子が約２ナノ

師寺、法隆寺、中宮寺など大和の古寺を巡って溢れるような若い感性で書いた本なので、自然に共感で置をＹ（あるいはＸ）
が占有し、一方向にＸとＹが一原

大量のデータを保存する高分解能記録

Ｌ
１０ 構造ＦｅＰｔ粒子の規則度の粒子サイズ依存性。規則度（Ｓ）とは規則構造の完成度

郎の「古寺巡礼」
を読んだことでした。戦前に書かれた古い本です。和辻がまだ２０代の頃に唐招提寺、薬では、頂面と底面をＸ（あるいはＹ）、中間の面心位可能であること。できるだけ小さいものに

図の中央部のエリアがＬ
１０ 構造のＦｅＰｔの結晶構造を示している。一方向に鉄と白金が大和の古寺で仏像を見るのが好きで、年に一度は奈良に旅します。きっかけは、大学生の時に和辻哲

める確率は同じである。
これに対し図ＢのＬ１０構造

ど電子デバイスをつくるにはまず記録が１原子層ずつ層状に配列された構造で、層状規則合金とも言われる。積層面に対して若い頃に出会った和辻哲郎「古寺巡礼」の世界にあこがれて

Ｌ１０構造
面心立方構造（fｃｃ）
では、各位置を原子Ｘ、Ｙが占換わるかもしれないと言われています。

OFF TIME

構造を知ることができる。

等量の元素Ｘ、Ｙからなる合金ＸＹを考える。図Ａの料の多くは、近い将来、この材料に置きめられた。

回折パターンであり、その解析により物質の結晶

３つの相反する課題
電子デバイスのトリレンマ

に関する理論研究を行った。特に磁化機構、磁区構造、磁化の熱揺らぎに関する理論に加え、現代の磁性学の発展に決定的な影響を与えたマイクロ
マグネティクス理論を創始。代表的な著書として、
Ｍａｇｎｅ
ｔ
ｏｓ
ｔ
ａ
ｔ
ｉ
ｃＰｒ
ｉ
ｎｃ
ｉ
ｐ
ｌ
ｅｓｉ
ｎＦｅ
ｒ
ｒ
ｏｍａｇｎｅｔｉｓｍ（Ｎｏｒｔｈ－Ｈｏｌｌａｎｄ，Ａｍｓｔｅｒｄａｍ，
１９６２）、
Ｍｉｃｒｏｍａｇｎｅ
ｔ
ｉ
ｃｓ
（Ｉ
ｎ
ｔ
ｅ
ｒ
ｓｃ
ｉ
ｅｎｃｅ，Ｎｅｗ Ｙｏ
ｒ
ｋ，
１９６３）
が挙げられる。

効磁場の周りで才差運動し、その周波数は磁場にも依存するが凡そマイクロ波帯にある。一般に、
この磁化の運動エネルギーは格子系に散逸し遂には磁化は磁場方向に揃う。
しかし、才差運動の周波数近傍の交流磁場を加えることにより才差運動が誘起され、磁化反転（記録）に必要な磁場を低減することができる。

さまざまな成果、さらに国内外のメーカーとの共同研究、国のプロジェクトへの参画における研究開発の進展が、電子デもう１つ北上研究室が目指しているのバイス産業界の新たな技術開発への重

は「Ｔｒ
ｉ
ｌ
ｅｍｍａ
（トリレンマ）への挑戦」で要な布石となることが期待されています。

TAGEN FOREFRONT 10

FOREFRONT REVIEW

01

TERM INFORMATION
回折パターン（P8)

光、電子などの波は物質中の原子により散乱される。
それらの散乱波には原子位置に係る位相情報が含まれ、多くの散乱波が干渉し結晶構造を反映

実験・理論両面からの追求により未解明な難題の突破口を開くした特定の方向に強いビームを生み出す。これが構造ＦｅＰｔは、微細化が求められる現在試料などを微細加工する際に使うマスクアライナーは、の磁気デバイスの世界において非常に注

試料に光をあてて微細なパターンを転写するための装目されていて、少なくともメモリー・ストレー置。
この転写されたパターンをもとに微細加工を行う。感光材は日光で変質するため、イエロールームで作業する。

ジデバイス分野で用いられている磁性材

振動試料型磁力計による磁気特性評価。試料はをホル「問題なのはこの物質を小さくしていっ

ダーにセットし、それを一定の周波数で振動させると磁性体
試料からの磁束が時間変化する。
その結果、試料に近接す

鉄白金の規則合金で次世代磁気デバイスを探る

ある１個の原子に着目すると、上記積た時に、われわれが日常生活で扱うよう層方向とそれに直交する方向では原子な巨視的なサイズで見られるＬ１０ 構造「次のステップとしてわれわれが研究しの並び方が全く違ってきます。この異方がほんとうに実現できるのかということで（鉄－白金ているのは、Ｌ１０構造のＦｅＰｔ

的な原子配列を反映し、積層面に対してす」。北上研究室ではそれを実験によりの合金）です。いまメモリーの世界でいち

垂直方向に強い磁気異方性を示します。

調べています。それによれば、サイズが常に難しい実験で、高度な構造解析技

す。電子デバイスの世界での次の３つのばん注目を集めている材料です」と北上

磁気異方性が大きければ、微小サイズ領

約２ナノメートル以下ではＬ１０構造に規術が必要でした。

相反する要求があると言います。ＨＤＤな教授。Ｌ１０構造ＦｅＰｔは、ＦｅとＰｔが交互域でも熱による磁化の揺らぎが抑制され、則化しないものの、それ以上ではほぼ理に１原子層ずつ積層した層状規則構造

安定な磁化状態（磁気情報）を保持する

想的に規則化することが実証されました。

を有します。

ことができます。こうした事情から、Ｌ１０

ナノサイズの結晶構造を調べるという非る検出コイルに誘導起電力が発生し、それにより試料の磁気特性を評価できる。

理論と実験がなぜ違うのか
パラドクスへの飽くなき挑戦

報を長期保存するために熱的に安定でください」と北上教授が手渡したのは磁あること。これらの条件を満たそうとする石でした。離したり、近づけてみたりすとすべて相反する要件となるため、トリレ

ると、驚異的な磁力を感じるものでした。

ンマと言われます。「突破口を開くにはい世界最強と言われる磁石で、ハードディ

くつかアイデアがあって、われわれが取り

スクドライブやハイブリッドカーの中に使わ組んでいるのはマイクロ波アシスト記録とれています。「例えばこの磁石が上向きいうもの」と北上教授。「磁場下においてマイクロ波アシスト記録の磁化を持つものと考えます。これを下磁化はコマのように固有の周波数で才差

将来の超高密度磁気記録の一方式。磁化は有向きに反転させるには、その方向に強い

運動し、その周波数はおよそマイクロ波

磁場を加えなければなりません。問題は帯に相当するギガヘルツ台。その固有周

どれぐらいの強い磁場をかけると反転す

波数と同程度の微小交流磁場の印加にるか。実際の臨界の磁場を測ると理論よ

より才差運動を誘起し、記録の書き込み

垂直に強い磁性を発現し、次世代磁気デバイスとして期待されている。

メートル以下では規則化しないが、それ以上ではほぼ理想的なＬ
１０ 構造をとることが確か

ｗｎパラドクスの一例です。理論値が実です」。このアプローチがこれからの磁現されないのはなぜなのか、わかってい気記録技術の本流の１つになるかもしれません。北上研究室でずっと研究してきないと北上研究室では考え、実験と理論て解決できてない問題の一つです。北の両面から課題を追求しています。

独りで気の向くままにブラブラしますが、ここ何年かは、大学の同期や後輩が住む街を巡る旅もしています。
写真は、一昨年金沢に行った時のもの。

TAGEN FOREFRONTの物理学者。磁気およびそれに係る様々な諸問題

Ｂｒｏｗｎパラドクスです。これを触ってみて上教授は、超高感度の磁場検出技術を

このように、北上研究室の研究は少な使うことによって突破口を開けないかと研

くとも磁性体を使う電子デバイスのすべて究しています。

に関わることであり、北上研究室におけるきるものがありました。それ以来ずっと奈良の寺々や古道を独りでぶらつくのが習慣になっています。私が好

9

Ｗｉ
ｌ
ｌ
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ｒ
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． ９０４－１９８３）。米国が必要であること。いったん記録した情（磁化の反転）を容易にしようという研究

奥でしめやかに静かにとめどもなく涙が流れるというような気持ち」と書いています。仏像を観る旅はだいたい層状に規則化した合金を層状規則合金とも呼ぶ。

「これからわれわれが挑戦したいのは、

りひと桁ほど小さいんです」。これがＢｒｏ

きな仏像は、法隆寺に隣接する中宮寺の菩薩半跏像です。和辻はこの仏像をながめた後の心境を「心の子層毎に交互に積層された配置をとる。
このような

Ｂｒｏｗｎ

を表わし、縦軸のＳ＝１は完全な規則化、Ｓ＝０はランダム。実験の結果、粒子が約２ナノ

師寺、法隆寺、中宮寺など大和の古寺を巡って溢れるような若い感性で書いた本なので、自然に共感で置をＹ（あるいはＸ）
が占有し、一方向にＸとＹが一原

大量のデータを保存する高分解能記録

Ｌ
１０ 構造ＦｅＰｔ粒子の規則度の粒子サイズ依存性。規則度（Ｓ）とは規則構造の完成度

郎の「古寺巡礼」
を読んだことでした。戦前に書かれた古い本です。和辻がまだ２０代の頃に唐招提寺、薬では、頂面と底面をＸ（あるいはＹ）、中間の面心位可能であること。できるだけ小さいものに

図の中央部のエリアがＬ
１０ 構造のＦｅＰｔの結晶構造を示している。一方向に鉄と白金が大和の古寺で仏像を見るのが好きで、年に一度は奈良に旅します。きっかけは、大学生の時に和辻哲

める確率は同じである。
これに対し図ＢのＬ１０構造

ど電子デバイスをつくるにはまず記録が１原子層ずつ層状に配列された構造で、層状規則合金とも言われる。積層面に対して若い頃に出会った和辻哲郎「古寺巡礼」の世界にあこがれて

Ｌ１０構造
面心立方構造（fｃｃ）
では、各位置を原子Ｘ、Ｙが占換わるかもしれないと言われています。

OFF TIME

構造を知ることができる。

等量の元素Ｘ、Ｙからなる合金ＸＹを考える。図Ａの料の多くは、近い将来、この材料に置きめられた。

回折パターンであり、その解析により物質の結晶

３つの相反する課題
電子デバイスのトリレンマ

に関する理論研究を行った。特に磁化機構、磁区構造、磁化の熱揺らぎに関する理論に加え、現代の磁性学の発展に決定的な影響を与えたマイクロ
マグネティクス理論を創始。代表的な著書として、
Ｍａｇｎｅ
ｔ
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ｎｃ
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１９６２）、
Ｍｉｃｒｏｍａｇｎｅ
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ｓｃ
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ｅｎｃｅ，Ｎｅｗ Ｙｏ
ｒ
ｋ，
１９６３）
が挙げられる。

効磁場の周りで才差運動し、その周波数は磁場にも依存するが凡そマイクロ波帯にある。一般に、
この磁化の運動エネルギーは格子系に散逸し遂には磁化は磁場方向に揃う。
しかし、才差運動の周波数近傍の交流磁場を加えることにより才差運動が誘起され、磁化反転（記録）に必要な磁場を低減することができる。

さまざまな成果、さらに国内外のメーカーとの共同研究、国のプロジェクトへの参画における研究開発の進展が、電子デもう１つ北上研究室が目指しているのバイス産業界の新たな技術開発への重

は「Ｔｒ
ｉ
ｌ
ｅｍｍａ
（トリレンマ）への挑戦」で要な布石となることが期待されています。

TAGEN FOREFRONT 10

FOREFRONT REVIEW

02

さまざまな観測手法の開発により
タンパク質の未知の領域に迫る人の顔が写っている写真を見せて「何が見えますか」と質問し、しばらく待った後に「ここに見えるのはタンパク質です」と解説することで、高橋聡教授は高校生向けの講義を始めるそうです。髪の毛はケラチンというタンパク質です。皮膚はコラーゲンというタンパク質、眼のレン
ズもタンパク質、歯もカルシウムの間にタンパク質が挟まれた非常に硬い物質です。このように聞くと、非常に身近な存在としてのタンパク質を感じることができます。また、タンパク質が生物の中でさまざまな働きを持つことも認識できます。
それでは、そのタンパク質とは何でしょうか？ また、タンパク質は、
なぜ様々な働きを持つのでしょうか？ これらの問いに対して、「タンパク質とは、生物にとっての大事な構成成分の１つであり、生物が必要とするさまざまな機能を発揮する多様な機能性分子の総称である」と答えることができます。また、タンパク質は、種類ごとに特定の形を作り、東北大学多元物質科学研究所
有機・生命科学研究部門
生命分子ダイナミクス研究分野

FOREFRONT REVIEW

タンパク質が生物の中で機能を発揮するためには、ある特定の構造をとる必要があります。なぜ、そうなのか。高橋研究室では、この究極のテーマに立ち向かい、タンパク質の構造形成原理を探索し、理解することを目指しています。そのために、タンパク質の運動を観測する

教授

高橋
聡
TAKAHASHI, Satoshi

1964年宮城県生まれ。1983年東北大学理学部化学専攻入学、1987年同卒業、1989年同大学院理学研究科化学専攻修士課程修了。1992
年総合研究大学院大学（分子研）博士課程修
了・博士
（理学）
、1993年米国AT&Tベル研究所・博士研究員、1995年理化学研究所・博士研究員、1996年京都大学大学院工学研究科・助手、ためのさまざまな実験装置の開発を行っています。研究室独自の工夫

2003年大阪大学蛋白質研究所・助教授、2009を加えた実験手法を駆使して、タンパク質の知られざる特性を解明し、会／日本生物物理学会、
日本蛋白質科学会、
日

生命現象を明らかにすることを目標としています。

年東北大学多元物質科学研究所教授。 所属学

その形をもとに独特の運動を行うために、多様な機能を持つのだと答えることもできます。
高橋教授は、修士２年生のころに生体分子の研究を志し、その後アメリカに渡り生体分子の構造と動きの研究に没頭しました。さまざまな関連分野の勉強も重ねながら、最終的に自身の研究テーマとして選んだのはタンパク質の構造形成の原理の探求でした。これは、物質科学の立場から生命とは何かを問う重要なテーマであると高橋教
授は考えました。タンパク質が一定の形をとるという「ありえないほど不思議な現象」の解明のために、全力を傾ける価値があると確信したと言います。
この研究分野は、事実、世界の第一線研究者がアイディアを競う場となっています。高橋教授は、新しい実験手法を開発することで、タンパク質の構造形成と機能発現を観察するアプローチにて研究を続けています。さらには、新しいタンパク質デザインの可能性を探ろう
としています。

本化学会、
アメリカ生物物理学会
http://www.tagen.tohoku.ac.jp/modules/
laboratory/index.php?laboid=34

11 TAGEN FOREFRONTTAGEN FOREFRONT 12

FOREFRONT REVIEW

02

さまざまな観測手法の開発により
タンパク質の未知の領域に迫る人の顔が写っている写真を見せて「何が見えますか」と質問し、しばらく待った後に「ここに見えるのはタンパク質です」と解説することで、高橋聡教授は高校生向けの講義を始めるそうです。髪の毛はケラチンというタンパク質です。皮膚はコラーゲンというタンパク質、眼のレン
ズもタンパク質、歯もカルシウムの間にタンパク質が挟まれた非常に硬い物質です。このように聞くと、非常に身近な存在としてのタンパク質を感じることができます。また、タンパク質が生物の中でさまざまな働きを持つことも認識できます。
それでは、そのタンパク質とは何でしょうか？ また、タンパク質は、
なぜ様々な働きを持つのでしょうか？ これらの問いに対して、「タンパク質とは、生物にとっての大事な構成成分の１つであり、生物が必要とするさまざまな機能を発揮する多様な機能性分子の総称である」と答えることができます。また、タンパク質は、種類ごとに特定の形を作り、東北大学多元物質科学研究所
有機・生命科学研究部門
生命分子ダイナミクス研究分野

FOREFRONT REVIEW

タンパク質が生物の中で機能を発揮するためには、ある特定の構造をとる必要があります。なぜ、そうなのか。高橋研究室では、この究極のテーマに立ち向かい、タンパク質の構造形成原理を探索し、理解することを目指しています。そのために、タンパク質の運動を観測する

教授

高橋
聡
TAKAHASHI, Satoshi

1964年宮城県生まれ。1983年東北大学理学部化学専攻入学、1987年同卒業、1989年同大学院理学研究科化学専攻修士課程修了。1992
年総合研究大学院大学（分子研）博士課程修
了・博士
（理学）
、1993年米国AT&Tベル研究所・博士研究員、1995年理化学研究所・博士研究員、1996年京都大学大学院工学研究科・助手、ためのさまざまな実験装置の開発を行っています。研究室独自の工夫

2003年大阪大学蛋白質研究所・助教授、2009を加えた実験手法を駆使して、タンパク質の知られざる特性を解明し、会／日本生物物理学会、
日本蛋白質科学会、
日

生命現象を明らかにすることを目標としています。

年東北大学多元物質科学研究所教授。 所属学

その形をもとに独特の運動を行うために、多様な機能を持つのだと答えることもできます。
高橋教授は、修士２年生のころに生体分子の研究を志し、その後アメリカに渡り生体分子の構造と動きの研究に没頭しました。さまざまな関連分野の勉強も重ねながら、最終的に自身の研究テーマとして選んだのはタンパク質の構造形成の原理の探求でした。これは、物質科学の立場から生命とは何かを問う重要なテーマであると高橋教
授は考えました。タンパク質が一定の形をとるという「ありえないほど不思議な現象」の解明のために、全力を傾ける価値があると確信したと言います。
この研究分野は、事実、世界の第一線研究者がアイディアを競う場となっています。高橋教授は、新しい実験手法を開発することで、タンパク質の構造形成と機能発現を観察するアプローチにて研究を続けています。さらには、新しいタンパク質デザインの可能性を探ろう
としています。

本化学会、
アメリカ生物物理学会
http://www.tagen.tohoku.ac.jp/modules/
laboratory/index.php?laboid=34

11 TAGEN FOREFRONTTAGEN FOREFRONT 12

FOREFRONT REVIEW

02

高橋研究室では、生物

TERM INFORMATION

にとっての重要な構成要素であるタンパク質をアミノ酸配列扱う研究を行っている。

タンパク質は２０種類のアミノ酸がつながってできた鎖状の高分子です。異なるタンパク質は、異なるアミノ酸の順番を持っています。あるタンパク質を長い歴史のその先に目指すこと
タンパク質、生命科学の謎の解明
２０種のアミノ酸がつながってタンパク質ができる

皮膚を構成するタンパク質の１つコラーゲンの構造。皮膚は、線維状のコラーゲンが複雑に入り乱れた構造体である。
コラーゲン線維の一本は、図に示すように、３本の長い鎖がらせん状に絡み合った構造を持っている（青、水色、濃青）。
個々の鎖は、
グリシン、
ヒドロキシプロリン、
プロリンなどのアミノ酸が繰り返した配列を持っている。
シトクロム酸化酵素の構造。
シトクロム酸化酵素は、分子量が２０万の巨大なタンパク質ん構造であることが知られています。そである。
この図では、
アミノ酸が並んだ鎖をリボの１本を詳しく見ると、アミノ酸のグリシン、ンの形状で表現している。

構成するアミノ酸の順番をアミノ酸配列といい、タ
ンパク質の機能や構造を決める大切な情報です。

コラーゲン
健康食品などとしても知られるコラーゲンですが、生物の皮膚や軟骨などを作るタンパク質です。線
維状のコラーゲンが絡み合うことにより、弾力性を持ちながら、適度に湿度を透過させる皮膚の特性が生まれます。

ヒドロキシプロリン、プロリンなどが何度もたのが１９５０年代です。「私が尊敬する

繰り返す配列を持つことがわかります。こ

研究者の１人で、フレデリック・サンガーとの繰り返し配列が、コラーゲンのらせん列からタンパク質の形を予測す

数多くのタンパク質が、人の体の中でいうイギリスの生化学者の功績です。タン

構造を決めています。コラーゲンは、さまることは大変困難です。「あるア

さまざまな機能を発揮しています。また、

パク質の１つであるインシュリンのアミノ酸

ざまな組織に力学的な強度を与えていま

ミノ酸を並べるとある特定の形に個々のタンパク質が果たす機能は大変精

配列を、１０年以上の時間をかけた研究す。また、弾力性があり、湿度を通したり、なる、という発見は、アメリカの
アンフィンセンという研究者によっシトクロム酸化酵素
細胞の中の小器官であるミトコンドリア内膜などに存在するタンパク質であり、呼吸で取り込んだ酸素を水に還元する反応を常時行うことで、細胞活動に必要なエネルギー産生に関与しています。この酵素の発見は１９２０年代です。この酵素の構造は、１９９５年に日本とドイツの研究者により解明さ

密で、効率が高いという特徴があります。

により解明して１９５５年に発表し、１９５８

空気を通したりできる特性があり、皮膚な

そのため、タンパク質はナノレベルで働く

年にノーベル化学賞を受賞しました」。

どの機能性をつくりだしています。このよとが知られています。シトクロム酸化酵素てなされ、アンフィンセンに１９７２年のノー

うに、コラーゲンは生物の素材や形をつくは、分子量が２０万の巨大なタンパク質で、

ベル化学賞をもたらしました。この発見をタンパク質の種類

るタンパク質と言うことができます。

アミノ酸がつながった鎖が複雑な形に折りきっかけとして、多くの研究者が、あるアタンパク質は数万個あるとされます。それに応じて畳まれています。

ミノ酸配列がどのような形のタンパク質に分子機械、すなわち、ナノマシンであるとタンパク質は、アミノ酸が１次元的につ皮膚の形成やエネルギー生産などの役割を果たすタンパク質

ながった１本の鎖と見なすことができます。

人の体には２万種類以上のタンパク質で働くタンパク質もたくさんあります。例え「これまでに、さまざまなタンパク質の形対応するのかを予測しようと研究を続けてアミノ酸は分子量が１００程度の小さな分が存在し、皮膚や骨の形成、刺激の感

ば、シトクロム酸化酵素は、呼吸で吸っが解明されています。さらに、この１０年くいます。しかし、長い研究の歴史がある子で、たった２０種類しかありません。こ知、筋肉の収縮、食物の消化など、さまた酸素を水に変換することで、生物が生らいの研究で、それらがどんなふうに働くにも関わらず、この予測は現在でも大変のアミノ酸がつながった鎖がタンパク質のざまな役割を果たしています。たとえば生きるために必要なエネルギーの生産に関のか、動きまでわかるようになってきました」

難しい課題です。これが、われわれが挑実体であることがわかったのは１９００年代

物の皮膚・靭帯・腱などを構成するタン

わる膜タンパク質です。シトクロム酸化酵と言います。

戦し続けているテーマです」と高橋教授。

初めごろです。さらに、アミノ酸がつながパク質の１つであるコラーゲンは、３本の素が働く過程で、酸素を水に変換するだる時に特定の配列を持つことが証明され長いタンパク質の鎖が絡み合った３重らせけでなく、水素イオンの汲み出しを行うこ言われることもあります。

また、体の中で化学反応を起こすことこの問題は「タンパク質の折りたたみの問

いまだに解けていない
タンパク質の難問

機能は多岐にわたります。
インシュリンは、小さな球形の形状を持つタンパク質です。
コラーゲンは、分子量が大きく線維状のタンパク質です。
また、
シトク
ロム酸化酵素は生体膜の中に取り込まれており、膜タンパク質とも呼ばれます。

タンパク質の折り畳みアミノ酸が一本の鎖のようにつながってできたタン
パク質は、体のなかでコンパクトな形を保っています。
しかし、高温にしたり、溶液のｐＨを極端な酸性未解決の難題の一つとされます。

なります。変性したタンパク質は、特定の構造を持にしたりすると、この形が崩れた「変性した」状態にたず、揺らいだひものような振る舞いを示します。
しかし、温度を室温に戻したり、ｐＨを中性に調整した配列を持つ鎖のような分子であること、まりすると、変性したタンパク質は最初の形に自発た、この鎖が折り畳まれて、特定の形と的に構造を変化させます。タンパク質が、溶液の条件等を変えることに応じて、構造を作ったり変性機能を持つことを確認しました。「ここから成されるタンパク質である。
インシュリンのアミノ酸配列は、イギリスのサンガーによる１０年以上の研究により解明された。

多数の形をもち、とには数々の種類が存在し、その題」と呼ばれ、生命科学の分野における

ここまで、タンパク質は特定のアミノ酸

インシュリンのアミノ酸配列。
Ｓｅ
ｒはセリン、
Ｉｌｅはイソロイシン、Ｇｌｕはグルタミン酸など、三文字が一つのアミノ酸に対応する。
インシュリンは、Ａ鎖とＢ鎖の二種類のアミノ酸の鎖により構れました。

したりする過程を、
タンパク質の折り畳み（フォール

先が、我々が本当に関心のあるところ」とディング）と呼びます。

高橋教授は説明を続けます。高橋教授
が強調するのは、タンパク質が特定の機外国人学部学生の教育に全力で取り組んでいます
多元研では、理学部化学専攻などと協力して、外国人学部コースの教育に取り組んでいます。このコースでは、アジアを中心とした世界中の優秀な学生に学部から入学してい

MY FAVORITE

能を果たすためには、特定の形（構造）を持たなければならない、ということです。
タンパク質の特性や機能は、その構造によって決まります。不思議なことに、細胞

ただき、すべて英語にて先端的な化学と物質科学を教えます。私は、二年半このコースの内でアミノ酸がつなげられて鎖が作られコース長を務めました。学生実験の１つ１つを英語で立ち上げるなど、苦労も実に多かった

ると、アミノ酸配列に応じてタンパク質はのですが、昨年９月に４年間いっしょに頑張ってきた第一期の卒業生たちを送り出したときは、感無量でした。

特定の形を作ります。これをタンパク質のフォールディング
（折り畳み）と言います。
タンパク質の形は、アミノ酸の配列によって決まります。しかし、逆に、アミノ酸配13 TAGEN FOREFRONT高橋研究室におけるさまざまな研究では、各種試料サンプルを作成したり、調整したりする作業とともに、実験装置の開発や自作のソフトウエアによるデータ解析など、
なんでも自分でやる研究姿勢が欠かせない。

TAGEN FOREFRONT 14

FOREFRONT REVIEW

02

高橋研究室では、生物

TERM INFORMATION

にとっての重要な構成要素であるタンパク質をアミノ酸配列扱う研究を行っている。

タンパク質は２０種類のアミノ酸がつながってできた鎖状の高分子です。異なるタンパク質は、異なるアミノ酸の順番を持っています。あるタンパク質を長い歴史のその先に目指すこと
タンパク質、生命科学の謎の解明
２０種のアミノ酸がつながってタンパク質ができる

皮膚を構成するタンパク質の１つコラーゲンの構造。皮膚は、線維状のコラーゲンが複雑に入り乱れた構造体である。
コラーゲン線維の一本は、図に示すように、３本の長い鎖がらせん状に絡み合った構造を持っている（青、水色、濃青）。
個々の鎖は、
グリシン、
ヒドロキシプロリン、
プロリンなどのアミノ酸が繰り返した配列を持っている。
シトクロム酸化酵素の構造。
シトクロム酸化酵素は、分子量が２０万の巨大なタンパク質ん構造であることが知られています。そである。
この図では、
アミノ酸が並んだ鎖をリボの１本を詳しく見ると、アミノ酸のグリシン、ンの形状で表現している。

構成するアミノ酸の順番をアミノ酸配列といい、タ
ンパク質の機能や構造を決める大切な情報です。

コラーゲン
健康食品などとしても知られるコラーゲンですが、生物の皮膚や軟骨などを作るタンパク質です。線
維状のコラーゲンが絡み合うことにより、弾力性を持ちながら、適度に湿度を透過させる皮膚の特性が生まれます。

ヒドロキシプロリン、プロリンなどが何度もたのが１９５０年代です。「私が尊敬する

繰り返す配列を持つことがわかります。こ

研究者の１人で、フレデリック・サンガーとの繰り返し配列が、コラーゲンのらせん列からタンパク質の形を予測す

数多くのタンパク質が、人の体の中でいうイギリスの生化学者の功績です。タン

構造を決めています。コラーゲンは、さまることは大変困難です。「あるア

さまざまな機能を発揮しています。また、

パク質の１つであるインシュリンのアミノ酸

ざまな組織に力学的な強度を与えていま

ミノ酸を並べるとある特定の形に個々のタンパク質が果たす機能は大変精

配列を、１０年以上の時間をかけた研究す。また、弾力性があり、湿度を通したり、なる、という発見は、アメリカの
アンフィンセンという研究者によっシトクロム酸化酵素
細胞の中の小器官であるミトコンドリア内膜などに存在するタンパク質であり、呼吸で取り込んだ酸素を水に還元する反応を常時行うことで、細胞活動に必要なエネルギー産生に関与しています。この酵素の発見は１９２０年代です。この酵素の構造は、１９９５年に日本とドイツの研究者により解明さ

密で、効率が高いという特徴があります。

により解明して１９５５年に発表し、１９５８

空気を通したりできる特性があり、皮膚な

そのため、タンパク質はナノレベルで働く

年にノーベル化学賞を受賞しました」。

どの機能性をつくりだしています。このよとが知られています。シトクロム酸化酵素てなされ、アンフィンセンに１９７２年のノー

うに、コラーゲンは生物の素材や形をつくは、分子量が２０万の巨大なタンパク質で、

ベル化学賞をもたらしました。この発見をタンパク質の種類

るタンパク質と言うことができます。

アミノ酸がつながった鎖が複雑な形に折りきっかけとして、多くの研究者が、あるアタンパク質は数万個あるとされます。それに応じて畳まれています。

ミノ酸配列がどのような形のタンパク質に分子機械、すなわち、ナノマシンであるとタンパク質は、アミノ酸が１次元的につ皮膚の形成やエネルギー生産などの役割を果たすタンパク質

ながった１本の鎖と見なすことができます。

人の体には２万種類以上のタンパク質で働くタンパク質もたくさんあります。例え「これまでに、さまざまなタンパク質の形対応するのかを予測しようと研究を続けてアミノ酸は分子量が１００程度の小さな分が存在し、皮膚や骨の形成、刺激の感

ば、シトクロム酸化酵素は、呼吸で吸っが解明されています。さらに、この１０年くいます。しかし、長い研究の歴史がある子で、たった２０種類しかありません。こ知、筋肉の収縮、食物の消化など、さまた酸素を水に変換することで、生物が生らいの研究で、それらがどんなふうに働くにも関わらず、この予測は現在でも大変のアミノ酸がつながった鎖がタンパク質のざまな役割を果たしています。たとえば生きるために必要なエネルギーの生産に関のか、動きまでわかるようになってきました」

難しい課題です。これが、われわれが挑実体であることがわかったのは１９００年代

物の皮膚・靭帯・腱などを構成するタン

わる膜タンパク質です。シトクロム酸化酵と言います。

戦し続けているテーマです」と高橋教授。

初めごろです。さらに、アミノ酸がつながパク質の１つであるコラーゲンは、３本の素が働く過程で、酸素を水に変換するだる時に特定の配列を持つことが証明され長いタンパク質の鎖が絡み合った３重らせけでなく、水素イオンの汲み出しを行うこ言われることもあります。

また、体の中で化学反応を起こすことこの問題は「タンパク質の折りたたみの問

いまだに解けていない
タンパク質の難問

機能は多岐にわたります。
インシュリンは、小さな球形の形状を持つタンパク質です。
コラーゲンは、分子量が大きく線維状のタンパク質です。
また、
シトク
ロム酸化酵素は生体膜の中に取り込まれており、膜タンパク質とも呼ばれます。

タンパク質の折り畳みアミノ酸が一本の鎖のようにつながってできたタン
パク質は、体のなかでコンパクトな形を保っています。
しかし、高温にしたり、溶液のｐＨを極端な酸性未解決の難題の一つとされます。

なります。変性したタンパク質は、特定の構造を持にしたりすると、この形が崩れた「変性した」状態にたず、揺らいだひものような振る舞いを示します。
しかし、温度を室温に戻したり、ｐＨを中性に調整した配列を持つ鎖のような分子であること、まりすると、変性したタンパク質は最初の形に自発た、この鎖が折り畳まれて、特定の形と的に構造を変化させます。タンパク質が、溶液の条件等を変えることに応じて、構造を作ったり変性機能を持つことを確認しました。「ここから成されるタンパク質である。
インシュリンのアミノ酸配列は、イギリスのサンガーによる１０年以上の研究により解明された。

多数の形をもち、とには数々の種類が存在し、その題」と呼ばれ、生命科学の分野における

ここまで、タンパク質は特定のアミノ酸

インシュリンのアミノ酸配列。
Ｓｅ
ｒはセリン、
Ｉｌｅはイソロイシン、Ｇｌｕはグルタミン酸など、三文字が一つのアミノ酸に対応する。
インシュリンは、Ａ鎖とＢ鎖の二種類のアミノ酸の鎖により構れました。

したりする過程を、
タンパク質の折り畳み（フォール

先が、我々が本当に関心のあるところ」とディング）と呼びます。

高橋教授は説明を続けます。高橋教授
が強調するのは、タンパク質が特定の機外国人学部学生の教育に全力で取り組んでいます
多元研では、理学部化学専攻などと協力して、外国人学部コースの教育に取り組んでいます。このコースでは、アジアを中心とした世界中の優秀な学生に学部から入学してい

MY FAVORITE

能を果たすためには、特定の形（構造）を持たなければならない、ということです。
タンパク質の特性や機能は、その構造によって決まります。不思議なことに、細胞

ただき、すべて英語にて先端的な化学と物質科学を教えます。私は、二年半このコースの内でアミノ酸がつなげられて鎖が作られコース長を務めました。学生実験の１つ１つを英語で立ち上げるなど、苦労も実に多かった

ると、アミノ酸配列に応じてタンパク質はのですが、昨年９月に４年間いっしょに頑張ってきた第一期の卒業生たちを送り出したときは、感無量でした。

特定の形を作ります。これをタンパク質のフォールディング
（折り畳み）と言います。
タンパク質の形は、アミノ酸の配列によって決まります。しかし、逆に、アミノ酸配13 TAGEN FOREFRONT高橋研究室におけるさまざまな研究では、各種試料サンプルを作成したり、調整したりする作業とともに、実験装置の開発や自作のソフトウエアによるデータ解析など、
なんでも自分でやる研究姿勢が欠かせない。

TAGEN FOREFRONT 14

FOREFRONT REVIEW

02

程をリアルタイムに観察したいというのがタンパク質の一分子の紐の状態が構造

ダイナミクス解明に応用しています。「わ我々の実験の目標」であると話します。

形成していく様子を観測するアプローチ、

れわれのアイディアは、タンパク質を速くということです。

流せる“高速フローセル”
を導入したことで実験家の立場から「タンパク質の折り畳

TERM INFORMATION
タンパク質の一分子観察み問題」に取り組むために、形を持たない

高橋教授は、タンパク質一分子の運す。この方法により、測定の時間分解能

変性したタンパク質は、構造を持つタンパク質の状

アミノ酸配列の状態から、ある一定の構動観測技術の開発に１０年ほど前から取は１０マイクロ秒となり、従来法より２桁向

ク質はさまざまな形を持つ揺らいだひも状の分子造にタンパク質が折り畳まれる運動を観察

り組み、研究室で自作した装置に基づい上しました」と高橋教授は説明します。

の集合体です。
しかし、折り畳まれたタンパク質はし、この過程を理解すること、それが高たさまざまな実験技術をつくってきました。

高橋研究室では、「一分子ソーター」と橋教授の実験の目標です。

「現在でも、我々の実験手法は進化し続言われる分子を選ぶ装置の開発にも取りけています」と高橋教授。タンパク質一分

組んでいます。さまざまなタンパク質を流子の運動観測の基本は、蛍光色素をタンし、いちばん明るく光るタンパク質があっパク質に付け、蛍光顕微鏡で運動全体たら選別する手法を確立することで、タン高橋教授がこうした目標を追求するたを観測します。従来の手法でこの測定をパク質のデザイン方法への応用を目指しかる文章にはなりません。文法を理解し、めに、継続的に取り組んでいる実験手法

行う場合、基板にタンパク質を固定するています。

言葉の意味を理解して文字を並べる必要があります。それは独自に開発した装置必要があり、そのためタンパク質が基板

がん抑制タンパク質として知られるｐ５３タンパク質はアミノ酸配列に応じて別のがあります。人間はまだタンパク質についにより、タンパク質の運動を一分子レベルに吸着してしまい、本来の運動が観察では、細胞の働きを調整する重要なタンパ形を持つため、タンパク質の種類は無数て文法を理解していないということです」。

で検出しようという試みです。なぜ、一きないという不具合がありました。われわ

ク質ですが、その機能を発現するためににあり得ると言えます。しかし「２０種類のそれでは、タンパク質の文法を理解す分子なのか。従来、分光学的な手法でれの研究室では、タンパク質を基板に固は、ＤＮＡ上のターゲット配列を探し出し

アミノ酸を適当に並べて新しいタンパク質

るにはどうしたらいいでしょうか？この質問

タンパク質からの平均値の変化を観測し定せずガラス製毛細管の中を通すことにてそこに結合する必要があります。このをつくろうとしても、特定の形に折り畳ませに答えるために、高橋教授はタンパク質

平均的な描像を捉えるという手法はありま

よって、基板の影響を受けない蛍光強度

過程は驚くほど短時間内に起きることが知ることはできません。むしろ、形を作らずを折り紙にたとえます。「できあがった形

したが、それはあくまでも平均値でした。

を観測できる装置を開発しました。

られていますが、そのメカニズムは明らかに変な凝集体になることがほとんどです。

だけわかっても、四角い紙からどうやって高橋教授は「紅葉を調べようとする時にこれはよく文字と文章の関係にたとえられ折るのか理解しないと折り紙はできない。

木全体を見ていても、いったい何がどうます。文字を適当に並べても意味のわ

同じように、タンパク質が形になっていく過

変化して赤くなるのか、よくわからない。

観察手法の開発、進化によりタンパク質の動きを解き明かす
タンパク質が形になる過程を
リアルタイムに観察したい

タンパク質の運動を一分子レベルで検出する

高速なタンパク質の動きを観測して機能の謎を解明にされていません。「われわれは、自作の蛍光顕微鏡を用いて、蛍光色素を付けた

折り畳み過程は、さまざまな形を持つ分子が次第に整った形に変わる過程だと考えられます。
このような、
タンパク質の折り畳み過程の理解のためには、
タンパク質の形を個別に調べ、形の違いがどのように変化して行くのかを知る必要があります。このための最も直接的な手段が、
タンパク質の一分
子観察です。

蛍光観察装置タンパク質の一分子観察を行うために用いられる手法の一つです。蛍光色素と呼ばれる分子に、
レーザー光を照射すると、入射したレーザーと波長の異なる光を発します。
この光のことを蛍光と呼びます。タンパク質に蛍光色素を付着させ、色素が発する蛍光を観察することで、タンパク質の形についての情報をえることができます。

時間分解能
タンパク質が折り畳まれる形の変化は、さまざまな
時間スケールで起こります。一ミリ秒以内という高速で折り畳むタンパク質や、数十秒以上の時間をかけて折り畳むタンパク質もあります。
これらの過程を追跡するためには、折り畳まれる時間よりも十分に短い間隔で、タンパク質の構造の測定を行う必タンパク質が特定の形に折り畳まれるすることで、ｐ５３の機能の解明を目指しているのか観測したい」と話します。つまり

運動は、大変短い時間内に起こります。

います」と高橋教授。実際に長いＤＮＡのしたがって、その高速運動に追いつける

上を１次元的に運動するｐ５３の粒子の観観測装置がないと実験も成り立ちません。

測に成功しています。

高橋研究室では、数十マイクロ秒の時間

このように高橋教授は、タンパク質はな分解能で、一分子の蛍光強度変化を観

ぜ折り畳まれるのかという基本課題に真察する装置を開発し、タンパク質の高速摯に向き合い、さまざまな実験アプローチ
によって、タンパク

要があります。
この間隔を時間分解能と呼びます。
一ミリ秒以内に折り畳まれるタンパク質の観察のためには、
１００マイクロ秒以下の時間分解能を持
つ観測が望まれます。

ｐ５３
ｐ５３はがん抑制タンパク質とも呼ばれます。
ｐ５３
は、細胞にストレスがかかり細胞の中のＤＮＡが痛んだ場合に活性化され、ＤＮＡのなかのターゲット
配列に結合します。
その結果、痛んだＤＮＡの修復

質と生命科学の未を行うタンパク質の合成をスタートさせます。ター

知の領域を少しずんになりやすいことが知られています。
ｐ５３が機能タンパク質の一分子観測手法の考え方。木全体を見ていると次第に紅葉していくことはわかタンパク質は、アミノ酸がつながった鎖の状態から、特定の構造に折り畳まれる運動

るが、いったい何が変化したことによって紅葉したのか見えてこない。
しかし、一枚一枚の葉をを行う。この運動は大変高速に起きる。
タンパク質は、折り畳まれた後に、それぞれつ明らかにしていこ観察すると、緑が薄くなり徐々に赤くなるのか、緑の葉に赤い部分が発生して拡大していくのの機能を発揮できる。
しかし、なぜ機能を持つ特定の構造がつくられるのか、解明さか、
あるいは、緑から別の色に変化してから赤くなるのか、などの違いを区別することができる。

れていない。

うという試みを続け訪れた外国のスーパーで買い物を楽しむ

一つの構造しか持ちません。従って、タンパク質のｐ５３がＤＮＡの上を動く過程を直接観察

１枚１枚の葉っぱが、どのように変化してています。

ここで、1枚の葉に注目するように、1分子に着目してタンパク質を観測するというアプローチ。

態に折り畳まれる運動を示します。変性したタンパ

ゲットに結合する能力が欠損したｐ５３を持つと、がするためには、膨大な長さを持つＤＮＡの中から、ターゲット配列を短時間内に選び出す必要があります。

OFF TIME

外国人英語コースの立ち上げのために外国に行く機会が増え、これまでに、中国、韓国、インドネシア、タイ、シンガポール、バングラデッシュ、

10マイクロ秒の時間分解能

カザフスタンなどを訪れました。 研究室の本棚には、気がついたら１０カ国

で、一分子を連続追跡する

以上のガイドブックが並んでいました。外国に行ったら、空き時間を見つけ観察を可能にした装置。従て、現地のデパ地下やスーパーマーケットに寄ってみます。現地の人が好来に比べて能力が飛躍的にきそうな、現地の生活が見えるようなもの、お菓子や食べ物を買ってみることが多いです。買ってきたお土産に対して研究室の学生さんが見せる反応
も楽しみの一つです。

15 TAGEN FOREFRONT

向上したため、
非常に高速で運動するタンパク質を観察できる可能性を開いた。

TAGEN FOREFRONT 16

FOREFRONT REVIEW

02

程をリアルタイムに観察したいというのがタンパク質の一分子の紐の状態が構造

ダイナミクス解明に応用しています。「わ我々の実験の目標」であると話します。

形成していく様子を観測するアプローチ、

れわれのアイディアは、タンパク質を速くということです。

流せる“高速フローセル”
を導入したことで実験家の立場から「タンパク質の折り畳

TERM INFORMATION
タンパク質の一分子観察み問題」に取り組むために、形を持たない

高橋教授は、タンパク質一分子の運す。この方法により、測定の時間分解能

変性したタンパク質は、構造を持つタンパク質の状

アミノ酸配列の状態から、ある一定の構動観測技術の開発に１０年ほど前から取は１０マイクロ秒となり、従来法より２桁向

ク質はさまざまな形を持つ揺らいだひも状の分子造にタンパク質が折り畳まれる運動を観察

り組み、研究室で自作した装置に基づい上しました」と高橋教授は説明します。

の集合体です。
しかし、折り畳まれたタンパク質はし、この過程を理解すること、それが高たさまざまな実験技術をつくってきました。

高橋研究室では、「一分子ソーター」と橋教授の実験の目標です。

「現在でも、我々の実験手法は進化し続言われる分子を選ぶ装置の開発にも取りけています」と高橋教授。タンパク質一分

組んでいます。さまざまなタンパク質を流子の運動観測の基本は、蛍光色素をタンし、いちばん明るく光るタンパク質があっパク質に付け、蛍光顕微鏡で運動全体たら選別する手法を確立することで、タン高橋教授がこうした目標を追求するたを観測します。従来の手法でこの測定をパク質のデザイン方法への応用を目指しかる文章にはなりません。文法を理解し、めに、継続的に取り組んでいる実験手法

行う場合、基板にタンパク質を固定するています。

言葉の意味を理解して文字を並べる必要があります。それは独自に開発した装置必要があり、そのためタンパク質が基板

がん抑制タンパク質として知られるｐ５３タンパク質はアミノ酸配列に応じて別のがあります。人間はまだタンパク質についにより、タンパク質の運動を一分子レベルに吸着してしまい、本来の運動が観察では、細胞の働きを調整する重要なタンパ形を持つため、タンパク質の種類は無数て文法を理解していないということです」。

で検出しようという試みです。なぜ、一きないという不具合がありました。われわ

ク質ですが、その機能を発現するためににあり得ると言えます。しかし「２０種類のそれでは、タンパク質の文法を理解す分子なのか。従来、分光学的な手法でれの研究室では、タンパク質を基板に固は、ＤＮＡ上のターゲット配列を探し出し

アミノ酸を適当に並べて新しいタンパク質

るにはどうしたらいいでしょうか？この質問

タンパク質からの平均値の変化を観測し定せずガラス製毛細管の中を通すことにてそこに結合する必要があります。このをつくろうとしても、特定の形に折り畳ませに答えるために、高橋教授はタンパク質

平均的な描像を捉えるという手法はありま

よって、基板の影響を受けない蛍光強度

過程は驚くほど短時間内に起きることが知ることはできません。むしろ、形を作らずを折り紙にたとえます。「できあがった形

したが、それはあくまでも平均値でした。

を観測できる装置を開発しました。

られていますが、そのメカニズムは明らかに変な凝集体になることがほとんどです。

だけわかっても、四角い紙からどうやって高橋教授は「紅葉を調べようとする時にこれはよく文字と文章の関係にたとえられ折るのか理解しないと折り紙はできない。

木全体を見ていても、いったい何がどうます。文字を適当に並べても意味のわ

同じように、タンパク質が形になっていく過

変化して赤くなるのか、よくわからない。

観察手法の開発、進化によりタンパク質の動きを解き明かす
タンパク質が形になる過程を
リアルタイムに観察したい

タンパク質の運動を一分子レベルで検出する

高速なタンパク質の動きを観測して機能の謎を解明にされていません。「われわれは、自作の蛍光顕微鏡を用いて、蛍光色素を付けた

折り畳み過程は、さまざまな形を持つ分子が次第に整った形に変わる過程だと考えられます。
このような、
タンパク質の折り畳み過程の理解のためには、
タンパク質の形を個別に調べ、形の違いがどのように変化して行くのかを知る必要があります。このための最も直接的な手段が、
タンパク質の一分
子観察です。

蛍光観察装置タンパク質の一分子観察を行うために用いられる手法の一つです。蛍光色素と呼ばれる分子に、
レーザー光を照射すると、入射したレーザーと波長の異なる光を発します。
この光のことを蛍光と呼びます。タンパク質に蛍光色素を付着させ、色素が発する蛍光を観察することで、タンパク質の形についての情報をえることができます。

時間分解能
タンパク質が折り畳まれる形の変化は、さまざまな
時間スケールで起こります。一ミリ秒以内という高速で折り畳むタンパク質や、数十秒以上の時間をかけて折り畳むタンパク質もあります。
これらの過程を追跡するためには、折り畳まれる時間よりも十分に短い間隔で、タンパク質の構造の測定を行う必タンパク質が特定の形に折り畳まれるすることで、ｐ５３の機能の解明を目指しているのか観測したい」と話します。つまり

運動は、大変短い時間内に起こります。

います」と高橋教授。実際に長いＤＮＡのしたがって、その高速運動に追いつける

上を１次元的に運動するｐ５３の粒子の観観測装置がないと実験も成り立ちません。

測に成功しています。

高橋研究室では、数十マイクロ秒の時間

このように高橋教授は、タンパク質はな分解能で、一分子の蛍光強度変化を観

ぜ折り畳まれるのかという基本課題に真察する装置を開発し、タンパク質の高速摯に向き合い、さまざまな実験アプローチ
によって、タンパク

要があります。
この間隔を時間分解能と呼びます。
一ミリ秒以内に折り畳まれるタンパク質の観察のためには、
１００マイクロ秒以下の時間分解能を持
つ観測が望まれます。

ｐ５３
ｐ５３はがん抑制タンパク質とも呼ばれます。
ｐ５３
は、細胞にストレスがかかり細胞の中のＤＮＡが痛んだ場合に活性化され、ＤＮＡのなかのターゲット
配列に結合します。
その結果、痛んだＤＮＡの修復

質と生命科学の未を行うタンパク質の合成をスタートさせます。ター

知の領域を少しずんになりやすいことが知られています。
ｐ５３が機能タンパク質の一分子観測手法の考え方。木全体を見ていると次第に紅葉していくことはわかタンパク質は、アミノ酸がつながった鎖の状態から、特定の構造に折り畳まれる運動

るが、いったい何が変化したことによって紅葉したのか見えてこない。
しかし、一枚一枚の葉をを行う。この運動は大変高速に起きる。
タンパク質は、折り畳まれた後に、それぞれつ明らかにしていこ観察すると、緑が薄くなり徐々に赤くなるのか、緑の葉に赤い部分が発生して拡大していくのの機能を発揮できる。
しかし、なぜ機能を持つ特定の構造がつくられるのか、解明さか、
あるいは、緑から別の色に変化してから赤くなるのか、などの違いを区別することができる。

れていない。

うという試みを続け訪れた外国のスーパーで買い物を楽しむ

一つの構造しか持ちません。従って、タンパク質のｐ５３がＤＮＡの上を動く過程を直接観察

１枚１枚の葉っぱが、どのように変化してています。

ここで、1枚の葉に注目するように、1分子に着目してタンパク質を観測するというアプローチ。

態に折り畳まれる運動を示します。変性したタンパ

ゲットに結合する能力が欠損したｐ５３を持つと、がするためには、膨大な長さを持つＤＮＡの中から、ターゲット配列を短時間内に選び出す必要があります。

OFF TIME

外国人英語コースの立ち上げのために外国に行く機会が増え、これまでに、中国、韓国、インドネシア、タイ、シンガポール、バングラデッシュ、

10マイクロ秒の時間分解能

カザフスタンなどを訪れました。 研究室の本棚には、気がついたら１０カ国

で、一分子を連続追跡する

以上のガイドブックが並んでいました。外国に行ったら、空き時間を見つけ観察を可能にした装置。従て、現地のデパ地下やスーパーマーケットに寄ってみます。現地の人が好来に比べて能力が飛躍的にきそうな、現地の生活が見えるようなもの、お菓子や食べ物を買ってみることが多いです。買ってきたお土産に対して研究室の学生さんが見せる反応
も楽しみの一つです。

15 TAGEN FOREFRONT

向上したため、
非常に高速で運動するタンパク質を観察できる可能性を開いた。

TAGEN FOREFRONT 16

FOREFRONT REVIEW

03

高温での
“その場”
観察から
斬新な素材製造プロセスシーズを
すべての工業製品はその製品を構成する材料からできており、その材料は鉄のような素材から造られています。素材を得るための素材の精錬プロセス、製造プロセス、リサイクルプロセス等の原理を理解するには、異相間の化学的、物理的分離過程を詳細に理解することが必要です。このようなプロセスは多くの場合高温において実行されます。したがって、高温における各相の物性値が重要となってきます。
さらに、高温酸化物融体の物性値（熱伝導度、粘度、表面張力、密度）は、金属製錬や廃棄物の溶媒処理、ガラス製造など工業プロセスでの高温液体材料の制御や地球内部のマグマの挙動を推測する上でも重要となります。
柴田研究室では、ミクロ的な視点からの物性の発現に関わる研究を基礎として、素材が最終プロダクツとして機能を発現させることまで
多元物質科学研究所
材料分離プロセス研究分野

教授

柴田
浩幸
SHIBATA, Hiroyuki

FOREFRONT REVIEW

１９６４年宮城県生まれ、
１９８７年東北大学工学部金属加工学科卒業、１９９３年同大学院金属工学専攻
修了、
博士
（工学）
、
１９９１年～１９９３年日本学術振興会特別研究員、
１９９３年素材工学研究所助手、

溶融珪酸塩の熱伝導率、 そして粘性。これらは、 高温の精錬および２００２年Ｃａ
ｒ
ｎｅｇ
ｉ
ｅ Ｍｅ
ｌ
ｌ
ｏｎ Ｕｎ
ｉ
ｖｅ
ｒ
ｓ
ｉ
ｔ
ｙ，
ｖ
ｉ
ｓ
ｉ
ｔ
ｉ
ｎｇ

凝固プロセスにおいて極めて重要な物性値です。柴田研究室ではこの

ｓｃｈｏ
ｌ
ａ
ｒ、
２００３年多元物質科学研究所講師、ような物性の発現機構を物質の構造との関連から解明し、 斬新な素材

授／１９９６年日本金属学会論文賞、
１９９７年原田

製造プロセスのシーズを見出すことを課題としています。

２００６年同研究所助教授、２０１２年同研究所教研究奨励賞、
沢村論文賞、
１
９９９年Ｊ
ｏｈｎＣｈ
ｉ
ｐｍａｎ
Ａｗａ
ｒ
ｄ、
Ｉ
ＳＳ、
２００１年村上奨励賞、
２００８年功績賞、２０１１年西山記念賞。所属学会／日本鉄鋼協

えば溶融珪酸塩の「熱伝導率」「粘性」。これらの物性値はその物質の構造に敏感な性質なので、物性の発現機構を物質の構造との関連から解明する研究を行っています。
プロセス全体の理解、その要素になる個々のプロセスの詳細な理解、各プロセスを構成する要素の物性の理解の研究を踏まえて、素過程の現象を追跡し、解析する研究が必要です。そのために「プロセス研究と物性研究の融合」
を図り、総合的な研究を展開していくことを行っています。柴田研究室が進める高温における素材の生産のプロセスの研究・解明は、最終的な材料の特性を決定づける材料の誕生に関わる部分の研究ということができます。
＜研究テーマ＞
・溶融珪酸塩中の伝熱機構
・溶融珪酸塩の粘性と構造・Ｆｅ 基合金における包晶反応・変態の速度論
・固体鋼中の非金属介在物の反応
・レアメタルのリサイクルと凝固会、
日本金属学会、
Ｉ
ｒ
ｏｎ＆Ｓｔ
ｅｅ
ｌＳｏｃ
ｉ
ｅ
ｔ
ｙ．

・高温下での固液界面現象の解明とその応用

http://www.tagen.tohoku.ac.jp/modules/

・次世代材料シリコンカーバイドの溶液成長

laboratory/index.php?laboid=85

17 TAGEN FOREFRONTを考慮した高効率な素材製造プロセスの構築を目指しています。例

TAGEN FOREFRONT 18

FOREFRONT REVIEW

03

高温での
“その場”
観察から
斬新な素材製造プロセスシーズを
すべての工業製品はその製品を構成する材料からできており、その材料は鉄のような素材から造られています。素材を得るための素材の精錬プロセス、製造プロセス、リサイクルプロセス等の原理を理解するには、異相間の化学的、物理的分離過程を詳細に理解することが必要です。このようなプロセスは多くの場合高温において実行されます。したがって、高温における各相の物性値が重要となってきます。
さらに、高温酸化物融体の物性値（熱伝導度、粘度、表面張力、密度）は、金属製錬や廃棄物の溶媒処理、ガラス製造など工業プロセスでの高温液体材料の制御や地球内部のマグマの挙動を推測する上でも重要となります。
柴田研究室では、ミクロ的な視点からの物性の発現に関わる研究を基礎として、素材が最終プロダクツとして機能を発現させることまで
多元物質科学研究所
材料分離プロセス研究分野

教授

柴田
浩幸
SHIBATA, Hiroyuki

FOREFRONT REVIEW

１９６４年宮城県生まれ、
１９８７年東北大学工学部金属加工学科卒業、１９９３年同大学院金属工学専攻
修了、
博士
（工学）
、
１９９１年～１９９３年日本学術振興会特別研究員、
１９９３年素材工学研究所助手、

溶融珪酸塩の熱伝導率、 そして粘性。これらは、 高温の精錬および２００２年Ｃａ
ｒ
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ｉ
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凝固プロセスにおいて極めて重要な物性値です。柴田研究室ではこの

ｓｃｈｏ
ｌ
ａ
ｒ、
２００３年多元物質科学研究所講師、ような物性の発現機構を物質の構造との関連から解明し、 斬新な素材

授／１９９６年日本金属学会論文賞、
１９９７年原田

製造プロセスのシーズを見出すことを課題としています。

２００６年同研究所助教授、２０１２年同研究所教研究奨励賞、
沢村論文賞、
１
９９９年Ｊ
ｏｈｎＣｈ
ｉ
ｐｍａｎ
Ａｗａ
ｒ
ｄ、
Ｉ
ＳＳ、
２００１年村上奨励賞、
２００８年功績賞、２０１１年西山記念賞。所属学会／日本鉄鋼協

えば溶融珪酸塩の「熱伝導率」「粘性」。これらの物性値はその物質の構造に敏感な性質なので、物性の発現機構を物質の構造との関連から解明する研究を行っています。
プロセス全体の理解、その要素になる個々のプロセスの詳細な理解、各プロセスを構成する要素の物性の理解の研究を踏まえて、素過程の現象を追跡し、解析する研究が必要です。そのために「プロセス研究と物性研究の融合」
を図り、総合的な研究を展開していくことを行っています。柴田研究室が進める高温における素材の生産のプロセスの研究・解明は、最終的な材料の特性を決定づける材料の誕生に関わる部分の研究ということができます。
＜研究テーマ＞
・溶融珪酸塩中の伝熱機構
・溶融珪酸塩の粘性と構造・Ｆｅ 基合金における包晶反応・変態の速度論
・固体鋼中の非金属介在物の反応
・レアメタルのリサイクルと凝固会、
日本金属学会、
Ｉ
ｒ
ｏｎ＆Ｓｔ
ｅｅ
ｌＳｏｃ
ｉ
ｅ
ｔ
ｙ．

・高温下での固液界面現象の解明とその応用

http://www.tagen.tohoku.ac.jp/modules/

・次世代材料シリコンカーバイドの溶液成長

laboratory/index.php?laboid=85

17 TAGEN FOREFRONTを考慮した高効率な素材製造プロセスの構築を目指しています。例

TAGEN FOREFRONT 18

FOREFRONT REVIEW

素材を得るための様々なプロセス

03の原理を理解するには、異相間「１６００℃の基板材料上で無機の化学的・物理的分離過程を詳

物質を融解し、基板材料との濡れ細に理解することが必要。柴田

性や反応性を評価する接触角測定

研究室では、高温における各種装置、室温から２０００℃の温度範

物性値の観察を行っています。

囲において、無機物質の熱拡散率を固体あるいは融体の状態で計測

溶融珪酸塩の熱伝導率、粘性を物質の構造との関連から解明流し込まれ、外側から冷却されて、凝固した部分が鋼材として製品になります。

連続鋳造プロセス
化学的な成分を調整した融けた鋼を連続的に固めるためのプロセス。
１９８０年代から急速に連続鋳造の割合が増加している。分塊圧延工程が省略できるので、省エネルギーである。現在はほとんどの鋼が連続鋳造により製造されている。

現在中心で進めているのは、鋼の連するレーザーフラッシュ型熱拡散率

続鋳造法プロセスにとって、どんな物性測定装置、１６００℃を超える温度にが大事かを見定める研究。鉄鋼の連続

おいて物質の状態のその場観察を

モールドフラックスは酸化物とフッ化物で構成されている。連続鋳造鋳型内において、溶鋼上に散布

鋳造プロセスあるいは凝固過程における

柴田研究室では高温における無機物質（金属、酸化物）の性質や行う共焦点走査型レーザー顕微鏡、変態機構の解明、珪酸塩融体の粘性お反応性を明らかにするために高温におけるその場観察および計測

酸化あるいは還元雰囲気において、よび熱伝導率と構造の関係などが研究

製鋼プロセスにおける高温酸化物融体の物性値測定

TERM INFORMATION

課題となっています。
製鋼プロセスでは、鋼の品質を高めたが可能な実験装置を配備しています。

酸化物融体の粘性を測定する雰囲す。スラグとモールドフラックスはともに、シ

気制御型粘度測定装置などを装備していリコン、カルシウムなどを基本組成とするます。さらに学内の施設を使い、粘度をモールドフラックスされる。散布されたモールドフラックスは溶鋼からの熱で溶け、鋳型と鋼の初期凝固シェルの間に流れ込む。モールドフラックスの化学成分を調整することによって、鋳型と鋼の初期凝固シェルの間の伝熱と潤滑を制御している。

スラグ

鉄の原材料である鉄鉱石の中に、鉄は柴田教授は、この製鋼プロセスにおけるり、鋳造の安定的な操業を図るために

溶融珪酸塩です。

支配する原子構造について分光学的手

酸化鉄の状態で含まれています。鉄鋼石

高温酸化物融体の物性に興味があるとモールドフラックスいう物質が鋼鋳造時に「珪酸塩スラグは製鉄プロセスで広く使法 ( ＮＭＲ，Ｒａｍａｎ) により調査を進めてから鉄を生み出すために高炉を使います言います。「我々の研究室では、高温融散布されます。製鋼過程で溶鋼と直接接われています。特に連続鋳造時モールドいます。珪酸塩融液の各種金属基板へが、その過程は、高炉の上部から鉄鋼石

体物性の観点からこれらの基盤材料の製触するモールドフラックスは、潤滑剤としフラックスには鋳型と溶鋼の間で熱を伝達の濡れ性とその結晶化挙動への影響などと石炭を蒸し焼きたコークスを投入し、一造プロセスを科学し、高い機能性を持つて機能したり、不純物を取り除くなどの重し、最終製品の表面性質を決めるなど大も調べています」。

酸化炭素ガスと反応させ酸素を取り除くこ

材料を低エネルギーで創りだすことを目指

要な役割を果たします。

変重要な役割があります。さらに、最近

柴田研究室では、過冷却液体状態とにより、鉄鋼製品の源となる「銑鉄」がしています。また、これらの高温プロセス「このモールドフラックスがどういう元素

スラグの再利用のために熱伝導度のよう（６００〜８００℃付近）の粘度測定技術を生まれます。次の製鋼プロセスでは転炉設計の指針を与える溶融金属や酸化物がいいのか？ どういう構造がいいのか？

な熱的や物理的なデータが必要になって有するレンヌ第一大学の研究グループとで炭素やりん、硫黄などの不純物が取りの物理化学的性質（粘度、密度、表面

これについて社会的な提言をしていくこときます」。

共同研究を実施。幅広い温度範囲での除かれ、できた鋼は連続鋳造機の鋳型に張力、濡れ性など）を高精度に測定し、が我々のミッションだと考えています。製鋼

高温の精錬プロセスでは極めて重要な世界に基礎データを発プロセスを少しでも効率良くすることができ物性値である「熱伝導率」と「粘性」。しこのような精力的な高温におけるその信しています」。

れば、社会全体の省エネにも貢献できる

かし、測定上の困難さで正確なデータ測場観察・計測実験により研究成果もあがっに丸くなり、板の表面と水滴と気体相が共存する３と考えています」。

定は現在不十分です。「そこで、高温にています。

重点において観察される角度のことで、水滴の表おけるその場観察および計測が可能な実「実測した結果、珪酸塩融体の熱伝導験装置の開発が必要になります」。

率には温度依存性はみられませんでした。

珪酸塩系融体および過冷却液体の熱伝導度と構造に関する研究

粘度データの収集を行っています。

一方で、珪酸塩融体の網目構造の構成

スラグは日本語では鉱滓。鉱石から有用金属を取り出した残り、あるいは精錬プロセスにおいて不純物を取り除くために使用されるもので多成分の酸化物。鋼の製造では必ず発生し、副生成物とも呼
ばれる。

雰囲気制御
取り扱う試料の周辺の気体相の状態を制御することをいう。高温での実験では金属は容易に酸化してしまうので、それを防止するためにアルゴンガスなどを流すこと。

接触角測定装置
接触角とは、例えば水滴を板の上などに置いた時面の状態に依存する。これを高温において、酸化物融体と金属基板、あるいは金属融体と無機固体基板の間で観察できるようにした観察装置。

共焦点走査型レーザー顕微鏡

している架橋酸素と非架橋酸素の熱伝導の温度など製鋼プロセスの状態を支配す

分子間の組成が熱伝導度に大きく寄与している率に及ぼす影響が明らかになってきていまして観察できる顕微鏡。共焦点光学系を採用してがどのように潤滑剤として機能する重要な要因です。また、鋼の連続鋳造

柴田研究室では高温における無機物質す」。この関係について、珪酸塩融体構いることから、高温において試料からでる輻射光をるか、どのように熱を伝導するか、プロセスにおいて溶鋼の上面に供給され（金属、酸化物）の性質や反応性を明ら造をモデル化して熱伝導率を導出する手

ほぼ変わらないイメージを得ることができる。

るモールドフラックスの伝熱特性は、溶鋼かにするために、様々な高温におけるそ法を考え、その有効性を示しました。また、の保温や抜熱に関係する重要な要因での場観察・計測が可能な実験装置を揃

熱伝導率の実測に基づく熱伝導率の推えています。

算式も導出しました。

連続鋳造プロセスにおいて、鋳溶融状態のスラグの伝熱特性は、溶鉄型の中ではモールドフラックスなど様々な層ができています。この層どのように不純物を取り除くかな
ど、その詳細機能の解明を柴田研究室では行っています。

年甲斐もなくアイスキャンディが好きで、毎晩食べています

光学顕微鏡であるが、試料表面をレーザーで走査除外することができる。
１６００℃においても室温を

MY FAVORITE

アイスキャンディが好きで、毎晩食べています。妻が買ってくるので冷蔵庫にいつも入っています。
１日２本までと言われていますが。
子どもたちには、「私が食べる前にお父さんが食べてしまう」と不評を買っています。お酒を飲んで帰る時でも、無意識のうちにコンビニでアイスクリームを買ってから帰りますね。
韓国に学生たちと行った時も、辛いものを食べた後に「韓国のアイスを食べてみよう」と言ったことが思い出されます。
海外の濃厚なチョコレートも好きなので、かなり甘いもの好きなようです。
ハワイで食べたチョコレートシロップのかかったかき氷
珪酸塩融体の熱伝導率、粘性など、
製鋼プロセスにおける物性を実測している柴田研究室。
「架橋酸素と非架橋酸素
では熱伝導度が違うらしく、
非架橋酸素数が増大すると熱伝導率は低下する」という実測結果も出ています。
19 TAGEN FOREFRONTTAGEN FOREFRONT 20

FOREFRONT REVIEW

素材を得るための様々なプロセス

03の原理を理解するには、異相間「１６００℃の基板材料上で無機の化学的・物理的分離過程を詳

物質を融解し、基板材料との濡れ細に理解することが必要。柴田

性や反応性を評価する接触角測定

研究室では、高温における各種装置、室温から２０００℃の温度範

物性値の観察を行っています。

囲において、無機物質の熱拡散率を固体あるいは融体の状態で計測

溶融珪酸塩の熱伝導率、粘性を物質の構造との関連から解明流し込まれ、外側から冷却されて、凝固した部分が鋼材として製品になります。

連続鋳造プロセス
化学的な成分を調整した融けた鋼を連続的に固めるためのプロセス。
１９８０年代から急速に連続鋳造の割合が増加している。分塊圧延工程が省略できるので、省エネルギーである。現在はほとんどの鋼が連続鋳造により製造されている。

現在中心で進めているのは、鋼の連するレーザーフラッシュ型熱拡散率

続鋳造法プロセスにとって、どんな物性測定装置、１６００℃を超える温度にが大事かを見定める研究。鉄鋼の連続

おいて物質の状態のその場観察を

モールドフラックスは酸化物とフッ化物で構成されている。連続鋳造鋳型内において、溶鋼上に散布

鋳造プロセスあるいは凝固過程における

柴田研究室では高温における無機物質（金属、酸化物）の性質や行う共焦点走査型レーザー顕微鏡、変態機構の解明、珪酸塩融体の粘性お反応性を明らかにするために高温におけるその場観察および計測

酸化あるいは還元雰囲気において、よび熱伝導率と構造の関係などが研究

製鋼プロセスにおける高温酸化物融体の物性値測定

TERM INFORMATION

課題となっています。
製鋼プロセスでは、鋼の品質を高めたが可能な実験装置を配備しています。

酸化物融体の粘性を測定する雰囲す。スラグとモールドフラックスはともに、シ

気制御型粘度測定装置などを装備していリコン、カルシウムなどを基本組成とするます。さらに学内の施設を使い、粘度をモールドフラックスされる。散布されたモールドフラックスは溶鋼からの熱で溶け、鋳型と鋼の初期凝固シェルの間に流れ込む。モールドフラックスの化学成分を調整することによって、鋳型と鋼の初期凝固シェルの間の伝熱と潤滑を制御している。

スラグ

鉄の原材料である鉄鉱石の中に、鉄は柴田教授は、この製鋼プロセスにおけるり、鋳造の安定的な操業を図るために

溶融珪酸塩です。

支配する原子構造について分光学的手

酸化鉄の状態で含まれています。鉄鋼石

高温酸化物融体の物性に興味があるとモールドフラックスいう物質が鋼鋳造時に「珪酸塩スラグは製鉄プロセスで広く使法 ( ＮＭＲ，Ｒａｍａｎ) により調査を進めてから鉄を生み出すために高炉を使います言います。「我々の研究室では、高温融散布されます。製鋼過程で溶鋼と直接接われています。特に連続鋳造時モールドいます。珪酸塩融液の各種金属基板へが、その過程は、高炉の上部から鉄鋼石

体物性の観点からこれらの基盤材料の製触するモールドフラックスは、潤滑剤としフラックスには鋳型と溶鋼の間で熱を伝達の濡れ性とその結晶化挙動への影響などと石炭を蒸し焼きたコークスを投入し、一造プロセスを科学し、高い機能性を持つて機能したり、不純物を取り除くなどの重し、最終製品の表面性質を決めるなど大も調べています」。

酸化炭素ガスと反応させ酸素を取り除くこ

材料を低エネルギーで創りだすことを目指

要な役割を果たします。

変重要な役割があります。さらに、最近

柴田研究室では、過冷却液体状態とにより、鉄鋼製品の源となる「銑鉄」がしています。また、これらの高温プロセス「このモールドフラックスがどういう元素

スラグの再利用のために熱伝導度のよう（６００〜８００℃付近）の粘度測定技術を生まれます。次の製鋼プロセスでは転炉設計の指針を与える溶融金属や酸化物がいいのか？ どういう構造がいいのか？

な熱的や物理的なデータが必要になって有するレンヌ第一大学の研究グループとで炭素やりん、硫黄などの不純物が取りの物理化学的性質（粘度、密度、表面

これについて社会的な提言をしていくこときます」。

共同研究を実施。幅広い温度範囲での除かれ、できた鋼は連続鋳造機の鋳型に張力、濡れ性など）を高精度に測定し、が我々のミッションだと考えています。製鋼

高温の精錬プロセスでは極めて重要な世界に基礎データを発プロセスを少しでも効率良くすることができ物性値である「熱伝導率」と「粘性」。しこのような精力的な高温におけるその信しています」。

れば、社会全体の省エネにも貢献できる

かし、測定上の困難さで正確なデータ測場観察・計測実験により研究成果もあがっに丸くなり、板の表面と水滴と気体相が共存する３と考えています」。

定は現在不十分です。「そこで、高温にています。

重点において観察される角度のことで、水滴の表おけるその場観察および計測が可能な実「実測した結果、珪酸塩融体の熱伝導験装置の開発が必要になります」。

率には温度依存性はみられませんでした。

珪酸塩系融体および過冷却液体の熱伝導度と構造に関する研究

粘度データの収集を行っています。

一方で、珪酸塩融体の網目構造の構成

スラグは日本語では鉱滓。鉱石から有用金属を取り出した残り、あるいは精錬プロセスにおいて不純物を取り除くために使用されるもので多成分の酸化物。鋼の製造では必ず発生し、副生成物とも呼
ばれる。

雰囲気制御
取り扱う試料の周辺の気体相の状態を制御することをいう。高温での実験では金属は容易に酸化してしまうので、それを防止するためにアルゴンガスなどを流すこと。

接触角測定装置
接触角とは、例えば水滴を板の上などに置いた時面の状態に依存する。これを高温において、酸化物融体と金属基板、あるいは金属融体と無機固体基板の間で観察できるようにした観察装置。

共焦点走査型レーザー顕微鏡

している架橋酸素と非架橋酸素の熱伝導の温度など製鋼プロセスの状態を支配す

分子間の組成が熱伝導度に大きく寄与している率に及ぼす影響が明らかになってきていまして観察できる顕微鏡。共焦点光学系を採用してがどのように潤滑剤として機能する重要な要因です。また、鋼の連続鋳造

柴田研究室では高温における無機物質す」。この関係について、珪酸塩融体構いることから、高温において試料からでる輻射光をるか、どのように熱を伝導するか、プロセスにおいて溶鋼の上面に供給され（金属、酸化物）の性質や反応性を明ら造をモデル化して熱伝導率を導出する手

ほぼ変わらないイメージを得ることができる。

るモールドフラックスの伝熱特性は、溶鋼かにするために、様々な高温におけるそ法を考え、その有効性を示しました。また、の保温や抜熱に関係する重要な要因での場観察・計測が可能な実験装置を揃

熱伝導率の実測に基づく熱伝導率の推えています。

算式も導出しました。

連続鋳造プロセスにおいて、鋳溶融状態のスラグの伝熱特性は、溶鉄型の中ではモールドフラックスなど様々な層ができています。この層どのように不純物を取り除くかな
ど、その詳細機能の解明を柴田研究室では行っています。

年甲斐もなくアイスキャンディが好きで、毎晩食べています

光学顕微鏡であるが、試料表面をレーザーで走査除外することができる。
１６００℃においても室温を

MY FAVORITE

アイスキャンディが好きで、毎晩食べています。妻が買ってくるので冷蔵庫にいつも入っています。
１日２本までと言われていますが。
子どもたちには、「私が食べる前にお父さんが食べてしまう」と不評を買っています。お酒を飲んで帰る時でも、無意識のうちにコンビニでアイスクリームを買ってから帰りますね。
韓国に学生たちと行った時も、辛いものを食べた後に「韓国のアイスを食べてみよう」と言ったことが思い出されます。
海外の濃厚なチョコレートも好きなので、かなり甘いもの好きなようです。
ハワイで食べたチョコレートシロップのかかったかき氷
珪酸塩融体の熱伝導率、粘性など、
製鋼プロセスにおける物性を実測している柴田研究室。
「架橋酸素と非架橋酸素
では熱伝導度が違うらしく、
非架橋酸素数が増大すると熱伝導率は低下する」という実測結果も出ています。
19 TAGEN FOREFRONTTAGEN FOREFRONT 20

柴田研究室は高温現象を直接観FOREFRONT REVIEW

察することが大切であると考えてい

03

TERM INFORMATIONます。共焦点走査型レーザー顕微鏡はこれを具現化する重要なツール

酸化物ガラスマトリックスです。
まさに、百聞は一見に如かず、
Seeing is believing.

長期的に保存したい物質を安定に保存するためのガラス相のこと。
このガラス相にできるだけ多くの目標物質を溶かし込め、安定なガラスにすることが重要である。

素材製造プロセスの高効率化や新規プロセスの開発

包晶変態"難燃性マグネシウム空気電池 を用いた可搬型小型発電機"の開発ををJSTの支援により産学官連携で実施。実用化まで進んでいます。

２元系合金の変態の一種である。溶けた状態から冷却した時に一つの固相と一つの液相から新しい固相が生成すること。鉄と炭素の合金場合は炭素濃度が０．
０９％～０．
５３％の場合には融体の状態

鋼の包晶変態には冷却速度が影響することが判明

苦労いたしましたが、高温の鋼の凝固現

電気を起こし、排出されるのは「水」だけから冷却したときにδ相が凝固し、残りの液相と反象や非金属介在物の挙動の観察に世界の、未来を担う、クリーンな電源です。し応してγ相が生じる。

低レベル放射性廃棄物安定化用
ガラスマトリックスの開発

す。使用済み燃料の再処理プロセスから

包晶反応は冷却されて温度が降下するで初めて成功し、この観察手法は高温のかし、水素燃料電池は、高価な白金触排出される低レベル放射性廃棄物として場合に、ある固体とある液体が反応して

冶金科学の分野に非常に大きなインパクト媒を必要とすることや危険な水素ガスを柴田研究室では、これらの基礎研究をはナトリウム系廃液等が挙げられます。こ別の固体を形成する反応のことです。柴を与えました。現在では、日本国内はもと大量に生産・供給・貯蔵するという問題

基に実際の素材製造プロセスの高効率

れらの廃液を安定に保管するため、廃液

田研究室では、鋼の包晶反応についてより世界中の高温プロセスを研究する機があります。

化や新規プロセスの開発に取り組んでい成分を高温 (１２００℃程度 ) で酸化物ガの研究も進めています。「鋼の凝固時に関でこの観察装置が利用されるようになっそれに対し、「マグネシウム燃料電池」

ます。そのいくつかをご紹介します。

ラスマトリックスに溶解し、ガラス固化体中

凝固殻に気泡や介在物が取り込まれる仕ています。これからも多くの研究成果がは、「空気中の酸素を使う」という発電原

そのひとつに、低レベル放射性廃棄物に安定化させるプロセスが提案されてい組みや相変態の機構を明らかにすること出てくることが期待されています。

理は、水素燃料電池と同じですが、空のガラス固化体による処理プロセスの基ます。ガラス固化体にすると水に接触しては、超清浄鋼を製造すること、そして介礎研究があります。

も溶けにくくなります」。

在物を均一に分散させ鋼の特性を向上

気極は炭素でできており、また、電解液

難燃性マグネシウム空気電池を用いた可搬型小規模非常用電源の開発も塩水であるので環境に良い電池なってδ相、γ相
鉄は室温ではα相（ｂｃｃ）
であり、温度を上げると
９１０℃でγ相
（ｆ
ｃｃ）
に変化し、
１３９２℃でδ相（ｂｃｃ）となる。炭素を添加するγ相が安定になる温度領域が広がる。

体心立方、面心立方いずれも原子の配列の仕方を表す。面心立方は
ｆａｃｅ－ｃｅｎｔｅｒｅｄ ｃｕｂｉｃでｆｃｃと表記することもある。中心の一つの原子をそれと同じ１２個の原子が取り囲む配置。体心立方はｂｏｄｙ－ｃｅｎ
ｔ
ｅ
ｒ
ｅｄ
ｃｕｂ
ｉ
ｃでｂｃｃと表記することがある。中心にある一「ガラス固化とは放射性廃棄物とガラ

ガラスは水に溶けにくく、化学的に安定

スを混ぜて一体化して固定化することでであるため、放射性物質を長期間にわた鋼の包晶変態では高温からの冷却時

東日本大震災の経験から、電力会社

一般ごみとして廃棄も可能です。さらに、り安定して閉じ込めるのに優れています。

にδ相：体心立方（ｂｃｃ）からγ相：面心立からの電力に全面的に依存するのではな

原料のマグネシウムは海水中にニガリとしまた、地下水がしみ込みにくく、地層処方（ｆｃｃ）への相変態が起こります。このく、各家庭などに非常用電源の準備がて０．
１３％含まれており資源量はほぼ無尽分に適していると言われています。

変態は炭素の拡散が影響すると考えられ必要だということが叫ばれています。「今蔵といえます。

柴田研究室では、ナトリウム成分を安てきましたが、近年、炭素の拡散では説後、電力会社からの電力が途絶えても数マグネシウム燃料電池は使用を始める

定化させるために適したガラスマトリックス

明ができない高速の変態が起こることが、日間はテレビやラジオから情報を得ること

ときに電解液として塩水を入れます。使の開発を目指して、ナトリウム珪酸塩ガラ

高温その場観察から指摘されてきていまができるような安価な電力システムの構築用しないときは乾燥した状態で長期間のスのガラス形成能および化学的安定性にす。柴田研究室では、共焦点走査型レーが必要になります」と語る柴田教授。

保存ができるので、非常用の電源に大純粋なマグネシウムは空気中では着火すると燃焼研究室では、東北大学・小濱泰昭名

変向いています。発電後は、水酸化マする。一方、
カルシウムやアルミニウムを添加され誉教授と共同で、「難燃性マグネシウム空

グネシウムに変わりますが、経済的かつこの観察装置は日本オリジナルの技術

気電池を用いた可搬型小型発電機」の開環境負荷が低い方法で金属マグネシウム

1400℃を超えるような融液を金属板上でからできています。若い時にこの装置に発を科学技術振興機構（略称ＪＳＴ）の支に還元する技術が確立すれば大規模な急冷し、ガラスを作製します。
このようにして出会えたことは大変な幸運でした。当時

援により産学官連携で実施しています。

発電に利用できる可能性があります。小することにおいてとても重要です」。

及ぼすシリカおよびアルミナ成分の影響に

ザー顕微鏡により、高温その場観察を実ついて調査を行っています。

施しています。

作製した試料を用いて、熱伝導率、粘性、結晶化、構造などの評価を行っています。

はどのように利用できるのかが分からずに従来、安価な電力システムの候補としてあげられていたのは「水素燃料電池」。

真夜中にひとり海外ドラマを見るのが日課になっています
趣味と言われてもなかなか浮かばないので、妻に聞いてみたら「あなたはテレビ好きよ」と言われました。そう言えば海外ドラマを良く見ますね。
最近だと、科学捜査班が凶悪犯罪に最新科学で挑む『ＣＳＩ』
や、特別捜査班「Ｆ
Ｉ
ＶＥ－０」
が凶

OFF TIME「水素」と空気中の「酸素」を反応させております。仙台市の場合には使用後につの原子が立方体の各隅にある８個の同種原子と接触している配置。

固液界面
固体と液体の接触している面のこと。化学反応、
高温冶金反応、凝固などのすべてのことが固液界面の特性によって左右される。界面の特性は物質の組み合わせで異なる。

難燃性マグネシウムたマグネシウムは空気中において燃焼しないという特性を持っている。
このような特性をもつマグネシウ
ム合金のこと。

濱名誉教授と協力してこの構想を推進しています。
柴田研究室では、このように、素材製
造プロセスの高効率化や新規プロセスの開発を通して、素材・材料開発のイノベーションを起こしたいと考えています。

悪事件に挑むアクション
『ＨＡＷＡ
Ｉ
ＩＦ
Ｉ
ＶＥ－０』
など。そう考えると小さい頃から好きでしたね。刑事
コロンボやチャーリーズエンジェル、バイオニックジェニーなど。
家族には呆れられていますね。しょうがないので夜中にひとりで見ています。
日本のドラマとの違いは、スピード感や展開の速さでしょうか？ お酒が弱いので晩酌もしないで見ています。

柴田研究室では、プロセス全体の理解、その要素になる個々のプロセスの詳細な理解、各プロセスを構成する要素の物性の理解を通して、新たな素材・材料の開発
シーズを生み出しています。

21 TAGEN FOREFRONTTAGEN FOREFRONT 22

柴田研究室は高温現象を直接観FOREFRONT REVIEW

察することが大切であると考えてい

03

TERM INFORMATIONます。共焦点走査型レーザー顕微鏡はこれを具現化する重要なツール

酸化物ガラスマトリックスです。
まさに、百聞は一見に如かず、
Seeing is believing.

長期的に保存したい物質を安定に保存するためのガラス相のこと。
このガラス相にできるだけ多くの目標物質を溶かし込め、安定なガラスにすることが重要である。

素材製造プロセスの高効率化や新規プロセスの開発

包晶変態"難燃性マグネシウム空気電池 を用いた可搬型小型発電機"の開発ををJSTの支援により産学官連携で実施。実用化まで進んでいます。

２元系合金の変態の一種である。溶けた状態から冷却した時に一つの固相と一つの液相から新しい固相が生成すること。鉄と炭素の合金場合は炭素濃度が０．
０９％～０．
５３％の場合には融体の状態

鋼の包晶変態には冷却速度が影響することが判明

苦労いたしましたが、高温の鋼の凝固現

電気を起こし、排出されるのは「水」だけから冷却したときにδ相が凝固し、残りの液相と反象や非金属介在物の挙動の観察に世界の、未来を担う、クリーンな電源です。し応してγ相が生じる。

低レベル放射性廃棄物安定化用
ガラスマトリックスの開発

す。使用済み燃料の再処理プロセスから

包晶反応は冷却されて温度が降下するで初めて成功し、この観察手法は高温のかし、水素燃料電池は、高価な白金触排出される低レベル放射性廃棄物として場合に、ある固体とある液体が反応して

冶金科学の分野に非常に大きなインパクト媒を必要とすることや危険な水素ガスを柴田研究室では、これらの基礎研究をはナトリウム系廃液等が挙げられます。こ別の固体を形成する反応のことです。柴を与えました。現在では、日本国内はもと大量に生産・供給・貯蔵するという問題

基に実際の素材製造プロセスの高効率

れらの廃液を安定に保管するため、廃液

田研究室では、鋼の包晶反応についてより世界中の高温プロセスを研究する機があります。

化や新規プロセスの開発に取り組んでい成分を高温 (１２００℃程度 ) で酸化物ガの研究も進めています。「鋼の凝固時に関でこの観察装置が利用されるようになっそれに対し、「マグネシウム燃料電池」

ます。そのいくつかをご紹介します。

ラスマトリックスに溶解し、ガラス固化体中

凝固殻に気泡や介在物が取り込まれる仕ています。これからも多くの研究成果がは、「空気中の酸素を使う」という発電原

そのひとつに、低レベル放射性廃棄物に安定化させるプロセスが提案されてい組みや相変態の機構を明らかにすること出てくることが期待されています。

理は、水素燃料電池と同じですが、空のガラス固化体による処理プロセスの基ます。ガラス固化体にすると水に接触しては、超清浄鋼を製造すること、そして介礎研究があります。

も溶けにくくなります」。

在物を均一に分散させ鋼の特性を向上

気極は炭素でできており、また、電解液

難燃性マグネシウム空気電池を用いた可搬型小規模非常用電源の開発も塩水であるので環境に良い電池なってδ相、γ相
鉄は室温ではα相（ｂｃｃ）
であり、温度を上げると
９１０℃でγ相
（ｆ
ｃｃ）
に変化し、
１３９２℃でδ相（ｂｃｃ）となる。炭素を添加するγ相が安定になる温度領域が広がる。

体心立方、面心立方いずれも原子の配列の仕方を表す。面心立方は
ｆａｃｅ－ｃｅｎｔｅｒｅｄ ｃｕｂｉｃでｆｃｃと表記することもある。中心の一つの原子をそれと同じ１２個の原子が取り囲む配置。体心立方はｂｏｄｙ－ｃｅｎ
ｔ
ｅ
ｒ
ｅｄ
ｃｕｂ
ｉ
ｃでｂｃｃと表記することがある。中心にある一「ガラス固化とは放射性廃棄物とガラ

ガラスは水に溶けにくく、化学的に安定

スを混ぜて一体化して固定化することでであるため、放射性物質を長期間にわた鋼の包晶変態では高温からの冷却時

東日本大震災の経験から、電力会社

一般ごみとして廃棄も可能です。さらに、り安定して閉じ込めるのに優れています。

にδ相：体心立方（ｂｃｃ）からγ相：面心立からの電力に全面的に依存するのではな

原料のマグネシウムは海水中にニガリとしまた、地下水がしみ込みにくく、地層処方（ｆｃｃ）への相変態が起こります。このく、各家庭などに非常用電源の準備がて０．
１３％含まれており資源量はほぼ無尽分に適していると言われています。

変態は炭素の拡散が影響すると考えられ必要だということが叫ばれています。「今蔵といえます。

柴田研究室では、ナトリウム成分を安てきましたが、近年、炭素の拡散では説後、電力会社からの電力が途絶えても数マグネシウム燃料電池は使用を始める

定化させるために適したガラスマトリックス

明ができない高速の変態が起こることが、日間はテレビやラジオから情報を得ること

ときに電解液として塩水を入れます。使の開発を目指して、ナトリウム珪酸塩ガラ

高温その場観察から指摘されてきていまができるような安価な電力システムの構築用しないときは乾燥した状態で長期間のスのガラス形成能および化学的安定性にす。柴田研究室では、共焦点走査型レーが必要になります」と語る柴田教授。

保存ができるので、非常用の電源に大純粋なマグネシウムは空気中では着火すると燃焼研究室では、東北大学・小濱泰昭名

変向いています。発電後は、水酸化マする。一方、
カルシウムやアルミニウムを添加され誉教授と共同で、「難燃性マグネシウム空

グネシウムに変わりますが、経済的かつこの観察装置は日本オリジナルの技術

気電池を用いた可搬型小型発電機」の開環境負荷が低い方法で金属マグネシウム

1400℃を超えるような融液を金属板上でからできています。若い時にこの装置に発を科学技術振興機構（略称ＪＳＴ）の支に還元する技術が確立すれば大規模な急冷し、ガラスを作製します。
このようにして出会えたことは大変な幸運でした。当時

援により産学官連携で実施しています。

発電に利用できる可能性があります。小することにおいてとても重要です」。

及ぼすシリカおよびアルミナ成分の影響に

ザー顕微鏡により、高温その場観察を実ついて調査を行っています。

施しています。

作製した試料を用いて、熱伝導率、粘性、結晶化、構造などの評価を行っています。

はどのように利用できるのかが分からずに従来、安価な電力システムの候補としてあげられていたのは「水素燃料電池」。

真夜中にひとり海外ドラマを見るのが日課になっています
趣味と言われてもなかなか浮かばないので、妻に聞いてみたら「あなたはテレビ好きよ」と言われました。そう言えば海外ドラマを良く見ますね。
最近だと、科学捜査班が凶悪犯罪に最新科学で挑む『ＣＳＩ』
や、特別捜査班「Ｆ
Ｉ
ＶＥ－０」
が凶

OFF TIME「水素」と空気中の「酸素」を反応させております。仙台市の場合には使用後につの原子が立方体の各隅にある８個の同種原子と接触している配置。

固液界面
固体と液体の接触している面のこと。化学反応、
高温冶金反応、凝固などのすべてのことが固液界面の特性によって左右される。界面の特性は物質の組み合わせで異なる。

難燃性マグネシウムたマグネシウムは空気中において燃焼しないという特性を持っている。
このような特性をもつマグネシウ
ム合金のこと。

濱名誉教授と協力してこの構想を推進しています。
柴田研究室では、このように、素材製
造プロセスの高効率化や新規プロセスの開発を通して、素材・材料開発のイノベーションを起こしたいと考えています。

悪事件に挑むアクション
『ＨＡＷＡ
Ｉ
ＩＦ
Ｉ
ＶＥ－０』
など。そう考えると小さい頃から好きでしたね。刑事
コロンボやチャーリーズエンジェル、バイオニックジェニーなど。
家族には呆れられていますね。しょうがないので夜中にひとりで見ています。
日本のドラマとの違いは、スピード感や展開の速さでしょうか？ お酒が弱いので晩酌もしないで見ています。

柴田研究室では、プロセス全体の理解、その要素になる個々のプロセスの詳細な理解、各プロセスを構成する要素の物性の理解を通して、新たな素材・材料の開発
シーズを生み出しています。

21 TAGEN FOREFRONTTAGEN FOREFRONT 22

FOREFRONT REVIEW

04

低炭素・資源循環型社会に向けて
機能性粉体プロセスの可能性に挑む
工学部の学生だった時、ある粉状の物質の試験で容器に充填しようとしていて「目一杯充填しようとしても湿度が高い日はまとわりついて出てこない、逆に乾いていても静電気で付着したりして、なかなか自在に操れないですね」とマスターの先輩に話したところ、「粉の挙動はまだまだ検証されていないことが多い」ということだった。それが、加納教授が「粉体」に興味を覚えたきっかけだったと言います。「身近にある、たとえばコーヒーの粉が、どのようにすりつぶした時に、熱湯で抽出して、どのような味になるのか、統一的に粉の物性がこうだからこうなるというメカニズムが明らかにされているわけではない」そんなことを研究する領域なら面白いと思った、というわけです。
実際、私たちの身近には、小麦粉・カレー粉など食品のほか、医薬品や化粧品など、粉状のものが数多くあります。さらに粉体が原料になっているものを考えてみると、鉄鋼業、セラミックス、化学工業、

多元物質科学研究所
プロセスシステム工学研究部門
機能性粉体プロセス研究分野

教授

加納
純也

FOREFRONT REVIEW

粉体を原料とする高機能性材料の開発 ･ 製造においては、 要求される

K ANO , Junya

1967年岐阜県生まれ。1990年同志社大学工学部化学工学科卒業、1990年同大学院工学研
究科工業化学専攻博士課程入学、1995年同大

粒子、あるいは機能を発現させるために、 混合・成形・充填などの粉体プ

学院工学研究科工業化学専攻博士課程単位取

ロセスを自在に制御することが重要になってきます。加納研究室では、 粉素材工学研究所助手、2005年東北大学多元物得退学、1997年博士（工学）、1995年東北大学体プロセスを自在に制御するためのツールとしてコンピュータ・シミュレー

質科学研究所講師、2008年同准教授、2012年

ションを開発し、 それぞれの目的に最適な粉体プロセスを創成しています。

セス部会技術賞、2013年日本鉄鋼協会俵論文

こうした研究開発を進めながら、 環境やエネルギーという現代的なテーマ

賞、2014年粉体工学会技術賞。所属学会／粉に対して粉体工学の領域からの新たなアプローチを試みています。

材学会、
日本エネルギー学会。

電子部品、そしてエネルギー分野と、あらゆる産業分野に関わっていることがわかります。粉体というと、確かに馴染みのない用語ですが、粉体の特性や挙動・現象を探索・解明し、材料の製造プロセスを創成する「粉体工学」は、産業の基盤を横断的に支える、極めて重要な研究分野であると言うことができます。
さらに近年は、微小なサイズを扱うナノテクノロジーの進展や、低炭素社会・資源循環型社会に向けた取り組みが行われている中で、粉体が関わる高機能性材料の開発・製造が盛んに進められ、粉体工学はいっそう注目度を増しています。
学生時代から着目した粉体工学を基盤として、加納教授はいま地
球環境保全への貢献という明確なテーマ設定とコンピュータシミュレー
ションによるアプローチで、新たな可能性への挑戦を続けています。

同教授。2012年度化学工学会粒子・流体プロ体工学会、化学工学会、
日本鉄鋼協会、資源・素

http://www.tagen.tohoku.ac.jp/modules/
laboratory/index.php?laboid=84

23 TAGEN FOREFRONTTAGEN FOREFRONT 24

FOREFRONT REVIEW

04

低炭素・資源循環型社会に向けて
機能性粉体プロセスの可能性に挑む
工学部の学生だった時、ある粉状の物質の試験で容器に充填しようとしていて「目一杯充填しようとしても湿度が高い日はまとわりついて出てこない、逆に乾いていても静電気で付着したりして、なかなか自在に操れないですね」とマスターの先輩に話したところ、「粉の挙動はまだまだ検証されていないことが多い」ということだった。それが、加納教授が「粉体」に興味を覚えたきっかけだったと言います。「身近にある、たとえばコーヒーの粉が、どのようにすりつぶした時に、熱湯で抽出して、どのような味になるのか、統一的に粉の物性がこうだからこうなるというメカニズムが明らかにされているわけではない」そんなことを研究する領域なら面白いと思った、というわけです。
実際、私たちの身近には、小麦粉・カレー粉など食品のほか、医薬品や化粧品など、粉状のものが数多くあります。さらに粉体が原料になっているものを考えてみると、鉄鋼業、セラミックス、化学工業、

多元物質科学研究所
プロセスシステム工学研究部門
機能性粉体プロセス研究分野

教授

加納
純也

FOREFRONT REVIEW

粉体を原料とする高機能性材料の開発 ･ 製造においては、 要求される

K ANO , Junya

1967年岐阜県生まれ。1990年同志社大学工学部化学工学科卒業、1990年同大学院工学研
究科工業化学専攻博士課程入学、1995年同大

粒子、あるいは機能を発現させるために、 混合・成形・充填などの粉体プ

学院工学研究科工業化学専攻博士課程単位取

ロセスを自在に制御することが重要になってきます。加納研究室では、 粉素材工学研究所助手、2005年東北大学多元物得退学、1997年博士（工学）、1995年東北大学体プロセスを自在に制御するためのツールとしてコンピュータ・シミュレー

質科学研究所講師、2008年同准教授、2012年

ションを開発し、 それぞれの目的に最適な粉体プロセスを創成しています。

セス部会技術賞、2013年日本鉄鋼協会俵論文

こうした研究開発を進めながら、 環境やエネルギーという現代的なテーマ

賞、2014年粉体工学会技術賞。所属学会／粉に対して粉体工学の領域からの新たなアプローチを試みています。

材学会、
日本エネルギー学会。

電子部品、そしてエネルギー分野と、あらゆる産業分野に関わっていることがわかります。粉体というと、確かに馴染みのない用語ですが、粉体の特性や挙動・現象を探索・解明し、材料の製造プロセスを創成する「粉体工学」は、産業の基盤を横断的に支える、極めて重要な研究分野であると言うことができます。
さらに近年は、微小なサイズを扱うナノテクノロジーの進展や、低炭素社会・資源循環型社会に向けた取り組みが行われている中で、粉体が関わる高機能性材料の開発・製造が盛んに進められ、粉体工学はいっそう注目度を増しています。
学生時代から着目した粉体工学を基盤として、加納教授はいま地
球環境保全への貢献という明確なテーマ設定とコンピュータシミュレー
ションによるアプローチで、新たな可能性への挑戦を続けています。

同教授。2012年度化学工学会粒子・流体プロ体工学会、化学工学会、
日本鉄鋼協会、資源・素

http://www.tagen.tohoku.ac.jp/modules/
laboratory/index.php?laboid=84

23 TAGEN FOREFRONTTAGEN FOREFRONT 24

FOREFRONT REVIEW

04る」。実際に加納教授は、大手粉体混

加 納 研 究 室 の 研 究アプローチにはコン
ピュータシミュレーションが欠かせない。そのシミュレーションのためのデータ計算を行う合機メーカーの製品などを実用化していサーバルームを研究室内に備えている。

ます。粉体プロセスの最適化は、装置の製作段階での効率化とともに、装置を動かす電気料金や製造コストの低減にも貢献するもので多くの産業界における全体と新たな粉体プロセス提案で省エネルギー、
省化石燃料化しての省エネルギー化にも結びつくものと鉄鉱石の高炉投入前段階の焼結機原料給鉱部の粒子挙動シミュレーション。ホッパーに充填された粒子が回転するドラム上に落下し、防護板にぶつかってパレット上に堆積していく様子が再現されている。赤色

最適な粉体プロセス提案で省エネルギー化を実現
エネルギー、環境、資源を強く意識した環境粉体工学への粒子は径３０ｍｍ、緑色は１８ｍｍ、青色は１２ｍｍをそれぞれ示している。

言えます。

TERM INFORMATION
粉体プロセス
固体粒子の集合体である粉体を粉砕する、分級す
る、混合するなど粉体粒子を加工する工程のことであり、これらの工程を組み合わせて、各種材料や製品が作られる。

ＤＥＭ
Ｄｉ
ｓ
ｔ
ｉ
ｎｃ
ｔ
（Ｄｉ
ｓｃ
ｒ
ｅ
ｔ
ｅ）
Ｅｌ
ｅｍｅｎ
ｔ Ｍｅ
ｔ
ｈｏｄの略称
であり、日本語では、個別要素法または離散要素

高温粉体プロセスを見直し、
二酸化炭素排出削減を目指す
２つめは、化石燃料の使用をいかに減法と呼ばれる。構成粒子一つ一つを追跡し、粉体全体の挙動をシミュレーションする代表的な方法である。

コンピュータシミュレーション

こうした研究アプローチの方向性を定め加納教授が推進する環境粉体工学にでも、そこには混ぜるためのさまざまな装らせるか、という課題です。日本でいま最たのは、東日本大震災が大きなきっかけ

は、４つの柱が立てられています。１つめ置が考えられます。「粉体の特性に合わも二酸化炭素を排出している産業は鉄鋼

加納研究室の大きな特徴は、粉体工学になったと言います。「避難した先で電気は、「省エネルギー化」です。「いま費やせて装置を選ばないといけない。選んだと業です。製鉄には、原料の鉄鉱石とともに、を基盤としてさまざまな研究開発を進めてのない生活を１１日間体験しました。ほぼしているエネルギーをいかに減らすか。同しても速やかに求められる状態にするまで副原料としてコークス、石灰石が使われは得られない成果を生み出すことが可能である。

いる中で、その視線の先に環境やエネル

何もできないエネルギーのない生活をする

じつくるなら１００のエネルギーをかけるの混合するにはどうしたらいいか。やってみます。コークスは、石炭を蒸し焼きにして造粒

ギーの問題を見据え、目的意識をもって立中で、なんとかして自分の立場からエネル

ではなく９０にも８０にも減らす方法がある

なければわからない、誰もわからない。こ硫黄、コールタールなど不純物を除去し、粉体の凝集や成形、固体粒子表面の被覆、溶液

ち向かっていること、と言えます。

ギーに不安を感じないようなものをつくれなのではないか。この発想を粉体工学にあんな時にこの装置を選んだら、こういう条

炭素の純度を高くして石炭よりも燃焼時のの乾燥などによって粒状の粒子を造る操作であいかと考え始めた」。エネてはめると、粉を自在に操れるようにしな

件で、こうやると効率的にできますよ、と

発熱量を高くしたものです。高炉下から目

ルギーは大きく化石燃料にいといけないということ」。これには、ツーいうことをシミュレーションで探してあげるこ

的の溶銑を取り出すまでの過程は、鉄鉱頼っていて、二酸化炭素

ルとしてコンピュータシミュレーションが重要と」。これが粉体プロセスの最適化だと、石、コークス、石灰石が粒体・粉体の状排出の問題はずっと継続しなキーになります。加納教授は、大学院

加納教授は説明します。

態で、高温下で反応するため、高温粉ています。一方で二酸化時代の１９９０年からコンピュータシミュレー

粉体プロセスの設計において、とりわけ炭素を出さないからと、人ションに取り組んでいます。当時はまだ、粉体を混ぜ合わせる機能を果たす混合

高炉に投入する前段階から高温粉体間がコントロールできないシ

粉体工学分野でコンピュータシミュレーショ

機をどうつくるか、が重要になります。「ふプロセスまで、これら粉体・粒体をいかにステムだけに頼ることにもンを使おうという動きはなかった時代で、つうはアイデアを出して、設計して試作し、混ぜるか、いかに造粒するか、いかに焼問題が残ります。「エネル加納教授が始めた段階ではまだ２次元計実験をして、評価をするという流れ。目標

結するか、などプロセス全体を細かく見直ギー、環境、資源というも算でした。その後、粉体工学における３とした水準に達しなければ、また条件をし、新たに効率化、最適化したプロセス

のに、今まで取り組んでき次元シミュレーションを確立したのは、加変えてやってみる。作り直す必要があれシステムを構築していくことが、このテー

実験とシミュレーションの比較。左た粉体工学の面から何か

納教授です。

ばまた作って、実験してと繰り返さなけれ

マにおける目標です。これによって、化側が実際に回転するドラム内の少しでも貢献できる研究を

環境粉体工学における省エネルギー化ばいけない。これをコンピューシミュレー

石燃料である石炭、コークスの使用量をがシミュレーション（ＤＥＭによる）。
シ

していこう」。こうして新しは、粉体と粉体プロセスを設計する時に、ションに置き換えることによって、最適な条減らし、二酸化炭素の排出削減に貢献しミュレーションによって粒子の運動

い視点を持った加納研究

より効率的により速やかに対応できるよう

件と設計をすみやかに提案することができようという取り組みです。

シミュレーションについて検証する

室における「環境粉体工に、コンピュータシミュレーションを活用しま

加納教授と石原真吾助教（左）。

学」が始まりました。

す。たとえば「粉を混ぜる」という場面１つ

粒子の挙動を実験した様子。
右側が良好に再現されている。写真は

季節の移り変わりを感じながら、庭で野菜づくり

体プロセスと言われます。

コンピュータを使用して、複雑な事象を模擬的に計算すること。パラメータを変化させ、事象に与える影響等を詳細に検討することができ、理論や実験でる。身近なところでは、錠剤や細粒などの医薬品、
粉ミルク、インスタントコーヒー、パスタなどの食品、
ペットフードなどの飼料の他、肥料、セラミックス、製鉄など多岐にわたる産業で行われている。

混合
混合は、一般には固体と固体あるいは固体と液体など２種類以上の異なる物質を混ぜ合わせることをいう。ただし、
ここでは主に２種類以上の異なる粉体の混合を対象とする。混合の目的は、異なる粉体を混ぜ合わせてそれらを均一に分布させることであり、医薬品、化粧品、食品など多岐にわたる分野で粉体混合が行われている。

MY FAVORITE

わが家の庭で野菜づくりをしています。トマト、キュウリ、ナス、枝豆、トウモロコシ、ジャガイモ、
アスパラガス、ニンジン、タマネギ、ニンニク、イチゴ…。ありとあらゆるものを育てています。朝キュ
ウリをもぎ取ってそのまま食べると、最高においしいですね。あ、キュウリってほんとはこんな味だっ
たんだと感激します。枝豆やアスパラも採ってすぐ茹でて食べると最高です。
畑仕事は子どもの頃父母に手伝えと言われて嫌だったんですが、いまはわが家のささやかな庭で土をいじって、種を蒔いて育てるのが楽しくてしょうがない。野菜を見ていると気持ちが落ち着くし、加納教授が実用化した混合機の例。従来メーカーが

これは混合機のハネ形状の違いによって、混合度合が変すべてを忘れて暗くなるまでやっています。ほぼ１年中、何かが採れますね。何より季節を感じる。

製作していた右側の混合機では周辺部の粒子が十化することをコンピュータシミュレーションによって検証した

いつ植えていつ収穫するのかだいたい体で感じています。これからはイチゴが楽しみですね。

分な混合結果が得られなかったが、垂直だった胴体部

実例。右側のブレード3のハネ形状は、単純な板状ではなく25 TAGEN FOREFRONTを傾斜させた形状としたシミュレーションによって、十分捻りを加えたもので、これによって外側の粒子が内側に巻な混合結果を得ることになり、混合時間も約３０分の１

き込まれてくることになり、効果的に異種類の粒子が混合さに短縮した。

れる結果となった。

TAGEN FOREFRONT 26

FOREFRONT REVIEW

04る」。実際に加納教授は、大手粉体混

加 納 研 究 室 の 研 究アプローチにはコン
ピュータシミュレーションが欠かせない。そのシミュレーションのためのデータ計算を行う合機メーカーの製品などを実用化していサーバルームを研究室内に備えている。

ます。粉体プロセスの最適化は、装置の製作段階での効率化とともに、装置を動かす電気料金や製造コストの低減にも貢献するもので多くの産業界における全体と新たな粉体プロセス提案で省エネルギー、
省化石燃料化しての省エネルギー化にも結びつくものと鉄鉱石の高炉投入前段階の焼結機原料給鉱部の粒子挙動シミュレーション。ホッパーに充填された粒子が回転するドラム上に落下し、防護板にぶつかってパレット上に堆積していく様子が再現されている。赤色

最適な粉体プロセス提案で省エネルギー化を実現
エネルギー、環境、資源を強く意識した環境粉体工学への粒子は径３０ｍｍ、緑色は１８ｍｍ、青色は１２ｍｍをそれぞれ示している。

言えます。

TERM INFORMATION
粉体プロセス
固体粒子の集合体である粉体を粉砕する、分級す
る、混合するなど粉体粒子を加工する工程のことであり、これらの工程を組み合わせて、各種材料や製品が作られる。

ＤＥＭ
Ｄｉ
ｓ
ｔ
ｉ
ｎｃ
ｔ
（Ｄｉ
ｓｃ
ｒ
ｅ
ｔ
ｅ）
Ｅｌ
ｅｍｅｎ
ｔ Ｍｅ
ｔ
ｈｏｄの略称
であり、日本語では、個別要素法または離散要素

高温粉体プロセスを見直し、
二酸化炭素排出削減を目指す
２つめは、化石燃料の使用をいかに減法と呼ばれる。構成粒子一つ一つを追跡し、粉体全体の挙動をシミュレーションする代表的な方法である。

コンピュータシミュレーション

こうした研究アプローチの方向性を定め加納教授が推進する環境粉体工学にでも、そこには混ぜるためのさまざまな装らせるか、という課題です。日本でいま最たのは、東日本大震災が大きなきっかけ

は、４つの柱が立てられています。１つめ置が考えられます。「粉体の特性に合わも二酸化炭素を排出している産業は鉄鋼

加納研究室の大きな特徴は、粉体工学になったと言います。「避難した先で電気は、「省エネルギー化」です。「いま費やせて装置を選ばないといけない。選んだと業です。製鉄には、原料の鉄鉱石とともに、を基盤としてさまざまな研究開発を進めてのない生活を１１日間体験しました。ほぼしているエネルギーをいかに減らすか。同しても速やかに求められる状態にするまで副原料としてコークス、石灰石が使われは得られない成果を生み出すことが可能である。

いる中で、その視線の先に環境やエネル

何もできないエネルギーのない生活をする

じつくるなら１００のエネルギーをかけるの混合するにはどうしたらいいか。やってみます。コークスは、石炭を蒸し焼きにして造粒

ギーの問題を見据え、目的意識をもって立中で、なんとかして自分の立場からエネル

ではなく９０にも８０にも減らす方法がある

なければわからない、誰もわからない。こ硫黄、コールタールなど不純物を除去し、粉体の凝集や成形、固体粒子表面の被覆、溶液

ち向かっていること、と言えます。

ギーに不安を感じないようなものをつくれなのではないか。この発想を粉体工学にあんな時にこの装置を選んだら、こういう条

炭素の純度を高くして石炭よりも燃焼時のの乾燥などによって粒状の粒子を造る操作であいかと考え始めた」。エネてはめると、粉を自在に操れるようにしな

件で、こうやると効率的にできますよ、と

発熱量を高くしたものです。高炉下から目

ルギーは大きく化石燃料にいといけないということ」。これには、ツーいうことをシミュレーションで探してあげるこ

的の溶銑を取り出すまでの過程は、鉄鉱頼っていて、二酸化炭素

ルとしてコンピュータシミュレーションが重要と」。これが粉体プロセスの最適化だと、石、コークス、石灰石が粒体・粉体の状排出の問題はずっと継続しなキーになります。加納教授は、大学院

加納教授は説明します。

態で、高温下で反応するため、高温粉ています。一方で二酸化時代の１９９０年からコンピュータシミュレー

粉体プロセスの設計において、とりわけ炭素を出さないからと、人ションに取り組んでいます。当時はまだ、粉体を混ぜ合わせる機能を果たす混合

高炉に投入する前段階から高温粉体間がコントロールできないシ

粉体工学分野でコンピュータシミュレーショ

機をどうつくるか、が重要になります。「ふプロセスまで、これら粉体・粒体をいかにステムだけに頼ることにもンを使おうという動きはなかった時代で、つうはアイデアを出して、設計して試作し、混ぜるか、いかに造粒するか、いかに焼問題が残ります。「エネル加納教授が始めた段階ではまだ２次元計実験をして、評価をするという流れ。目標

結するか、などプロセス全体を細かく見直ギー、環境、資源というも算でした。その後、粉体工学における３とした水準に達しなければ、また条件をし、新たに効率化、最適化したプロセス

のに、今まで取り組んでき次元シミュレーションを確立したのは、加変えてやってみる。作り直す必要があれシステムを構築していくことが、このテー

実験とシミュレーションの比較。左た粉体工学の面から何か

納教授です。

ばまた作って、実験してと繰り返さなけれ

マにおける目標です。これによって、化側が実際に回転するドラム内の少しでも貢献できる研究を

環境粉体工学における省エネルギー化ばいけない。これをコンピューシミュレー

石燃料である石炭、コークスの使用量をがシミュレーション（ＤＥＭによる）。
シ

していこう」。こうして新しは、粉体と粉体プロセスを設計する時に、ションに置き換えることによって、最適な条減らし、二酸化炭素の排出削減に貢献しミュレーションによって粒子の運動

い視点を持った加納研究

より効率的により速やかに対応できるよう

件と設計をすみやかに提案することができようという取り組みです。

シミュレーションについて検証する

室における「環境粉体工に、コンピュータシミュレーションを活用しま

加納教授と石原真吾助教（左）。

学」が始まりました。

す。たとえば「粉を混ぜる」という場面１つ

粒子の挙動を実験した様子。
右側が良好に再現されている。写真は

季節の移り変わりを感じながら、庭で野菜づくり

体プロセスと言われます。

コンピュータを使用して、複雑な事象を模擬的に計算すること。パラメータを変化させ、事象に与える影響等を詳細に検討することができ、理論や実験でる。身近なところでは、錠剤や細粒などの医薬品、
粉ミルク、インスタントコーヒー、パスタなどの食品、
ペットフードなどの飼料の他、肥料、セラミックス、製鉄など多岐にわたる産業で行われている。

混合
混合は、一般には固体と固体あるいは固体と液体など２種類以上の異なる物質を混ぜ合わせることをいう。ただし、
ここでは主に２種類以上の異なる粉体の混合を対象とする。混合の目的は、異なる粉体を混ぜ合わせてそれらを均一に分布させることであり、医薬品、化粧品、食品など多岐にわたる分野で粉体混合が行われている。

MY FAVORITE

わが家の庭で野菜づくりをしています。トマト、キュウリ、ナス、枝豆、トウモロコシ、ジャガイモ、
アスパラガス、ニンジン、タマネギ、ニンニク、イチゴ…。ありとあらゆるものを育てています。朝キュ
ウリをもぎ取ってそのまま食べると、最高においしいですね。あ、キュウリってほんとはこんな味だっ
たんだと感激します。枝豆やアスパラも採ってすぐ茹でて食べると最高です。
畑仕事は子どもの頃父母に手伝えと言われて嫌だったんですが、いまはわが家のささやかな庭で土をいじって、種を蒔いて育てるのが楽しくてしょうがない。野菜を見ていると気持ちが落ち着くし、加納教授が実用化した混合機の例。従来メーカーが

これは混合機のハネ形状の違いによって、混合度合が変すべてを忘れて暗くなるまでやっています。ほぼ１年中、何かが採れますね。何より季節を感じる。

製作していた右側の混合機では周辺部の粒子が十化することをコンピュータシミュレーションによって検証した

いつ植えていつ収穫するのかだいたい体で感じています。これからはイチゴが楽しみですね。

分な混合結果が得られなかったが、垂直だった胴体部

実例。右側のブレード3のハネ形状は、単純な板状ではなく25 TAGEN FOREFRONTを傾斜させた形状としたシミュレーションによって、十分捻りを加えたもので、これによって外側の粒子が内側に巻な混合結果を得ることになり、混合時間も約３０分の１

き込まれてくることになり、効果的に異種類の粒子が混合さに短縮した。

れる結果となった。

TAGEN FOREFRONT 26

FOREFRONT REVIEW

04

常圧下でのバイオマスからの水素製造法

加納研究室で粉体や粒体の実験を行う際にはガラスビーズや異なるを創成すべく取り組みを進めています。

素材の試料などを使って、混合の様子などを検証する。

破砕のメカニズムを解明し貴重な金属を再資源化

新たなエネルギーを創り出し、
貴重な資源を再資源化する取り組み

４つめの柱は再資源化。これはある破砕プロセスを創成・導入することにより、廃棄物から目的物質を高効率で回収しよポットが自転しながらターンテーブルが公転する遊星ミルうという試みです。廃棄物の中でとりわけようなメリットがあるため、水素はいま最もと言われる装置。
ポッ
トに投入された粉体・粒子試料がキーとなるのが小型家電です。各種の電注目されているエネルギーの存在形態のミックや希土類金属試料の場合が多い。

子デバイスが豊富に組み込まれている小１つとなっています。

バイオマスから水素を創り出す試み遠心力と圧縮力を受けて超微粉砕が可能となる。
セラ

型家電には、日本には存在しない貴重なTERM INFORMATION
バイオマス
バイオマスは、再生可能な生物由来の有機性資源で、化石資源を除いたものである。バイオマスには、廃棄物系バイオマス、未利用バイオマス、資源作物の３種類があり、廃棄物系バイオマスは、家畜
排せつ物、食品廃棄物、建設発生木材、下水汚泥等、未利用バイオマスは、林地残材、稲わら等、資源作物は、
さとうきびやトウモロコシなどである。

カーボンニュートラル
カーボンニュートラルは、一連のシステムにおいて、
二酸化炭素の排出と吸収がプラスマイナスゼロのこと。植物の光合成による二酸化炭素の吸収量と、植物の焼却による二酸化炭素の排出量が同うという動きです。具体的には、積極的「ただし、現状の水素は９７パーセント

割あります。「エネルギーとして使える部

金属が使われています。しかし、それらじであり、二酸化炭素の増減に影響を及ぼさないに、カーボンニュートラルであるバイオマ

化石燃料からつくられているので、燃料分が８割あるけれども、下水汚泥はどんど

はいま回収されるに至っていません。「そこと。生物由来の有機性資源であるバイオマスは

加納研究室における環境粉体工学３

スから水素エネルギーを取り出そうという電池自動車を走らせることが必ずしもガソん毎日毎日入ってくる。だから物理的には

ういう特殊な金属などの資源を少しでもつめの柱は、創エネルギーということです。

ことです。「水素はなぜいいかというと、リン車を走らせることより低炭素社会のた

その量を減らす、いわゆる減容化しなけ

回収することができれば、資源がない国

１つめと２つめの柱は、エネルギーや燃貯められる、運べる。水素を燃やしてエめに優位とは言えない。バイオマスからればいけないことが課題となっている。そという言い方よりも実は資源がそんなとこ

下水道の汚水を浄化する施設のことである。現在
は、浄化センターあるいは水再生センターと呼ばれカーボンニュートラルである。

下水汚泥処理場

料を少しでも削減しようという狙いでした

ネルギーとして使ったとしても、水しか排水素をつくってこそ、本来の目的にも添うれではいまどうしているかというと、油を注ろに溜まっている、と言えるわけで、ぜひが、３つめは新しいエネルギーを創り出そ出しない」と加納教授は説明します。このものとなる」と加納教授は話します。そのいで燃やしている。二酸化炭素を出して、とも回収したい。ただ回収する技術がまなかでも、あまり使われていないものをター

もともと持っているエネルギーも燃やして、だ確立されていない。社会システムとししながら、下水汚泥の大半は焼却処分されており、ゲットにしたいと加納教授は考えていま

熱としてもエネルギーとしても回収できていてではなく、回収する技術として開発しよれている。

す。バイオマスというと、主に草木、間ない状態」だと加納教授は話します。

うと始めている」と言います。

有効利用の割合は低く、新しい活用方法が検討さメカノケミカル法燃やすんだったらそれを少しでも回収し問題の金属を小型家電から取り出すが多いと思います。しかし加納教授は「そよう。ただ熱として回収しても、電気としためには、装置躯体を破砕しなければい

固体物質に衝撃や圧縮、摩擦などの機械的力をういうものは、集めるだけで、バイオマスて回収しても貯められない。だから水素とけません。どのように壊すか、ということ

学反応など物理化学的変化を誘起する方法。

が持っているエネルギーを使ってしまう。

して回収したい、というのが加納教授のがキーになります。どこにどういう力をか集めなくても必然的に集まってくるものを使考えです。水素は貯められます。必要なけてやると、求めるものが取り出せるのか、うことを考えた方がいい。われわれは下時に必要な分だけ、熱としてあるいは電その破砕の仕方を探るために、加納研

くする操作であり、その目的は、反応性の向上、溶水汚泥に注目している」と指摘します。

気として、燃料電池を介して取り出すこと究室で持っているコンピュータシミュレー

解性の向上、流動性の付与、成形性の付与、複ができます。「それがあちこちに点在すれション技術を活用して破砕プロセスを予測ば水素ステーションになりうるし、被災した

しようということです。

性の向上、新機能の発現など多岐にわたる。

時でも熱電変換が可能であれば携帯電

こうした、さまざまな先端的な試みによっ日本は社会インフラが整っていて下水話を充電しようとうろうろしなくて済む、非て、低炭素社会、そして資源循環型社

汚泥処理場がいま約２２００カ所あると言常用電源として役立つことになる」と加納会の実現に向けた技術的貢献を果たして素を創り出し、分析して検証する研究を行っている。製造装置や分析装置を研究室のノウハウでオリジナルに製作するいます。下水汚泥は、エネルギーとなる教授は活用場面を描いています。加納

いくべく、加納教授の挑戦が続けられてことも多い。

有機成分が８割、使えない無機成分が２

研究室ではメカノケミカル法による低温・います。

休みの日は、こどもたちと楽しく遊ぶことが多いですね

泥は、
バイオマスの一種と位置づけられている。
しか伐材、森林資源などをイメージすること

下水汚泥を活用した
水素エネルギーの回収

加納研究室では環境粉体工学の立場からバイオマスからの水素の製造を目指す。
そのため、さまざまな合成によって水るようになってきた。浄化過程で発生する下水汚与えることによって、結晶構造の乱れ、相転移、化粉砕
粉砕は、固体物質を機械的力によって砕いて細か数成分の混合、成分分離のための前処理、付着OFF TIME

小学３年生の、男の子と女の子の双子のこどもがいる、というのがわが家の特徴でしょうか。
いまこどもたちが、けっこう夢中でやっているのが、サッカー、野球、空手。それから書道もやっていますね。こどもには、スポーツはやってほしかった。とくに球技です。武道は、礼儀を身につけてほしい、ということで。書道は、きれいな字を書く人になってほしいと、１年生のときから始めました。休日は、キャッチボールをして体を動かしたり、２人の行動に合わせることが多いですね。
わが家の双子は、同じように育てて、食べるものも同じなのに、２人の性格がまったく違っていて、面白いというか、楽しい生活になっています。 毎年２人の誕生日の時に家族写真を撮ることにしていて、今回はそれを誌上公開します。

粒子の塊に応力を加えた場合にどのような過程を経て塊が破壊され、粒子形状はどのような変化を起すのか、
粉砕プロセスのシミュ
レーション構築が研究されている。
廃棄物からの貴金属取り出しによる再資源化などを目標とした研究
開発の基盤となる。

27 TAGEN FOREFRONTTAGEN FOREFRONT 28

FOREFRONT REVIEW

04

常圧下でのバイオマスからの水素製造法

加納研究室で粉体や粒体の実験を行う際にはガラスビーズや異なるを創成すべく取り組みを進めています。

素材の試料などを使って、混合の様子などを検証する。

破砕のメカニズムを解明し貴重な金属を再資源化

新たなエネルギーを創り出し、
貴重な資源を再資源化する取り組み

４つめの柱は再資源化。これはある破砕プロセスを創成・導入することにより、廃棄物から目的物質を高効率で回収しよポットが自転しながらターンテーブルが公転する遊星ミルうという試みです。廃棄物の中でとりわけようなメリットがあるため、水素はいま最もと言われる装置。
ポッ
トに投入された粉体・粒子試料がキーとなるのが小型家電です。各種の電注目されているエネルギーの存在形態のミックや希土類金属試料の場合が多い。

子デバイスが豊富に組み込まれている小１つとなっています。

バイオマスから水素を創り出す試み遠心力と圧縮力を受けて超微粉砕が可能となる。
セラ

型家電には、日本には存在しない貴重なTERM INFORMATION
バイオマス
バイオマスは、再生可能な生物由来の有機性資源で、化石資源を除いたものである。バイオマスには、廃棄物系バイオマス、未利用バイオマス、資源作物の３種類があり、廃棄物系バイオマスは、家畜
排せつ物、食品廃棄物、建設発生木材、下水汚泥等、未利用バイオマスは、林地残材、稲わら等、資源作物は、
さとうきびやトウモロコシなどである。

カーボンニュートラル
カーボンニュートラルは、一連のシステムにおいて、
二酸化炭素の排出と吸収がプラスマイナスゼロのこと。植物の光合成による二酸化炭素の吸収量と、植物の焼却による二酸化炭素の排出量が同うという動きです。具体的には、積極的「ただし、現状の水素は９７パーセント

割あります。「エネルギーとして使える部

金属が使われています。しかし、それらじであり、二酸化炭素の増減に影響を及ぼさないに、カーボンニュートラルであるバイオマ

化石燃料からつくられているので、燃料分が８割あるけれども、下水汚泥はどんど

はいま回収されるに至っていません。「そこと。生物由来の有機性資源であるバイオマスは

加納研究室における環境粉体工学３

スから水素エネルギーを取り出そうという電池自動車を走らせることが必ずしもガソん毎日毎日入ってくる。だから物理的には

ういう特殊な金属などの資源を少しでもつめの柱は、創エネルギーということです。

ことです。「水素はなぜいいかというと、リン車を走らせることより低炭素社会のた

その量を減らす、いわゆる減容化しなけ

回収することができれば、資源がない国

１つめと２つめの柱は、エネルギーや燃貯められる、運べる。水素を燃やしてエめに優位とは言えない。バイオマスからればいけないことが課題となっている。そという言い方よりも実は資源がそんなとこ

下水道の汚水を浄化する施設のことである。現在
は、浄化センターあるいは水再生センターと呼ばれカーボンニュートラルである。

下水汚泥処理場

料を少しでも削減しようという狙いでした

ネルギーとして使ったとしても、水しか排水素をつくってこそ、本来の目的にも添うれではいまどうしているかというと、油を注ろに溜まっている、と言えるわけで、ぜひが、３つめは新しいエネルギーを創り出そ出しない」と加納教授は説明します。このものとなる」と加納教授は話します。そのいで燃やしている。二酸化炭素を出して、とも回収したい。ただ回収する技術がまなかでも、あまり使われていないものをター

もともと持っているエネルギーも燃やして、だ確立されていない。社会システムとししながら、下水汚泥の大半は焼却処分されており、ゲットにしたいと加納教授は考えていま

熱としてもエネルギーとしても回収できていてではなく、回収する技術として開発しよれている。

す。バイオマスというと、主に草木、間ない状態」だと加納教授は話します。

うと始めている」と言います。

有効利用の割合は低く、新しい活用方法が検討さメカノケミカル法燃やすんだったらそれを少しでも回収し問題の金属を小型家電から取り出すが多いと思います。しかし加納教授は「そよう。ただ熱として回収しても、電気としためには、装置躯体を破砕しなければい

固体物質に衝撃や圧縮、摩擦などの機械的力をういうものは、集めるだけで、バイオマスて回収しても貯められない。だから水素とけません。どのように壊すか、ということ

学反応など物理化学的変化を誘起する方法。

が持っているエネルギーを使ってしまう。

して回収したい、というのが加納教授のがキーになります。どこにどういう力をか集めなくても必然的に集まってくるものを使考えです。水素は貯められます。必要なけてやると、求めるものが取り出せるのか、うことを考えた方がいい。われわれは下時に必要な分だけ、熱としてあるいは電その破砕の仕方を探るために、加納研

くする操作であり、その目的は、反応性の向上、溶水汚泥に注目している」と指摘します。

気として、燃料電池を介して取り出すこと究室で持っているコンピュータシミュレー

解性の向上、流動性の付与、成形性の付与、複ができます。「それがあちこちに点在すれション技術を活用して破砕プロセスを予測ば水素ステーションになりうるし、被災した

しようということです。

性の向上、新機能の発現など多岐にわたる。

時でも熱電変換が可能であれば携帯電

こうした、さまざまな先端的な試みによっ日本は社会インフラが整っていて下水話を充電しようとうろうろしなくて済む、非て、低炭素社会、そして資源循環型社

汚泥処理場がいま約２２００カ所あると言常用電源として役立つことになる」と加納会の実現に向けた技術的貢献を果たして素を創り出し、分析して検証する研究を行っている。製造装置や分析装置を研究室のノウハウでオリジナルに製作するいます。下水汚泥は、エネルギーとなる教授は活用場面を描いています。加納

いくべく、加納教授の挑戦が続けられてことも多い。

有機成分が８割、使えない無機成分が２

研究室ではメカノケミカル法による低温・います。

休みの日は、こどもたちと楽しく遊ぶことが多いですね

泥は、
バイオマスの一種と位置づけられている。
しか伐材、森林資源などをイメージすること

下水汚泥を活用した
水素エネルギーの回収

加納研究室では環境粉体工学の立場からバイオマスからの水素の製造を目指す。
そのため、さまざまな合成によって水るようになってきた。浄化過程で発生する下水汚与えることによって、結晶構造の乱れ、相転移、化粉砕
粉砕は、固体物質を機械的力によって砕いて細か数成分の混合、成分分離のための前処理、付着OFF TIME

小学３年生の、男の子と女の子の双子のこどもがいる、というのがわが家の特徴でしょうか。
いまこどもたちが、けっこう夢中でやっているのが、サッカー、野球、空手。それから書道もやっていますね。こどもには、スポーツはやってほしかった。とくに球技です。武道は、礼儀を身につけてほしい、ということで。書道は、きれいな字を書く人になってほしいと、１年生のときから始めました。休日は、キャッチボールをして体を動かしたり、２人の行動に合わせることが多いですね。
わが家の双子は、同じように育てて、食べるものも同じなのに、２人の性格がまったく違っていて、面白いというか、楽しい生活になっています。 毎年２人の誕生日の時に家族写真を撮ることにしていて、今回はそれを誌上公開します。

粒子の塊に応力を加えた場合にどのような過程を経て塊が破壊され、粒子形状はどのような変化を起すのか、
粉砕プロセスのシミュ
レーション構築が研究されている。
廃棄物からの貴金属取り出しによる再資源化などを目標とした研究
開発の基盤となる。

27 TAGEN FOREFRONTTAGEN FOREFRONT 28

FOREFRONT REVIEW

05

放射光X線によるナノ可視化技術の開発と応用
放射光は物質中の電子を調べるためのプローブ
（探針）
です。高田
教授のグループはこの放射光の特徴を活用して、物質科学と放射光科学を橋渡しするような新しい構造科学の構築を目指しています。電気伝導や磁性などの物質の様々な機能を知る上で、物質の原子配列などの構造情報はとても重要なものになります。そのために、先端計
測手法と計測データの解析手法の開発と応用研究を行ってきました。
先端計測手法の開発では、ＳＰｒｉｎｇ－８の光源特性である、高輝度
性、高指向性を活用し、高精度のＸ線回折データ計測、反応現象のFOREFRONT REVIEW

その場観測、物性同時測定などの手法を開発し、ハードからソフトマ
ターまで新機能性材料へ応用を展開しています。

超高輝度Ｘ線を用いて、物質中の電子によって回折されたデータ解析にはマキシマムエントロピー法（ＭＥＭ）という情報理論

Ｘ線データを測定し、マキシマムエントロピー法（ＭＥＭ）という情報理論に基づくコンピューター解析により、 精密な電子分布をマッピングする研究を行ってきた高田教授。その歩みは、東北における東北放射光計画 「ＳＬｉＴ－Ｊ」 につな
がっていきます。

に基づくコンピューター解析手法を開発。結晶材料の電子密度マッピ
多元物質科学研究所
放射光ナノ構造可視化研究分野

教授

高田
昌樹
TAKATA , Masaki

１９５９年、広島県生まれ。広島大学大学院理学研究科修了。理学博士。名古屋大学工学部応用物理学科助手、島根大学総合理工学部助教授、名古屋大学大学院工学研究科助教授、（財）高輝度光科学研究センター
（ＳＰｒ
ｉ
ｎｇ－８
／ＪＡＳＲＩ）利用研究促進部門部門長、（ 独）理
化学研究所放射光科学総合研究センター主任
研究員、東京大学大学院新領域創成科学研究科物質系専攻教授、理化学研究所放射光科
学総合研究センター副センター、
２０１５年より現職。
１９９８年日本結晶学会賞、
２００１年日本物理学会論文賞、
２０１３年文部科学大臣賞科学技術賞

ング、静電ポテンシャルの可視化のための独自の解析手法を開発し、精密な電子分布をマッピングする研究を行っています。さらに、放射光のパルス特性とナノビームを活かした時分割Ｘ線回折実験「Ｘ線ピン
ポイント構造計測」の開発も２００８年に成功し、ＤＶＤの光記録の研究に応用されています。
現在、放射光施設はＳＰｒｉｎｇ－８、ＳＡＣＬＡが、高エネルギー光科
学分野での、Ｘ線可視化技術に革新をもたらし、海外では、３ＧｅＶク
ラスの低エミッタンス放射光施設が次々と建設され、研究の国際競争が激化しています。
これに対し、高田研究室では、東北放射光計画「ＳＬ
ｉＴ－Ｊ」
を推進。
これまで開発してきた、高性能軟Ｘ線顕微鏡や光学技術、マキシマム
エントロピー法などの画像再構成の解析技術を基に、ＳＬ
ｉＴ－Ｊ計画が実現する先端軟Ｘ線光源を活用し、ナノ構造を可視化する科学の構築を目指しています。生命科学から、物質・材料科学、デバイス科学まで広い分野にわたり、軽元素戦略など新産業創成などへの展開も期待されています。

http://www.tagen.tohoku.ac.jp/modules/
laboratory/index.php?laboid=43

29 TAGEN FOREFRONTTAGEN FOREFRONT 30

FOREFRONT REVIEW

05

放射光X線によるナノ可視化技術の開発と応用
放射光は物質中の電子を調べるためのプローブ
（探針）
です。高田
教授のグループはこの放射光の特徴を活用して、物質科学と放射光科学を橋渡しするような新しい構造科学の構築を目指しています。電気伝導や磁性などの物質の様々な機能を知る上で、物質の原子配列などの構造情報はとても重要なものになります。そのために、先端計
測手法と計測データの解析手法の開発と応用研究を行ってきました。
先端計測手法の開発では、ＳＰｒｉｎｇ－８の光源特性である、高輝度
性、高指向性を活用し、高精度のＸ線回折データ計測、反応現象のFOREFRONT REVIEW

その場観測、物性同時測定などの手法を開発し、ハードからソフトマ
ターまで新機能性材料へ応用を展開しています。

超高輝度Ｘ線を用いて、物質中の電子によって回折されたデータ解析にはマキシマムエントロピー法（ＭＥＭ）という情報理論

Ｘ線データを測定し、マキシマムエントロピー法（ＭＥＭ）という情報理論に基づくコンピューター解析により、 精密な電子分布をマッピングする研究を行ってきた高田教授。その歩みは、東北における東北放射光計画 「ＳＬｉＴ－Ｊ」 につな
がっていきます。

に基づくコンピューター解析手法を開発。結晶材料の電子密度マッピ
多元物質科学研究所
放射光ナノ構造可視化研究分野

教授

高田
昌樹
TAKATA , Masaki

１９５９年、広島県生まれ。広島大学大学院理学研究科修了。理学博士。名古屋大学工学部応用物理学科助手、島根大学総合理工学部助教授、名古屋大学大学院工学研究科助教授、（財）高輝度光科学研究センター
（ＳＰｒ
ｉ
ｎｇ－８
／ＪＡＳＲＩ）利用研究促進部門部門長、（ 独）理
化学研究所放射光科学総合研究センター主任
研究員、東京大学大学院新領域創成科学研究科物質系専攻教授、理化学研究所放射光科
学総合研究センター副センター、
２０１５年より現職。
１９９８年日本結晶学会賞、
２００１年日本物理学会論文賞、
２０１３年文部科学大臣賞科学技術賞

ング、静電ポテンシャルの可視化のための独自の解析手法を開発し、精密な電子分布をマッピングする研究を行っています。さらに、放射光のパルス特性とナノビームを活かした時分割Ｘ線回折実験「Ｘ線ピン
ポイント構造計測」の開発も２００８年に成功し、ＤＶＤの光記録の研究に応用されています。
現在、放射光施設はＳＰｒｉｎｇ－８、ＳＡＣＬＡが、高エネルギー光科
学分野での、Ｘ線可視化技術に革新をもたらし、海外では、３ＧｅＶク
ラスの低エミッタンス放射光施設が次々と建設され、研究の国際競争が激化しています。
これに対し、高田研究室では、東北放射光計画「ＳＬ
ｉＴ－Ｊ」
を推進。
これまで開発してきた、高性能軟Ｘ線顕微鏡や光学技術、マキシマム
エントロピー法などの画像再構成の解析技術を基に、ＳＬ
ｉＴ－Ｊ計画が実現する先端軟Ｘ線光源を活用し、ナノ構造を可視化する科学の構築を目指しています。生命科学から、物質・材料科学、デバイス科学まで広い分野にわたり、軽元素戦略など新産業創成などへの展開も期待されています。

http://www.tagen.tohoku.ac.jp/modules/
laboratory/index.php?laboid=43

29 TAGEN FOREFRONTTAGEN FOREFRONT 30

「電子を見ることが究極的に物質の性FOREFRONT REVIEW

ＭＥＭ／Ｒ
ｉ
ｅ
ｔ
ｖｅ
ｌ
ｄ 法の開発により、
Ｙ＠Ｃ８２ の放射光粉末質を見るためのカギとなる」。
そしてこの

05

回折データを解析し，得られた電子密度分布からＹ 原子が実電子を調べるためのプローブ（探針）が際に Ｃ８２ ケージに内包されている様子を直接観察すること

放射光です。高田教授のグループは放に世界で初めて成功しています。

射光の特徴を活用して、電子の分布を可視化することにより物質科学の研究

放射光
リング状に電磁石を並べた加速器で、電子を光のに革新をもたらそうとしています。

物質を電子レベルで可視化し新しい機能を創発する設計図づくり

TERM INFORMATION
スピード近くまで加速し、その中で電子の運動の向という短い時間で局所的な観察ができる

きを曲げるときに電子から非常に強い光が発せらＸ線によるピンポイント構造計測システムのれる。
このＸ線の光を放射光と呼ぶ。その明るさは
太陽の１０億倍にものぼり、強い指向性を持つ。
こ

開発を行ってきました。これによりナノレベの放射光を発生させるための放射光施設が、世界中に５０近く建設されている。日本では世界最大の光には赤外線、可視光線、紫外線、い情報に関しては最もバイアスの小さい

ルの反応現象の解明が進むと考えます」。

Ｘ線などがあります。放射光とは、高エ解を推定するために、情報エントロピー

ここで言う「ピンポイント」とは、①空間ネルギーの電子などの荷電粒子が磁場が最も大きい、画像を選ぶ方法です。「こ的に限られた領域②時間的に限られたで曲げられたときに発生する強力な X 線のＭＥＭによって原子間の結合や電子の領域③デバイスの動作状態でのその場（シンクロトロン放射光）です。放射光は、分布をノイズのない鮮明な画像で可視化観察を含む様々な環境下であることを意「電気が流れる」「温度があがる」など、物質中の電子と相互作用します。極めてすることができるようになりました。

味します。つまり、短時間・極小空間・

電場と磁場が変動して物質の性質は決定

明るいＸ線の光である放射光を使って、さらに、放射光粉末回折実験によるデー

極限環境（強光励起下、電場下、高圧

現在まで、（財）高輝度光科学研究セされます。すべでは電子の動き・分布で物質を観測すると、物質の機能を電子のタ測定が、この解析法の特長を生かせる

下、デバイスの動作時など）、そのすべ

ンター（ＳＰｒｉｎｇ－８／ＪＡＳＲＩ）利用研究

決まると言えます。したがって分子・原子レベルで可視化することができるようにな

一つの手段であることがわかりました。粉てを同時に満たす構造計測技術を指しま促進部門部門長、（独）理化学研究の結合形態・電荷整列・電荷移動などります。「それにより、物質の新しい機能

末データを取り扱うために、既存の粉末す。ＳＰｒｉｎｇ－８の高輝度放射光源を最所放射光科学総合研究センター主任研を電子レベルで観察することが物質の特を創り出す電子の設計図を作成すること

構造解析法であるＲ
ｉ
ｅ
ｔ
ｖｅ
ｌ
ｄ解析法と組み大限に活用し、ナノ物質・材料の研究・究員、（独）理化学研究所放射光科学

性を見極めるために大切になると高田教ができます。より詳細な電子のＭＡＰをつ合わせたＭＥＭ／Ｒｉｅｔｖｅｌｄ法を開発し、開発分野におけるさまざまな環境下での総合研究センター副センター長と放射光授は考えます。

くることを目指しています」。

金属内包フラーレンや集積型金属錯体な動的応答の構造評価手法として開発がロピー法など登場により、原子の配列だけでなく、施設の要職を担ってきた高田教授。わ

「電子を観察するためのプローブとなる

進められています。

進化した先端的な結晶学。

が国における放射光開発に尽力してきまのはＸ線です。Ｘ線は原子に含まれる電ジングによる構造決定に成功しています。

「この計測システムは、ＤＶＤ／ＲＡＭのした。

子によって散乱しますが、このＸ線の分布

ナノの可視化に挑戦する
新しい実験・解析法を開発

どの新規ナノマテリアルの電子密度イメー「世界に先駆けて金属内包フラーレン

光記録における結晶ｰアモルファス高速相

高田教授は語ります。「学生時代で電を逆算すると電子の密度分布を見ること「Ｘ線の回折データで電子の分布を見

Ｙ＠Ｃ８２とＳｃ２＠Ｃ８４の構造解析を実現しま

変化の可視化にも応用されています。ア

子顕微鏡を使って結晶の電子線回折をができ、その結果をもとに原子の特定がる仕組みは、光でものを見るカメラと同じした。この研究成果はＮａｔｕｒｅ誌上に発モルファス相は室温では数１０年以上も安電子を見ると物性が見えてくる観察したときに、自然が作りだす美しい世

できるわけです。原子の外にさまよってい原理です。ただし、ひとつ大きな違いは、表され、社会の関心を集め幾多の新聞定であるという優れたメモリ特性を有する界に魅了されました。その後、電子線かる電子は密度が薄いので、明るい光がレンズのかわりにデータ解析で結像する

紙上をにぎわすことになりました」。

ことからＤＶＤ－ＲＡＭの基本材料として使ら放射光という最先端の光を使うようにな必要です。それが放射光と言われるもの

点です。この仮想的な結像レンズの役割りました」。

で、太陽の１０億倍の明るさです」。

を、従来ではフーリエ変換で行っていましたが、打ち切り効果が出るため精密度

Ｘ線のピンポイント構造計測
ＤＶＤ記録のその場観察を可能にらかにされていませんでした。ＤＶＤは情に限界がありました。そこで、我々のグルー

様々なナノレベルの反応現象をより精緻

報の記録再生、書き換えを、結晶→液体

プでは新しい解析方法を開発しました。
マキシマムエントロピー法はX線回折によって得られたデータを、画像に結像するレンズのようなわれてきましたが、その速度、とくに消去

フーリエ変換による結像理論に代り導速度を支配する因子は原子レベルでは明設が稼働中。

マキシマムエントロピー法
１９４８年、米国の数学者シャノンが創成した情報理論。曖昧さの指標を情報エントロピー概念で定義することで、初めて、情報という考え方を数量として扱えるようにしたもの。この考え方は、画像の再構成や信号ノイズの除去など、不完全な情報を扱う技術に広く応用されている。

Ｓｍａｒ
ｔＣｒｙｓｔａｌｌｏｇｒａｐｈｙ
Ｃｒ
ｙｓ
ｔ
ａ
ｌ
ｌ
ｏｇ
ｒ
ａｐｈｙ
（結晶学）
は様々な物質やタンパ
ク質の結晶中の原子の配列を明らかにしてきた。
その後、放射光などの明るいＸ線、マキシマムエント
物質の機能を担う電子の分布を観察できるように

ＭＥＭ／Ｒｉｅｔｖｅｌｄ 法
マキシマムエントロピー法（ＭＥＭ）
を結晶学に応用
して、結晶の中の電子の分布を明らかにするための方法。微量の結晶粉末にＸ線をあてて測定したデータを用いるため、粉末Ｘ線データを解析する方
法、
Ｒ
ｉ
ｅ
ｔ
ｖｅ
ｌ
ｄ法と組み合わせて電子密度を可視化する方法。

フラーレン分子１９８５年、英国の科学者ハロルド・クロトー、米国の科学者リチャード・スモーリー、
ロバート・カールらによって初めて発見された６０個の炭素原子がサッに観察するために何が必要でしょうか？

→アモルファス→結晶の相変化のサイクル

カーボール型に並んで形作る篭状の分子。この高田教授はピンポイントで動的に観測できを繰り返すことにより実現しています」。

を受賞。その後、多彩な形状をした篭状の分子が発見により、三人は、
１９９６年度のノーベル化学賞
次々と発見された。
６角形と５角形を組み合わせて役割を、コンピューター解析により担います。その入したのは、マキシマムエントロピー法

る仕組みが必要だと考えます。「我々のグ不明だったＤＶＤ－ＲＡＭの反応現象を、ためには、精度の高いデータが必要です。それを（Ｍａｘ
ｉｍｕｍ Ｅｎｔｒ
ｏｐｙ Ｍｅｔ
ｈｏｄ：ＭＥＭ）

ループでは、４０ピコ秒・１００ナノメートル

Ｘ線のピンポイント構造計測により精緻に

ター・フラーの名前をとってフラーレン分子と総称される。

可能とするには、明るい高輝度のX線の光が必要です。放射光施設は、
その様な高輝度X線をという情報エントロピーの概念。（１）与え観察することが可能になりました。アモル

創り出す施設なのです。

られた情報を満足し、（２）得られていな

ファスの構造は、得られたデータに対して幸せの度合いが全然ちがう、デンマークという国のあり方

逆モンテカルロ法と呼ばれるコンピュータシ

MY FAVORITE

ミュレーションを適用して３次元構造を決定し、詳細な解析を実現しています。

デンマークは、共同研究で 23 年にわたり毎年のように訪れる国です。潤いのある生活スタイル、「Ｘ線のピンポイント構造計測システム

食べ物の美味しさが、「豊かさ」について、日本人として考えさせられます。一方で、国民は高い
税金で、手厚い福祉サービス、町中がセントラルヒーティングで快適なインフラ整備、ホームレース

は、このような局所的で高速度の反応のもいない責任ある社会を支えています。

解明の可能性を広げると期待されていま

天文学者ティコ・ブラーエや物理学者ニールス・ボーアを輩出した、サイエンスやアカデミズムの歴史を大きな誇りとする国です。 原子力発電の導入にも 100％に近い投票率の国民投票でNo とし、自然エネルギーである風力発電を輸出産業にまで育成しました。環境問題に対する高い意識と哲学を持つ国で、私の第 2 の故郷でもあります。

放射光実験施設スプリングエイトのほか９つの施反応現象を鮮明に捉えるためには時間と場所でピンポイントに観測できる計測技術が必要になります。
４０
ピコ秒・１００ナノメートルというピンポイントな計測技術を開発したことにより、
ＤＶＤ／ＲＡＭの光記録の瞬間を可視化し、原子レベルでの超高速の相変化現象の作るドーム状の建築で知られる建築家バックミンス

高速相変化現象
物質の原子配列が、規則正しく並ぶ結晶相と不規則なアモルファス相の間で、変化する現象。相変化がナノ秒の高速で行われる材料がＤＶＤの光
記録メディアなどに使われている。

す。さらに高精度時分割データの測定により、ガス吸着現象、光誘起現象などの電子密度レベルでの機構解明に挑戦しています」。

解明に成功しています。
31 TAGEN FOREFRONTTAGEN FOREFRONT 32

「電子を見ることが究極的に物質の性FOREFRONT REVIEW

ＭＥＭ／Ｒ
ｉ
ｅ
ｔ
ｖｅ
ｌ
ｄ 法の開発により、
Ｙ＠Ｃ８２ の放射光粉末質を見るためのカギとなる」。
そしてこの

05

回折データを解析し，得られた電子密度分布からＹ 原子が実電子を調べるためのプローブ（探針）が際に Ｃ８２ ケージに内包されている様子を直接観察すること

放射光です。高田教授のグループは放に世界で初めて成功しています。

射光の特徴を活用して、電子の分布を可視化することにより物質科学の研究

放射光
リング状に電磁石を並べた加速器で、電子を光のに革新をもたらそうとしています。

物質を電子レベルで可視化し新しい機能を創発する設計図づくり

TERM INFORMATION
スピード近くまで加速し、その中で電子の運動の向という短い時間で局所的な観察ができる

きを曲げるときに電子から非常に強い光が発せらＸ線によるピンポイント構造計測システムのれる。
このＸ線の光を放射光と呼ぶ。その明るさは
太陽の１０億倍にものぼり、強い指向性を持つ。
こ

開発を行ってきました。これによりナノレベの放射光を発生させるための放射光施設が、世界中に５０近く建設されている。日本では世界最大の光には赤外線、可視光線、紫外線、い情報に関しては最もバイアスの小さい

ルの反応現象の解明が進むと考えます」。

Ｘ線などがあります。放射光とは、高エ解を推定するために、情報エントロピー

ここで言う「ピンポイント」とは、①空間ネルギーの電子などの荷電粒子が磁場が最も大きい、画像を選ぶ方法です。「こ的に限られた領域②時間的に限られたで曲げられたときに発生する強力な X 線のＭＥＭによって原子間の結合や電子の領域③デバイスの動作状態でのその場（シンクロトロン放射光）です。放射光は、分布をノイズのない鮮明な画像で可視化観察を含む様々な環境下であることを意「電気が流れる」「温度があがる」など、物質中の電子と相互作用します。極めてすることができるようになりました。

味します。つまり、短時間・極小空間・

電場と磁場が変動して物質の性質は決定

明るいＸ線の光である放射光を使って、さらに、放射光粉末回折実験によるデー

極限環境（強光励起下、電場下、高圧

現在まで、（財）高輝度光科学研究セされます。すべでは電子の動き・分布で物質を観測すると、物質の機能を電子のタ測定が、この解析法の特長を生かせる

下、デバイスの動作時など）、そのすべ

ンター（ＳＰｒｉｎｇ－８／ＪＡＳＲＩ）利用研究

決まると言えます。したがって分子・原子レベルで可視化することができるようにな

一つの手段であることがわかりました。粉てを同時に満たす構造計測技術を指しま促進部門部門長、（独）理化学研究の結合形態・電荷整列・電荷移動などります。「それにより、物質の新しい機能

末データを取り扱うために、既存の粉末す。ＳＰｒｉｎｇ－８の高輝度放射光源を最所放射光科学総合研究センター主任研を電子レベルで観察することが物質の特を創り出す電子の設計図を作成すること

構造解析法であるＲ
ｉ
ｅ
ｔ
ｖｅ
ｌ
ｄ解析法と組み大限に活用し、ナノ物質・材料の研究・究員、（独）理化学研究所放射光科学

性を見極めるために大切になると高田教ができます。より詳細な電子のＭＡＰをつ合わせたＭＥＭ／Ｒｉｅｔｖｅｌｄ法を開発し、開発分野におけるさまざまな環境下での総合研究センター副センター長と放射光授は考えます。

くることを目指しています」。

金属内包フラーレンや集積型金属錯体な動的応答の構造評価手法として開発がロピー法など登場により、原子の配列だけでなく、施設の要職を担ってきた高田教授。わ

「電子を観察するためのプローブとなる

進められています。

進化した先端的な結晶学。

が国における放射光開発に尽力してきまのはＸ線です。Ｘ線は原子に含まれる電ジングによる構造決定に成功しています。

「この計測システムは、ＤＶＤ／ＲＡＭのした。

子によって散乱しますが、このＸ線の分布

ナノの可視化に挑戦する
新しい実験・解析法を開発

どの新規ナノマテリアルの電子密度イメー「世界に先駆けて金属内包フラーレン

光記録における結晶ｰアモルファス高速相

高田教授は語ります。「学生時代で電を逆算すると電子の密度分布を見ること「Ｘ線の回折データで電子の分布を見

Ｙ＠Ｃ８２とＳｃ２＠Ｃ８４の構造解析を実現しま

変化の可視化にも応用されています。ア

子顕微鏡を使って結晶の電子線回折をができ、その結果をもとに原子の特定がる仕組みは、光でものを見るカメラと同じした。この研究成果はＮａｔｕｒｅ誌上に発モルファス相は室温では数１０年以上も安電子を見ると物性が見えてくる観察したときに、自然が作りだす美しい世

できるわけです。原子の外にさまよってい原理です。ただし、ひとつ大きな違いは、表され、社会の関心を集め幾多の新聞定であるという優れたメモリ特性を有する界に魅了されました。その後、電子線かる電子は密度が薄いので、明るい光がレンズのかわりにデータ解析で結像する

紙上をにぎわすことになりました」。

ことからＤＶＤ－ＲＡＭの基本材料として使ら放射光という最先端の光を使うようにな必要です。それが放射光と言われるもの

点です。この仮想的な結像レンズの役割りました」。

で、太陽の１０億倍の明るさです」。

を、従来ではフーリエ変換で行っていましたが、打ち切り効果が出るため精密度

Ｘ線のピンポイント構造計測
ＤＶＤ記録のその場観察を可能にらかにされていませんでした。ＤＶＤは情に限界がありました。そこで、我々のグルー

様々なナノレベルの反応現象をより精緻

報の記録再生、書き換えを、結晶→液体

プでは新しい解析方法を開発しました。
マキシマムエントロピー法はX線回折によって得られたデータを、画像に結像するレンズのようなわれてきましたが、その速度、とくに消去

フーリエ変換による結像理論に代り導速度を支配する因子は原子レベルでは明設が稼働中。

マキシマムエントロピー法
１９４８年、米国の数学者シャノンが創成した情報理論。曖昧さの指標を情報エントロピー概念で定義することで、初めて、情報という考え方を数量として扱えるようにしたもの。この考え方は、画像の再構成や信号ノイズの除去など、不完全な情報を扱う技術に広く応用されている。

Ｓｍａｒ
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Ｃｒ
ｙｓ
ｔ
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ａｐｈｙ
（結晶学）
は様々な物質やタンパ
ク質の結晶中の原子の配列を明らかにしてきた。
その後、放射光などの明るいＸ線、マキシマムエント
物質の機能を担う電子の分布を観察できるように

ＭＥＭ／Ｒｉｅｔｖｅｌｄ 法
マキシマムエントロピー法（ＭＥＭ）
を結晶学に応用
して、結晶の中の電子の分布を明らかにするための方法。微量の結晶粉末にＸ線をあてて測定したデータを用いるため、粉末Ｘ線データを解析する方
法、
Ｒ
ｉ
ｅ
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ｄ法と組み合わせて電子密度を可視化する方法。

フラーレン分子１９８５年、英国の科学者ハロルド・クロトー、米国の科学者リチャード・スモーリー、
ロバート・カールらによって初めて発見された６０個の炭素原子がサッに観察するために何が必要でしょうか？

→アモルファス→結晶の相変化のサイクル

カーボール型に並んで形作る篭状の分子。この高田教授はピンポイントで動的に観測できを繰り返すことにより実現しています」。

を受賞。その後、多彩な形状をした篭状の分子が発見により、三人は、
１９９６年度のノーベル化学賞
次々と発見された。
６角形と５角形を組み合わせて役割を、コンピューター解析により担います。その入したのは、マキシマムエントロピー法

る仕組みが必要だと考えます。「我々のグ不明だったＤＶＤ－ＲＡＭの反応現象を、ためには、精度の高いデータが必要です。それを（Ｍａｘ
ｉｍｕｍ Ｅｎｔｒ
ｏｐｙ Ｍｅｔ
ｈｏｄ：ＭＥＭ）

ループでは、４０ピコ秒・１００ナノメートル

Ｘ線のピンポイント構造計測により精緻に

ター・フラーの名前をとってフラーレン分子と総称される。

可能とするには、明るい高輝度のX線の光が必要です。放射光施設は、
その様な高輝度X線をという情報エントロピーの概念。（１）与え観察することが可能になりました。アモル

創り出す施設なのです。

られた情報を満足し、（２）得られていな

ファスの構造は、得られたデータに対して幸せの度合いが全然ちがう、デンマークという国のあり方

逆モンテカルロ法と呼ばれるコンピュータシ

MY FAVORITE

ミュレーションを適用して３次元構造を決定し、詳細な解析を実現しています。

デンマークは、共同研究で 23 年にわたり毎年のように訪れる国です。潤いのある生活スタイル、「Ｘ線のピンポイント構造計測システム

食べ物の美味しさが、「豊かさ」について、日本人として考えさせられます。一方で、国民は高い
税金で、手厚い福祉サービス、町中がセントラルヒーティングで快適なインフラ整備、ホームレース

は、このような局所的で高速度の反応のもいない責任ある社会を支えています。

解明の可能性を広げると期待されていま

天文学者ティコ・ブラーエや物理学者ニールス・ボーアを輩出した、サイエンスやアカデミズムの歴史を大きな誇りとする国です。 原子力発電の導入にも 100％に近い投票率の国民投票でNo とし、自然エネルギーである風力発電を輸出産業にまで育成しました。環境問題に対する高い意識と哲学を持つ国で、私の第 2 の故郷でもあります。

放射光実験施設スプリングエイトのほか９つの施反応現象を鮮明に捉えるためには時間と場所でピンポイントに観測できる計測技術が必要になります。
４０
ピコ秒・１００ナノメートルというピンポイントな計測技術を開発したことにより、
ＤＶＤ／ＲＡＭの光記録の瞬間を可視化し、原子レベルでの超高速の相変化現象の作るドーム状の建築で知られる建築家バックミンス

高速相変化現象
物質の原子配列が、規則正しく並ぶ結晶相と不規則なアモルファス相の間で、変化する現象。相変化がナノ秒の高速で行われる材料がＤＶＤの光
記録メディアなどに使われている。

す。さらに高精度時分割データの測定により、ガス吸着現象、光誘起現象などの電子密度レベルでの機構解明に挑戦しています」。

解明に成功しています。
31 TAGEN FOREFRONTTAGEN FOREFRONT 32

FOREFRONT REVIEW

05

日本が有する世界最大の放射光

東北放射光施設(SLiT-J)はカーボン、窒素、

施設SPring-8が貢献した産業技

リン、硫黄、
カルシウムなど私たちの生活を支術や製品。学術研究のみならずえる必須元素である「軽元素」
をターゲットに産業技術開発を支える重要な先します。スマートアグリ、
スマートセラピー、ス

端基盤施設であることは、これらのマートグリッドなどのスマートテクノロジーを先数々の成果により実証され、国際導することが期待されています。

的な共通認識となっています。

況変化の中でも、持続的に高放射光の可能性が描く未来地図
東北放射光施設（ＳＬｉＴ－Ｊ）のチャレンジい生産性を保つ世界初の“新時代中型高輝度放射光施設”としていきたいと考えています」。
科学技術立国らしい新たなイノションを生み出すために不可欠な「最先ベーションの創出につなげてい端解析ツール」
として、先端リング型光源

きたいと、高田教授は語ります。

が認知されたからだといえます。今ではイノベーションを生み出す放射光施設
世界的に広がる建設ラッシュ「国家レベルの戦略的な研究施設とし多様な課題に対する利用ニーズに、一度つつ、世界トップクラスにある我が国のこて運営される大型放射光施設は、スイに多数の機会を提供できる研究施設としの分野での地位をさらに向上させるものと復興を超えて、東北を世界の研究開発の中心に創り変える

高田教授が長年にわたり関わってきたスのＳＬＳ、フランスのＳＯＬＥＩＬ、英国のての認識が、世界の常識になっています。

期待されています。

「放射光施設の建設は、大企業から町ＳＰｒｉｎｇ－８。利用者１４，
０００人／年、産

ＤＩＡＭＯＮＤ、中国上海のＳＳＲＦ、オース「それに対し国内では、先端高輝度軟

高輝度軟Ｘ線を活用するとどのような工場までの総力戦です。東北放射光施設

業利用２０％ （産学利用はそれを上回

トラリアのＶＩＣＴＯＲＩＡ、スペインのＡＬＢ

Ｘ線光源として軟Ｘ線ナノアプリケーショ

研究ができるようになるかというと、例えば、

（ＳＬ
ｉＴ－Ｊ）
は、建設企業、システム開発る）、利用企業約１８０社２，
６００人、投Ａなど、３ＧｅＶクラスの高輝度光源、とン利用環境の整備が大幅に遅れている、「新機能炭素材料・デバイスの開発」「細企業、計測サービス企業、学術研究者、資企業約５０社という高い利用度が示すよ

くに、リング型光源の建設が積極的に行

大型放射光施設が関東および関西に集

胞内部の三次元的かつ経時的変化の大学、研究機関、プロジェクトが基金をうに、世界最高性能の放射光を発生す

われています。さらに台湾のＴＰＳ、米国中している、などの問題があります。この直接観察」「たんぱく質の酵素反応解析」

拠出して、イノベーション・エコシステムのることができる大型の研究施設として利用のＮＳＬＳ－Ｉ
Ｉ、スウェーデンのＭＡＸ－ＶＩ

状況を放置すれば、我が国のナノの国「光電子顕微鏡（ＰＥＥＭ）
を用いた酸素・構築を目指します」。

されてきました。ＳＰｒｉｎｇ－８がけん引しての計画も進行中であり、中型リング光源

際競争力低下を招くことは必至です。こ窒素を含む材料の磁区構造解析」「軽元

１０本の異なる計測手法のビームライン

きた放射光施設は、さらに「より高輝度へ、の建設ラッシュ と言えます」。

のような状況の中で、今我々が進めてい素の高分解能原子分子分光」などの研を設置。産学連合体方式でコウリション

より低エミッタンスへ、ピコ秒パルス、より

この建設ラッシュの理由は、物質・材料、るのが、東北放射光施設（ＳＬ
ｉＴ－Ｊ）
プロ

究テーマがあげられます。

（連合・合同）を形成し経営します。パー高エネルギーへ」というスローガンのもと、生命・バイオ、エレクトロニクス、エネルギー

ジェクトです」と高田教授は力説します。

「東北放射光が主にターゲットとするのトナー企業に成果を効率的にもたらすこと

世界的な開発競争が激化しています。

など、広範な分野における新たなイノベー

国際競争力の回復を目指し
東北放射光施設（ＳＬｉＴ－Ｊ）の建設へが軽元素です。軽元素はカーボン、窒素、を目指し、研究成果は、研究コミュニティ

リン、硫黄、カルシウムなど、私たちの生や政府、産業界に公開・共有されます。

活を支え、農業にも食料産業にも関係しこれにより、さらに優秀な研究者を惹き「我々が進める東北放射光施設は、高てくる必須元素で、ここから未来へのイノ

つけ、絶えず新しい研究分野を先取り

輝度軟Ｘ線のための最先端施設です。

ベーションが生まれてくるものと期待していする好循環を生みだすことが期待されま

硬Ｘ線領域に重点を置いている既存のます。スマートアグリ、スマートセラピー、す。持続可能なイノベーションを創出できが積極的に行われていま

放射光施設（ＳＰｒｉｎｇ－８、ＳＰｒｉｎｇ－８Ⅱな

スマートグリッドなどのスマートテクノロジー

る「イノベーション・エコシステム」が産と

す。
スイス、
フランス、
英国、

ど）では難しい様々な研究テーマを実施を先導していきたいと考えています」。

学と施設の間で構築されます。

することができます」と語る高田教授。

「徹底的な省エネルギー技術の追求に「東北放射光施設による経済波及効より、今後の国際的なエネルギー資源状

果は １０年間で生産誘発額 ３，０００億円、

世界中に３ＧｅＶクラスの先端リング型光源の建設

さらに台湾のＴＰＳ、米国のNSLS-IIは共用が始まり、
スエーデンのMAX-VIの建 設も順 調に進 行 中で、それぞれ産業活用を目指しています。

自分で撮った写真をもとに、クリスマスカードやグーティングカードに

東北放射光施設はＸ線から真空紫外領域に至る幅広いスペクトル領域をカバー

誘発雇用者数は１３，０００人以上を想定しする光源であり、ＳＰｒｉｎｇ－８と相互補完しています。高輝度放射光を利用した産学

低エミッタンス
放射光は、電子がリング状の加速器の中を光に近いスピードで運動するときに発生する強力なＸ線。
放射光の光源の大きさを小さくするため、電子の加速器の中での運動の発散を低く抑えること。

中型リング光源
加速器の周長が３００ｍ程度の放射光施設のこと
を指す。

軽元素
水素、
ヘリウム、
リチウム、酸素、窒素、リン、炭素等の原子量の小さい元素のこと。

ビームライン
放射光施設などで、取りだした光を用いて実験を行
うための、光学装置や、計測装置が設置してある、実験室。

連携プロジェクトの範囲は材料科学、生OFF TIME

命科学から農水産業まで及んでおり、東北地方における既存産業の強化と、新産

２０代からカメラが趣味ですね。カメラ自体も好きですし、撮る業の創成が期待されています」。

ことも好きです。 昔は撮った写真を現像まで自分でするほど、徹底していました。 海外に行くとフォトジェニックな風景や空気感が日本の技術の粋を集めて創る放射光

魅力なので必ずカメラを持っていきます。仲の良い研究者の家族

施設は、学術研究と産業技術開発を支の写真を撮って、大切な想い出にもしています。

え、国際競争力を高める重要な研究開

自分で撮った写真をもとにグーティングカードを作るということも発の基盤施設です。東北放射光を通し「まめ」にやっています。その当時を想い出して自分自身楽しい

利用企業、建設企業、
システム開発企業、計測サービ

ひとときですし、送った方にも喜んでもらっています。

ス企業、学術研究者、大学、研究機関、
プロジェクトがて高田教授は、東北で学んだ若者が、基金を拠出。産学による実用化加速から、イノベーショ

東北で世界を相手に働き、東北を誇りとン・リーダーの育成まで、イノベーション・エコシステムの構築を目指します。
33 TAGEN FOREFRONTTERM INFORMATIONする時代を創りたいと考えています。
TAGEN FOREFRONT 34

FOREFRONT REVIEW

05

日本が有する世界最大の放射光

東北放射光施設(SLiT-J)はカーボン、窒素、

施設SPring-8が貢献した産業技

リン、硫黄、
カルシウムなど私たちの生活を支術や製品。学術研究のみならずえる必須元素である「軽元素」
をターゲットに産業技術開発を支える重要な先します。スマートアグリ、
スマートセラピー、ス

端基盤施設であることは、これらのマートグリッドなどのスマートテクノロジーを先数々の成果により実証され、国際導することが期待されています。

的な共通認識となっています。

況変化の中でも、持続的に高放射光の可能性が描く未来地図
東北放射光施設（ＳＬｉＴ－Ｊ）のチャレンジい生産性を保つ世界初の“新時代中型高輝度放射光施設”としていきたいと考えています」。
科学技術立国らしい新たなイノションを生み出すために不可欠な「最先ベーションの創出につなげてい端解析ツール」
として、先端リング型光源

きたいと、高田教授は語ります。

が認知されたからだといえます。今ではイノベーションを生み出す放射光施設
世界的に広がる建設ラッシュ「国家レベルの戦略的な研究施設とし多様な課題に対する利用ニーズに、一度つつ、世界トップクラスにある我が国のこて運営される大型放射光施設は、スイに多数の機会を提供できる研究施設としの分野での地位をさらに向上させるものと復興を超えて、東北を世界の研究開発の中心に創り変える

高田教授が長年にわたり関わってきたスのＳＬＳ、フランスのＳＯＬＥＩＬ、英国のての認識が、世界の常識になっています。

期待されています。

「放射光施設の建設は、大企業から町ＳＰｒｉｎｇ－８。利用者１４，
０００人／年、産

ＤＩＡＭＯＮＤ、中国上海のＳＳＲＦ、オース「それに対し国内では、先端高輝度軟

高輝度軟Ｘ線を活用するとどのような工場までの総力戦です。東北放射光施設

業利用２０％ （産学利用はそれを上回

トラリアのＶＩＣＴＯＲＩＡ、スペインのＡＬＢ

Ｘ線光源として軟Ｘ線ナノアプリケーショ

研究ができるようになるかというと、例えば、

（ＳＬ
ｉＴ－Ｊ）
は、建設企業、システム開発る）、利用企業約１８０社２，
６００人、投Ａなど、３ＧｅＶクラスの高輝度光源、とン利用環境の整備が大幅に遅れている、「新機能炭素材料・デバイスの開発」「細企業、計測サービス企業、学術研究者、資企業約５０社という高い利用度が示すよ

くに、リング型光源の建設が積極的に行

大型放射光施設が関東および関西に集

胞内部の三次元的かつ経時的変化の大学、研究機関、プロジェクトが基金をうに、世界最高性能の放射光を発生す

われています。さらに台湾のＴＰＳ、米国中している、などの問題があります。この直接観察」「たんぱく質の酵素反応解析」

拠出して、イノベーション・エコシステムのることができる大型の研究施設として利用のＮＳＬＳ－Ｉ
Ｉ、スウェーデンのＭＡＸ－ＶＩ

状況を放置すれば、我が国のナノの国「光電子顕微鏡（ＰＥＥＭ）
を用いた酸素・構築を目指します」。

されてきました。ＳＰｒｉｎｇ－８がけん引しての計画も進行中であり、中型リング光源

際競争力低下を招くことは必至です。こ窒素を含む材料の磁区構造解析」「軽元

１０本の異なる計測手法のビームライン

きた放射光施設は、さらに「より高輝度へ、の建設ラッシュ と言えます」。

のような状況の中で、今我々が進めてい素の高分解能原子分子分光」などの研を設置。産学連合体方式でコウリション

より低エミッタンスへ、ピコ秒パルス、より

この建設ラッシュの理由は、物質・材料、るのが、東北放射光施設（ＳＬ
ｉＴ－Ｊ）
プロ

究テーマがあげられます。

（連合・合同）を形成し経営します。パー高エネルギーへ」というスローガンのもと、生命・バイオ、エレクトロニクス、エネルギー

ジェクトです」と高田教授は力説します。

「東北放射光が主にターゲットとするのトナー企業に成果を効率的にもたらすこと

世界的な開発競争が激化しています。

など、広範な分野における新たなイノベー

国際競争力の回復を目指し
東北放射光施設（ＳＬｉＴ－Ｊ）の建設へが軽元素です。軽元素はカーボン、窒素、を目指し、研究成果は、研究コミュニティ

リン、硫黄、カルシウムなど、私たちの生や政府、産業界に公開・共有されます。

活を支え、農業にも食料産業にも関係しこれにより、さらに優秀な研究者を惹き「我々が進める東北放射光施設は、高てくる必須元素で、ここから未来へのイノ

つけ、絶えず新しい研究分野を先取り

輝度軟Ｘ線のための最先端施設です。

ベーションが生まれてくるものと期待していする好循環を生みだすことが期待されま

硬Ｘ線領域に重点を置いている既存のます。スマートアグリ、スマートセラピー、す。持続可能なイノベーションを創出できが積極的に行われていま

放射光施設（ＳＰｒｉｎｇ－８、ＳＰｒｉｎｇ－８Ⅱな

スマートグリッドなどのスマートテクノロジー

る「イノベーション・エコシステム」が産と

す。
スイス、
フランス、
英国、

ど）では難しい様々な研究テーマを実施を先導していきたいと考えています」。

学と施設の間で構築されます。

することができます」と語る高田教授。

「徹底的な省エネルギー技術の追求に「東北放射光施設による経済波及効より、今後の国際的なエネルギー資源状

果は １０年間で生産誘発額 ３，０００億円、

世界中に３ＧｅＶクラスの先端リング型光源の建設

さらに台湾のＴＰＳ、米国のNSLS-IIは共用が始まり、
スエーデンのMAX-VIの建 設も順 調に進 行 中で、それぞれ産業活用を目指しています。

自分で撮った写真をもとに、クリスマスカードやグーティングカードに

東北放射光施設はＸ線から真空紫外領域に至る幅広いスペクトル領域をカバー

誘発雇用者数は１３，０００人以上を想定しする光源であり、ＳＰｒｉｎｇ－８と相互補完しています。高輝度放射光を利用した産学

低エミッタンス
放射光は、電子がリング状の加速器の中を光に近いスピードで運動するときに発生する強力なＸ線。
放射光の光源の大きさを小さくするため、電子の加速器の中での運動の発散を低く抑えること。

中型リング光源
加速器の周長が３００ｍ程度の放射光施設のこと
を指す。

軽元素
水素、
ヘリウム、
リチウム、酸素、窒素、リン、炭素等の原子量の小さい元素のこと。

ビームライン
放射光施設などで、取りだした光を用いて実験を行
うための、光学装置や、計測装置が設置してある、実験室。

連携プロジェクトの範囲は材料科学、生OFF TIME

命科学から農水産業まで及んでおり、東北地方における既存産業の強化と、新産

２０代からカメラが趣味ですね。カメラ自体も好きですし、撮る業の創成が期待されています」。

ことも好きです。 昔は撮った写真を現像まで自分でするほど、徹底していました。 海外に行くとフォトジェニックな風景や空気感が日本の技術の粋を集めて創る放射光

魅力なので必ずカメラを持っていきます。仲の良い研究者の家族

施設は、学術研究と産業技術開発を支の写真を撮って、大切な想い出にもしています。

え、国際競争力を高める重要な研究開

自分で撮った写真をもとにグーティングカードを作るということも発の基盤施設です。東北放射光を通し「まめ」にやっています。その当時を想い出して自分自身楽しい

利用企業、建設企業、
システム開発企業、計測サービ

ひとときですし、送った方にも喜んでもらっています。

ス企業、学術研究者、大学、研究機関、
プロジェクトがて高田教授は、東北で学んだ若者が、基金を拠出。産学による実用化加速から、イノベーショ

東北で世界を相手に働き、東北を誇りとン・リーダーの育成まで、イノベーション・エコシステムの構築を目指します。
33 TAGEN FOREFRONTTERM INFORMATIONする時代を創りたいと考えています。
TAGEN FOREFRONT 34

FOREFRONT REVIEW

歴史は浅いものの、 ナノスケールの微細構造制御により、単体では発現しない物性や機能を持つ新規材料として注目が高FOREFRONT REVIEW

06

まっている高分子材料。 陣内研究室では、 ブロック共重合体の自己組織化や無機充填物との複合化などのプロセス開発と、新規材料が持つマクロ物性の発現機構を解析するための手法開発を行っています。

高分子による自己組織化の電子顕微鏡による構造研究時代とともに我々の暮らしで使われる材料は変わってきました。ＢＣ
８０００年代には土器・陶器などのセラミクスが使われ、ＢＣ１５００年あたりには青銅器などの金属材料、時代が進むに連れ、皮革・天然繊維・
紙 ･ 樹脂というように進化してきました。１９２６年シュタウディンガーが高分子説を発表した後、２０世紀中盤から合成繊維・合成樹脂・合成ゴム、ソフトマター（ゲル・分子組織体・液晶・膜）など、高分子を使った材料が急速に発展してきました。そして現在、高分子短繊維系繊
維強化プラスチック、ポリマーアロイ、ブロック共重合体、ナノコンポジッ
トなど多様に展開し、構造材料だけでなく機能材料としても使われるようになっています。
陣内研究室では、これら高分子材料の中でも（後述する）
ブロック共重合体に注目しています。溶媒成膜法という簡単な方法で生み出され多元物質科学研究所
自己組織化高分子材料研究分野

教授

陣内
浩司
JINNAI, Hiroshi

1965年、大阪生まれ。
京都大学大学院工学研究科博士後期課程修了。
博士(工学)。
京都工芸繊維
大学講師、同准教授を経て、科学技術振興機構高原ソフト界面プロジェク
ト技術参事、
九州大学先導物
質化学研究所特任教授、2015年より現職。
2009
年より2012まで東北大学 原子分子材料科学高等研究機構(WPI-AIMR)連携教授(兼任)。
「電子
顕微鏡の基礎研究と開発の業績」
でノーベル物理学賞を受けたエルンスト・ルスカ博士の名を冠しドイツ
顕微鏡学会から授与される国際賞「Ernst-RuskaPreis」
を2007年に日本人として初めて受賞。
米国物

ププロセスにおいて非常に重要であり、同時に、高分子統計力学の本
質的現象の一つでもあります。１９８０年代に最も単純な２成分ブロック
共重合体の相挙動が明らかにされ、その後、スター型・ブラシ型などの興味深い形態を持つ分子、また、３種類以上の構成分子からなる
多成分ブロック共重合体が重合されるようになり、現在はこれらの相挙
動・相分離構造に興味の中心が移ってきています。さらに、ブロック共重合体が形成するナノ構造に金属ナノ粒子を含有させ、特異な機能を発現させるというような研究も盛んになってきています。
このようなブロック共重合体の自己組織化によって生まれる新規材料が持つマクロ物性の発現機構を理解するためには、その３次元構
造をナノスケールで定量的に解析することが必要不可欠です。陣内研究室では、自己組織化の仕組みを観察する手法として、透過型電子顕微鏡法（ＴＥＭ）と計算機トモグラフィー（ＣＴ）を組み合わせ、材料の内部構造をナノスケールで３次元可視化できる「電子線トモグラフィ法」の開発を行っています。材料の変形状態下や水を含む環境
下など様々な環境下での観察技術の開発も行っており、環境下・動理学会フェロー。

的・３次元構造観察を可能にし、より実際の現場で活用できる技術のhttp://etomo.tagen.tohoku.ac.jp/php/

開発を進めています。

jinnailab/

35 TAGEN FOREFRONTるブロック共重合体の自己組織化構造は、ナノテクノロジーのボトムアッ

TAGEN FOREFRONT 36

FOREFRONT REVIEW

歴史は浅いものの、 ナノスケールの微細構造制御により、単体では発現しない物性や機能を持つ新規材料として注目が高FOREFRONT REVIEW

06

まっている高分子材料。 陣内研究室では、 ブロック共重合体の自己組織化や無機充填物との複合化などのプロセス開発と、新規材料が持つマクロ物性の発現機構を解析するための手法開発を行っています。

高分子による自己組織化の電子顕微鏡による構造研究時代とともに我々の暮らしで使われる材料は変わってきました。ＢＣ
８０００年代には土器・陶器などのセラミクスが使われ、ＢＣ１５００年あたりには青銅器などの金属材料、時代が進むに連れ、皮革・天然繊維・
紙 ･ 樹脂というように進化してきました。１９２６年シュタウディンガーが高分子説を発表した後、２０世紀中盤から合成繊維・合成樹脂・合成ゴム、ソフトマター（ゲル・分子組織体・液晶・膜）など、高分子を使った材料が急速に発展してきました。そして現在、高分子短繊維系繊
維強化プラスチック、ポリマーアロイ、ブロック共重合体、ナノコンポジッ
トなど多様に展開し、構造材料だけでなく機能材料としても使われるようになっています。
陣内研究室では、これら高分子材料の中でも（後述する）
ブロック共重合体に注目しています。溶媒成膜法という簡単な方法で生み出され多元物質科学研究所
自己組織化高分子材料研究分野

教授

陣内
浩司
JINNAI, Hiroshi

1965年、大阪生まれ。
京都大学大学院工学研究科博士後期課程修了。
博士(工学)。
京都工芸繊維
大学講師、同准教授を経て、科学技術振興機構高原ソフト界面プロジェク
ト技術参事、
九州大学先導物
質化学研究所特任教授、2015年より現職。
2009
年より2012まで東北大学 原子分子材料科学高等研究機構(WPI-AIMR)連携教授(兼任)。
「電子
顕微鏡の基礎研究と開発の業績」
でノーベル物理学賞を受けたエルンスト・ルスカ博士の名を冠しドイツ
顕微鏡学会から授与される国際賞「Ernst-RuskaPreis」
を2007年に日本人として初めて受賞。
米国物

ププロセスにおいて非常に重要であり、同時に、高分子統計力学の本
質的現象の一つでもあります。１９８０年代に最も単純な２成分ブロック
共重合体の相挙動が明らかにされ、その後、スター型・ブラシ型などの興味深い形態を持つ分子、また、３種類以上の構成分子からなる
多成分ブロック共重合体が重合されるようになり、現在はこれらの相挙
動・相分離構造に興味の中心が移ってきています。さらに、ブロック共重合体が形成するナノ構造に金属ナノ粒子を含有させ、特異な機能を発現させるというような研究も盛んになってきています。
このようなブロック共重合体の自己組織化によって生まれる新規材料が持つマクロ物性の発現機構を理解するためには、その３次元構
造をナノスケールで定量的に解析することが必要不可欠です。陣内研究室では、自己組織化の仕組みを観察する手法として、透過型電子顕微鏡法（ＴＥＭ）と計算機トモグラフィー（ＣＴ）を組み合わせ、材料の内部構造をナノスケールで３次元可視化できる「電子線トモグラフィ法」の開発を行っています。材料の変形状態下や水を含む環境
下など様々な環境下での観察技術の開発も行っており、環境下・動理学会フェロー。

的・３次元構造観察を可能にし、より実際の現場で活用できる技術のhttp://etomo.tagen.tohoku.ac.jp/php/

開発を進めています。

jinnailab/

35 TAGEN FOREFRONTるブロック共重合体の自己組織化構造は、ナノテクノロジーのボトムアッ

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FOREFRONT REVIEW

06

陣内研究室では、高分子の中でもブロック

TERM INFORMATION

共重合体に注目しています。
ブロック共重合体とは化学が創り出した全く新しい物理

ブロック共重合体的性質を示す高分子で、ナノテクノロジーへの応用の研究が加速されています。

複数のモノマー（繰り返し構造単位）が重合反応に関与した結果として生じるポリマーを共重合体（コポリマー）といい、単独のモノマーからなるホモ

ブロック共重合体の自己組織化から新規機能材料の創成へ

ロック比率）やその間の斥力相互作用をＰＳ（ポリステレン）、
ＰＢ（ボリブタジェン）、
ＰＭＭＡ（ポリメチクリル酸メチル樹脂）のポリマーと区別される。共重合体のうち、化学構造

数％変えるだけで、全く新しい３次元ナノＡＢＣトリブロック共重合体から、２重らせん構造が発現することを発見しました。

が異なる複数のポリマー鎖が線状に結合したもの

右巻きと左巻きの２重のらせん構造が共存しています。

をブロックコポリマー（ブロック共重合体）という。
そ構造が自己組織化することです。

の他、化学構造が異なる複数のポリマー鎖がポリ「これまでは２成分の高分子からなるダスの中に、ＰＳ成分により成るシリンダーが合体を分子設計すれば、さらに新しい構

イブロック共重合体から生まれる３次元

六方格子状に充填し、このＰＳシリンダー造体を生み出すことができると考えていま

ナノ構造には球とシリンダーとラメラの３つの周りにＰＢ成分からなる２重らせん相がす。そのために必要なことは、非常に複しか知られていなかったのですが、我々存在するという非常に特異かつ興味深い

雑な構造が、なぜ、どのように生じるのか？

マー鎖の側鎖として結合しているグラフト共重合体などもある。
一番簡単な構造を持つブロック共重合体は、高分
子Ａと高分子Ｂが共有結合で連結した「ＡＢダイブロック共重合体」
であり、この分子はＡＢ間の偏析により相分離構造を形成する。相分離の際、ＡＢ

ブロック比率を数％変えるだけで自在に未知のナノ構造を創成中に結合している分子をブロック共重合体の研究で、２つのネットワークが入れ子に構造です。２重らせん構造は自己組織化ということを分子論的に明らかにすることといいますが、このブロック共重合体の自入っているナノスケールの３次元構造（ダにより形成するため、らせんピッチや直径です。それが研究室に与えられたミッショ

ナノテクノロジーにはトップダウンとボトム

己組織化構造は、ナノテクノロジーのボト

ブル・ジャイロイド）が生まれることが分かなどは材料のどこでも揃っています。私

ンでありモチベーションです」と陣内教授

アップという基本的な考え方があります。

ムアッププロセスにおいて非常に重要でありました」。

たちはブロック共重合体が人為を加えなくは強調します。

トップダウンは、物体を微細加工によりナると考えています。溶媒成膜法という簡

この新しい構造はネットワークの部分だとも自然に規則性の高いナノ構造を作り

この分子論的解明を行う際に問題となノスケールレベルにまで持っていく技術。

単な方法でナノスケールの周期的な自己けを取り除けば、細菌除去フィルタや最先出すメカニズムに興味を持っています」。

るのは、３次元ナノ構造をいかに適切にそれに対してボトムアップというのは、原組織構造を作ることができます」と語る陣

端材料などいろいろな用途に使える可能

さらに、研究室ではこの「２重らせんシリ

詳しく観察できるかということです。これま自発的に秩序構造を形成する現象。必然であれ

子や分子を組み立ててナノスケールの物

内教授。

性がありそうです。

ンダー構造」をベースとして、薄膜中でこでナノ構造の解析は 3 次元構造の 2 次

単には崩壊したり、元の状態に戻ったりしない。自の構造を基板に対して完全に垂直配向さ

元透過像情報から元の 3 次元構造を想せる実験も行っています。その結果、ら像するというカタチで行ってきましたが、こせん構造の垂直配向状態や基板に水平の方法では真の 3 次元構造を実験的に間の結合のため凝集相の広がりは制限され、熱力学的平衡状態では球状、
シリンダー状、
ダブル・ジャ
イロイド状、
ラメラなどのドメイン形態を持つ「ミクロ相分離構造」と呼ばれるｎｍオーダーの周期構造を形成することが知られている。

自己組織化
物質（原子や分子等）
が直接人為操作によらず、偶然であれ、形成した秩序構造は安定であり、簡然界に普遍的にある現象であり、細胞を取り囲む質を作り出す技術です。ボトムアップによ

ブロック共重合体を有機溶媒に溶解し、ると、トップダウンでは難しい微細な物質

溶媒を蒸発させるという溶媒成膜法。こを作り出すことが可能ということで現在注の手法を使い簡単にナノスケールの 3 次

３成分のトリブロック共重合体が作る
特異で複雑な３次元ナノ構造

目されている技術です。

元構造をつくり上げることができるといいま

ダイブロックの共重合体で、これだけな配向状態（水平方向）
を再現よく実現で確定することができません。

「２種類以上の高分子鎖が１本の鎖のす。面白いのは、各成分の体積分率（ブのユニークな自己組織化を行うのであれきることが分かりました。「この２重らせん「透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）
で得られば、成分が 3 つになるとどうなるのでしょ

構造のピッチや配向を精密に制御できれる２次元透過像や電子線回折パターンかうか？

ば工業的なインパクトは大きいですし、ナら真の３次元形態を正確に把握すること

一本のＡＢダイブロック共重合体の界面は、その「３成分のトリブロック共重合体はダイブノ構造の中での高分子のパッキングなどは非常に困難であり、その上材料が異持つ。
ＡとＢの体積分率が等しい場合（対称の場

ロック共重合体とは比較にならないほど多学術的にも非常に興味深いものです」。

方性を持つとなれば、材料の３次元形態

種多様で複雑な構造が発現すると予想さこの２重らせん構造は高性能ウイルスろと特性を関連づけることはほとんど不可能

クロ相分離構造である。
ブロック比率が非対称とれます」と語るように、陣内研究室では、Ｐ過膜やソフトナノクッション材料・高周波です。また、多くの実用材料は多元素かなると、ブロック共重合体分子を空間中に均一にＳ（ポリステレン）、ＰＢ（ボリブタジェン）、Ｐ

電磁波吸収体などの新規機能材料へのらなる多層膜や多結晶といった複雑な形

ＭＭＡ（ポリメチクリル酸メチル樹脂）のトリ活用が期待されています。現在研究室

態や構造を有していますので、ナノスケー

ブロック共重合体から、２重らせん構造がではその工業的な制御を可能にする基礎

ルの空間分解能で材料内部の複雑な立ダー状などのラメラとは異なった形態のミクロ相分発現することを発見しました。

研究を進めています。

体的情報を解析する手法が望まれていま離構造が出現する。

溶媒成膜法により、ブロック共重合体は相分離を起こし、ナノスケールの周期的な自己組織化構造を作り出します。

「この構造は、ＰＭＭＡ成分のマトリック

ブロック比率により、球とシリンダーとラメラという構造が生まれます。

時速２００㎞でコーナーに入る。最高にスリリングですね！
大学のころ自動車部にいたのですが、それ以来サーキットを走るなどして、車を自在に操MY FAVORITE

この構造がなぜ、どのように生じるのか？
分子論的に明らかにすることが「学理」出席する機会がありますが、世界ラリー選手権に出場した実車を間近に見ることができると3 次元構造を作っているのか？」が分かれ興奮しますね。いつかはこういう車に乗りたいと夢みながら…

ば全く新しいナノ構造を作りだすことも可

最後に逆転されて悔しい思いをしました。またチャレンジして、次は勝ちたいと思っています。
仙台には「スポーツランドＳＵＧＯ」とうい国際格式の立派なレーシングコースがあります。時
速２００㎞からブレーキングしてコーナーに入る興奮。日頃のストレスを晴らす良い機会です。

37 TAGEN FOREFRONT

能だと言います。
「まるで分子に“考え”があるかのように

ダイブロック共重合体が自己組織化で作り上げるミクロ相分離構造は、上記のように（基本的に）
４つのパターンがある。強い偏斥下で相分離した体積分率（ブロック比率）に依存した界面曲率を合）、界面の曲率は０となり平面となる。この時に最も安定な構造は平面の界面を持つラメラ状ミ

充填しなくてはならないという制約のもと、
ブロック
鎖の形状と界面に生じるエネルギーの競合が起こ
り、曲面を界面とするミクロ相分離構造の方が安定となる。その結果、ダブル・ジャイロイド状・シリン

電磁波吸収体
入射した電磁波（マイクロ波、ラジオ波等）を、熱エせる物質。電磁波の吸収原理はいくつかあるが、こ
こでは入射した電磁波によって発生する電流を材違う構造が自己組織化されるブロック共重ることができるようになりたいと思っています。ランチアというイタリアのメーカーのオフ会にブロック比率とミクロ相分離構造

ネルギーに変換することで吸収し、反射波を減少さ

上記のように数％のブロック比によって、合体。陣内教授は、分子が「何を考えて最近義理の弟と関西で行われたラリーに出場しました。 途中まで一位だったのですが、した」。

脂質二分子膜の形成やタンパク質のフォールディ
ングも自己組織化である。

料内部の抵抗によって吸収するものを指す。

複雑な構造が、なぜ、どのように生じるのか？ ポイン
トとなるのは、3次元ナノ構造をいかに適切に観察で自在にそして特異な規則構造を自己組

きるかということ。陣内研究室では、ナノスケールの空織化してくれます。きっちりとブロック共重法を追求してきました。

間分解能で内部の複雑な立体的情報を解析する手

TAGEN FOREFRONT 38

FOREFRONT REVIEW

06

陣内研究室では、高分子の中でもブロック

TERM INFORMATION

共重合体に注目しています。
ブロック共重合体とは化学が創り出した全く新しい物理

ブロック共重合体的性質を示す高分子で、ナノテクノロジーへの応用の研究が加速されています。

複数のモノマー（繰り返し構造単位）が重合反応に関与した結果として生じるポリマーを共重合体（コポリマー）といい、単独のモノマーからなるホモ

ブロック共重合体の自己組織化から新規機能材料の創成へ

ロック比率）やその間の斥力相互作用をＰＳ（ポリステレン）、
ＰＢ（ボリブタジェン）、
ＰＭＭＡ（ポリメチクリル酸メチル樹脂）のポリマーと区別される。共重合体のうち、化学構造

数％変えるだけで、全く新しい３次元ナノＡＢＣトリブロック共重合体から、２重らせん構造が発現することを発見しました。

が異なる複数のポリマー鎖が線状に結合したもの

右巻きと左巻きの２重のらせん構造が共存しています。

をブロックコポリマー（ブロック共重合体）という。
そ構造が自己組織化することです。

の他、化学構造が異なる複数のポリマー鎖がポリ「これまでは２成分の高分子からなるダスの中に、ＰＳ成分により成るシリンダーが合体を分子設計すれば、さらに新しい構

イブロック共重合体から生まれる３次元

六方格子状に充填し、このＰＳシリンダー造体を生み出すことができると考えていま

ナノ構造には球とシリンダーとラメラの３つの周りにＰＢ成分からなる２重らせん相がす。そのために必要なことは、非常に複しか知られていなかったのですが、我々存在するという非常に特異かつ興味深い

雑な構造が、なぜ、どのように生じるのか？

マー鎖の側鎖として結合しているグラフト共重合体などもある。
一番簡単な構造を持つブロック共重合体は、高分
子Ａと高分子Ｂが共有結合で連結した「ＡＢダイブロック共重合体」
であり、この分子はＡＢ間の偏析により相分離構造を形成する。相分離の際、ＡＢ

ブロック比率を数％変えるだけで自在に未知のナノ構造を創成中に結合している分子をブロック共重合体の研究で、２つのネットワークが入れ子に構造です。２重らせん構造は自己組織化ということを分子論的に明らかにすることといいますが、このブロック共重合体の自入っているナノスケールの３次元構造（ダにより形成するため、らせんピッチや直径です。それが研究室に与えられたミッショ

ナノテクノロジーにはトップダウンとボトム

己組織化構造は、ナノテクノロジーのボト

ブル・ジャイロイド）が生まれることが分かなどは材料のどこでも揃っています。私

ンでありモチベーションです」と陣内教授

アップという基本的な考え方があります。

ムアッププロセスにおいて非常に重要でありました」。

たちはブロック共重合体が人為を加えなくは強調します。

トップダウンは、物体を微細加工によりナると考えています。溶媒成膜法という簡

この新しい構造はネットワークの部分だとも自然に規則性の高いナノ構造を作り

この分子論的解明を行う際に問題となノスケールレベルにまで持っていく技術。

単な方法でナノスケールの周期的な自己けを取り除けば、細菌除去フィルタや最先出すメカニズムに興味を持っています」。

るのは、３次元ナノ構造をいかに適切にそれに対してボトムアップというのは、原組織構造を作ることができます」と語る陣

端材料などいろいろな用途に使える可能

さらに、研究室ではこの「２重らせんシリ

詳しく観察できるかということです。これま自発的に秩序構造を形成する現象。必然であれ

子や分子を組み立ててナノスケールの物

内教授。

性がありそうです。

ンダー構造」をベースとして、薄膜中でこでナノ構造の解析は 3 次元構造の 2 次

単には崩壊したり、元の状態に戻ったりしない。自の構造を基板に対して完全に垂直配向さ

元透過像情報から元の 3 次元構造を想せる実験も行っています。その結果、ら像するというカタチで行ってきましたが、こせん構造の垂直配向状態や基板に水平の方法では真の 3 次元構造を実験的に間の結合のため凝集相の広がりは制限され、熱力学的平衡状態では球状、
シリンダー状、
ダブル・ジャ
イロイド状、
ラメラなどのドメイン形態を持つ「ミクロ相分離構造」と呼ばれるｎｍオーダーの周期構造を形成することが知られている。

自己組織化
物質（原子や分子等）
が直接人為操作によらず、偶然であれ、形成した秩序構造は安定であり、簡然界に普遍的にある現象であり、細胞を取り囲む質を作り出す技術です。ボトムアップによ

ブロック共重合体を有機溶媒に溶解し、ると、トップダウンでは難しい微細な物質

溶媒を蒸発させるという溶媒成膜法。こを作り出すことが可能ということで現在注の手法を使い簡単にナノスケールの 3 次

３成分のトリブロック共重合体が作る
特異で複雑な３次元ナノ構造

目されている技術です。

元構造をつくり上げることができるといいま

ダイブロックの共重合体で、これだけな配向状態（水平方向）
を再現よく実現で確定することができません。

「２種類以上の高分子鎖が１本の鎖のす。面白いのは、各成分の体積分率（ブのユニークな自己組織化を行うのであれきることが分かりました。「この２重らせん「透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）
で得られば、成分が 3 つになるとどうなるのでしょ

構造のピッチや配向を精密に制御できれる２次元透過像や電子線回折パターンかうか？

ば工業的なインパクトは大きいですし、ナら真の３次元形態を正確に把握すること

一本のＡＢダイブロック共重合体の界面は、その「３成分のトリブロック共重合体はダイブノ構造の中での高分子のパッキングなどは非常に困難であり、その上材料が異持つ。
ＡとＢの体積分率が等しい場合（対称の場

ロック共重合体とは比較にならないほど多学術的にも非常に興味深いものです」。

方性を持つとなれば、材料の３次元形態

種多様で複雑な構造が発現すると予想さこの２重らせん構造は高性能ウイルスろと特性を関連づけることはほとんど不可能

クロ相分離構造である。
ブロック比率が非対称とれます」と語るように、陣内研究室では、Ｐ過膜やソフトナノクッション材料・高周波です。また、多くの実用材料は多元素かなると、ブロック共重合体分子を空間中に均一にＳ（ポリステレン）、ＰＢ（ボリブタジェン）、Ｐ

電磁波吸収体などの新規機能材料へのらなる多層膜や多結晶といった複雑な形

ＭＭＡ（ポリメチクリル酸メチル樹脂）のトリ活用が期待されています。現在研究室

態や構造を有していますので、ナノスケー

ブロック共重合体から、２重らせん構造がではその工業的な制御を可能にする基礎

ルの空間分解能で材料内部の複雑な立ダー状などのラメラとは異なった形態のミクロ相分発現することを発見しました。

研究を進めています。

体的情報を解析する手法が望まれていま離構造が出現する。

溶媒成膜法により、ブロック共重合体は相分離を起こし、ナノスケールの周期的な自己組織化構造を作り出します。

「この構造は、ＰＭＭＡ成分のマトリック

ブロック比率により、球とシリンダーとラメラという構造が生まれます。

時速２００㎞でコーナーに入る。最高にスリリングですね！
大学のころ自動車部にいたのですが、それ以来サーキットを走るなどして、車を自在に操MY FAVORITE

この構造がなぜ、どのように生じるのか？
分子論的に明らかにすることが「学理」出席する機会がありますが、世界ラリー選手権に出場した実車を間近に見ることができると3 次元構造を作っているのか？」が分かれ興奮しますね。いつかはこういう車に乗りたいと夢みながら…

ば全く新しいナノ構造を作りだすことも可

最後に逆転されて悔しい思いをしました。またチャレンジして、次は勝ちたいと思っています。
仙台には「スポーツランドＳＵＧＯ」とうい国際格式の立派なレーシングコースがあります。時
速２００㎞からブレーキングしてコーナーに入る興奮。日頃のストレスを晴らす良い機会です。

37 TAGEN FOREFRONT

能だと言います。
「まるで分子に“考え”があるかのように

ダイブロック共重合体が自己組織化で作り上げるミクロ相分離構造は、上記のように（基本的に）
４つのパターンがある。強い偏斥下で相分離した体積分率（ブロック比率）に依存した界面曲率を合）、界面の曲率は０となり平面となる。この時に最も安定な構造は平面の界面を持つラメラ状ミ

充填しなくてはならないという制約のもと、
ブロック
鎖の形状と界面に生じるエネルギーの競合が起こ
り、曲面を界面とするミクロ相分離構造の方が安定となる。その結果、ダブル・ジャイロイド状・シリン

電磁波吸収体
入射した電磁波（マイクロ波、ラジオ波等）を、熱エせる物質。電磁波の吸収原理はいくつかあるが、こ
こでは入射した電磁波によって発生する電流を材違う構造が自己組織化されるブロック共重ることができるようになりたいと思っています。ランチアというイタリアのメーカーのオフ会にブロック比率とミクロ相分離構造

ネルギーに変換することで吸収し、反射波を減少さ

上記のように数％のブロック比によって、合体。陣内教授は、分子が「何を考えて最近義理の弟と関西で行われたラリーに出場しました。 途中まで一位だったのですが、した」。

脂質二分子膜の形成やタンパク質のフォールディ
ングも自己組織化である。

料内部の抵抗によって吸収するものを指す。

複雑な構造が、なぜ、どのように生じるのか？ ポイン
トとなるのは、3次元ナノ構造をいかに適切に観察で自在にそして特異な規則構造を自己組

きるかということ。陣内研究室では、ナノスケールの空織化してくれます。きっちりとブロック共重法を追求してきました。

間分解能で内部の複雑な立体的情報を解析する手

TAGEN FOREFRONT 38

FOREFRONT REVIEW

06

３次元構造観察』の方向に進むと考えて2次元透過像や電子線回折パターンから、真の3次元形態を正確に把握することは非常に困います」。

難。様々な方向からの投影画像を再構成するC
Ｔスキャンをヒントに、ナノレベルで内部の複雑な立体的情報を解析することが可能にする先端計測法を開発しています。

“百聞は一見に如かず ”
環境下・動的・３次元構造観察へが望まれていました。そこで威力を発揮したのが、電子線トモグラフィーです」。

電子線トモグラフィーによる３次元構造観察ｎｍスケールの構造の透過像を観察することので「実用材料の研究も行い、社会にも貢構造の可視化を可能とする最先端の顕微鏡法。

でも３次元構造観察が有効になると考え分散状態を正確に観察できる方法の確立ています」と語る陣内教授。
計算方法自体が正しいかということを実験するために、リアルに引っ張り実験ができるサンプルホルダーを開発。電子顕微鏡の中で力学特性を測定し、計算科学が正しいか判断しています。

電子線トモグラフィー

環境下・動的・３次元構造観察へ
実用材料の研究で社会貢献献したいと思っています。エネルギー分野
大きく影響します。ですから、充填剤のTERM INFORMATION

例えば、燃料電池の電極の構造観察

きる透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）に計算機トモグラ
フィ（ＣＴ）
を組み合わせ、
ｎｍスケールでの３次元医用に用いられるＣＴスキャンと原理的には同じ。
本手法の萌芽は１９８０年代後半に遡るが、本格的な発展は計算機のメモリと記憶媒体が発達した
２０００年ごろから。試料をＴＥＭ内で傾斜させながら数十枚の透過像を撮影し、ＣＴに基づいて再構成を行う。近年、原子分解能での３次元可視化がもそのひとつ。白金粒子と炭素担持体か可能となっている。

らなる燃料電池電極は、燃料電池の性

有限要素法

能の鍵を握る重要な要素です。「燃料電複雑な形状や性質を持つ物体を、単純な形状・性質を持つ小部分（要素）に分割し、各々の要素を方の投影画像を撮って断面を再構成するＣ

電子線トモグラフィーで定量的な３次Ｔスキャンと一緒です。試料を傾斜させ

元画像の取得を行い、ゴム材料中の各物体を構成する物質の力学的特性は池の最大の問題の一つは、電極の劣化

単なる平面的な２次元情報からいかながら、連続的にＴＥＭ像を撮影し、得部材の空間配置をナノサイズで最適化す「構成方程式」という数理的表現で表さです。劣化機構の解明のためには、電に 3 次 元 構 造を類 推 するかではなく、られた一連の連続傾斜像からその切片のる「３次元ナノ階層構造制御技術」を開れ、この方程式が正しいかどうかを検証

極の詳細な構造観察が必要であり、電よりリアルなカタチで３次元の構造を捉え

３次元情報を再構成します」。

発。超微細の架橋系網目分布（ｎｍスケー

する方法はありませんでした。しかし、「コ

子線トモグラフィーにより３次元構造を観察しています」。

程式で近似表現し組み合わせた後、全ての方程式が成立する解を求めることで全体の性質を予測する方法。解析的に解くことが難しい偏微分方程式を解く際に用いられる数値解析手法の一つで、構造力学を含む工学の多くの分野で用いられる。

るか？そこで開 発されたのが、ＴＥＭとこの電子線トモグラフィーにより、ナノレ

ル）・充填剤の分布（数百ｎｍスケール）
・

ンピュータの計算ばかりに頼っているので計算機トモグラフィー（ＣＴ）
を組み合わ

ベルで内部の複雑な立体的情報を解析

ゴムブレンドの形態（µ ｍスケール）というは無く、リアルに力学特性を調べたい。こ

性能が良いと言われる電極を構造観察

せ、材料の内部構造をナノスケールですることが可能になりました。それにより、様々な階層の３次元構造を制御・解析すの想いで、特殊な電子顕微鏡用の試料した結果、白金ナノ粒子が炭素担持体

３次元可視化できる電子線トモグラフィー

具体的な工業製品を評価するという活用ることで、同時に、諸物性計測の基礎とホルダーを開発し、試料を延伸しながら３の表面に付着しているというそれまでの常（Ｔｒａｎｓｍｉ
ｓ
ｓ
ｉ
ｏｎ Ｅｌ
ｅｃ
ｔ
ｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｔｏｍ

事例も生まれています。タイヤのゴムの性なる画像処理アルゴリズムの開発も行いま次元ナノ観察を実施することを考えていま識に反して、白金ナノ粒子の一部が炭素

ｏｇｒａｐｈｙ，ＴＥＭＴ）です。

能評価もその一例です。

した。「力学的な解析を行うことによりゴす」と陣内教授は言います。

担持体の内部に存在することが分かりま「カーボンブラックやシリカ粒子などの充ム材料・構造の最適化を行うことが可能

独自に開発したサンプルホルダーは、した。観察した電極の優れた電気化学

連づけることでマテリアルの性質を理解することが填 剤を配 合したゴムとなりました。結果的にエネルギーロス低試料の引っ張り実験を行いながら、試料特性を考慮に入れると、この結果は、炭材料が補強性などの減、耐摩耗性能向上させることに成功しを傾斜させてトモグラフィーを行うことで、素担持体の内部にある白金粒子でも触媒

種類により異なるが、本文で取り上げた充填材配点からタイヤに使用さています」。

変形途中の 3 次元構造の観察が可能と反応をすることを示唆しています。内部になります。変形状態での 3 次元構造を計入っている白金ナノ粒子は劣化しにくいの「仕組みは、人間のいろんな方向かられてきましたが、ゴム

不均一構造（ブロック共重合体のミクロ相分離構
造はその一つ）の３次元形態を表したものとなる。
この３次元データから構造を特徴づける物理量を
計測し、
その量を
（構造を含む）
材料の諸特性と関可能となる。計測の対象となる構造情報は材料の合ゴム材料では、充填材の体積分率・表面積・分散状態・連結状態などが重要となる。
また、ブロック
共重合体のミクロ相分離構造の理解のためには、界面の曲率分布が重要となる。このような３次元
データの解析法は、
まだまだ発展途上であり、今後算機が予想する構造と比べることで、初で、この知見は電極の長寿命化の可能

散性はゴム強度だけめて計算科学が正しいかどうか検証でき性を広げられることを示しています。

でなくグリップ性能や「このように、３次元構造情報をもとにるのです。ナノスケールの引っ張り実験は「今回の結果から分かるように、ナノレ耐磨耗などの特性に

計算科学によりコンピュータで材料の力学

技術的に難しいですが、いろいろ試行錯

ベルの実環境下での構造解析ができれ

通常、電子顕微鏡観察では試料は超高真空下に特性を予想します。しかし、突き詰めると誤しながら解決を試みています。計算科

ば、エネルギー問題に貢献できるような成本当に計算科学（有限要素法）
は正しい

学と実験科学のコラボは、今後の材料科果が生まれるかも知れません。粒子をどの

察はこれまで非常に難しかった。近年、顕微鏡の試 料を傾 斜させて連 続 的にのかという疑問も出てきます。この問題を学においてとても重要になると考えられまように配列するとエネルギー効率が良くな

状態・溶液中・ガス雰囲気下にある試料の電子顕TEM像や走査TEM像を撮影

解決したいという想いも持つようになりましす。「従来２次元でしか構造解析ができるかなどの基礎の構造解明が研究室の使に変形させた状態や加熱した状態でのナノ観察た」と語る陣内教授。

なかった引っ張り実験などが、我々の研命です」。

も一般的になってきた。このような「環境下」での新たに開発した電子線トモグラ
フィーによる３次元構造観察。

し、得られた一連のデータから3次元情報を再構成します。

海外の研究者とも話ができるような、文化・素養をつけたいもの

OFF TIME

オフタイムには、映画を観ることが多いですね。ホラー以外はどんなものも観ますし、映画館に究で３次元でもできるようになっており、こ

環境下・動的・３次元構造観察置かれる。
そのため、例えば水を含む試料のナノ観改良や特殊な試料ホルダーの導入により、含水微鏡観察が可能となってきている。この他、試料

電子顕微鏡観察は、
まだ２次元的イメージングに留まっているのが現状であり、まずは、電子線トモグ

こに大きな意義があると自負しています」。
陣内研究室では、さらにサンプルホル

たように材料の変形時の「動的な構造変化」は、

歴史には昔から興味があり、お城めぐりもよくしました。最も興味深いのはやはり戦国時代です

行うような、様々な環境下での動的な実が、明治から昭和の歴史なども勉強する必要を強く感じます。 海外に行くと研究者同士で歴史験を行い、よりリアルなナノスケールでのの話をする機会もあります。その時、自国の歴史について話ができないというのは恥ずかしいことの進展が期待される。

ラフィー的な手法を取り入れた環境下での３次元イメージングの開発が急務である。本文でも紹介し
材料設計の上で非常に重要な知見であるから、
こ

ダーに気体や液体を充填して傾斜実験をもよく行きます。

のような構造変化を３次元的に捉えることはナノイ
メージングの究極の目標である。

構造解析したいと考えています。

です。グローバルな視点を持つことの重要性が叫ばれていますが、まず自国のアイデンティティを

39 TAGEN FOREFRONT

電子線トモグラフィーなどの３次元可視化法を用いると、当然のことながら、得られるデータは物質の計算方法自体が正しいかどうか？
力学特性をリアルに測定

材料中の充填剤の分

しっかりと見つめる必要があるのではないでしょうか。

３次元構造情報

エルンストルスカ賞授賞式にて、
ドイツ・イギリス・アメリカからの受賞者とともに。

「実際に材料が使われている条件下で実際に使われている条件で材料のナノ構造を可視

ナノ構造を 3 次元的に可視化していくこと化していくことの必要性。
「環境下・動的・３次元構が大切です。これからは『環境下・動的・行い、社会にも貢献したいと考えています。

造観察」
を実現化し、新しい実用材料の研究開発を

TAGEN FOREFRONT 40

FOREFRONT REVIEW

06

３次元構造観察』の方向に進むと考えて2次元透過像や電子線回折パターンから、真の3次元形態を正確に把握することは非常に困います」。

難。様々な方向からの投影画像を再構成するC
Ｔスキャンをヒントに、ナノレベルで内部の複雑な立体的情報を解析することが可能にする先端計測法を開発しています。

“百聞は一見に如かず ”
環境下・動的・３次元構造観察へが望まれていました。そこで威力を発揮したのが、電子線トモグラフィーです」。

電子線トモグラフィーによる３次元構造観察ｎｍスケールの構造の透過像を観察することので「実用材料の研究も行い、社会にも貢構造の可視化を可能とする最先端の顕微鏡法。

でも３次元構造観察が有効になると考え分散状態を正確に観察できる方法の確立ています」と語る陣内教授。
計算方法自体が正しいかということを実験するために、リアルに引っ張り実験ができるサンプルホルダーを開発。電子顕微鏡の中で力学特性を測定し、計算科学が正しいか判断しています。

電子線トモグラフィー

環境下・動的・３次元構造観察へ
実用材料の研究で社会貢献献したいと思っています。エネルギー分野
大きく影響します。ですから、充填剤のTERM INFORMATION

例えば、燃料電池の電極の構造観察

きる透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）に計算機トモグラ
フィ（ＣＴ）
を組み合わせ、
ｎｍスケールでの３次元医用に用いられるＣＴスキャンと原理的には同じ。
本手法の萌芽は１９８０年代後半に遡るが、本格的な発展は計算機のメモリと記憶媒体が発達した
２０００年ごろから。試料をＴＥＭ内で傾斜させながら数十枚の透過像を撮影し、ＣＴに基づいて再構成を行う。近年、原子分解能での３次元可視化がもそのひとつ。白金粒子と炭素担持体か可能となっている。

らなる燃料電池電極は、燃料電池の性

有限要素法

能の鍵を握る重要な要素です。「燃料電複雑な形状や性質を持つ物体を、単純な形状・性質を持つ小部分（要素）に分割し、各々の要素を方の投影画像を撮って断面を再構成するＣ

電子線トモグラフィーで定量的な３次Ｔスキャンと一緒です。試料を傾斜させ

元画像の取得を行い、ゴム材料中の各物体を構成する物質の力学的特性は池の最大の問題の一つは、電極の劣化

単なる平面的な２次元情報からいかながら、連続的にＴＥＭ像を撮影し、得部材の空間配置をナノサイズで最適化す「構成方程式」という数理的表現で表さです。劣化機構の解明のためには、電に 3 次 元 構 造を類 推 するかではなく、られた一連の連続傾斜像からその切片のる「３次元ナノ階層構造制御技術」を開れ、この方程式が正しいかどうかを検証

極の詳細な構造観察が必要であり、電よりリアルなカタチで３次元の構造を捉え

３次元情報を再構成します」。

発。超微細の架橋系網目分布（ｎｍスケー

する方法はありませんでした。しかし、「コ

子線トモグラフィーにより３次元構造を観察しています」。

程式で近似表現し組み合わせた後、全ての方程式が成立する解を求めることで全体の性質を予測する方法。解析的に解くことが難しい偏微分方程式を解く際に用いられる数値解析手法の一つで、構造力学を含む工学の多くの分野で用いられる。

るか？そこで開 発されたのが、ＴＥＭとこの電子線トモグラフィーにより、ナノレ

ル）・充填剤の分布（数百ｎｍスケール）
・

ンピュータの計算ばかりに頼っているので計算機トモグラフィー（ＣＴ）
を組み合わ

ベルで内部の複雑な立体的情報を解析

ゴムブレンドの形態（µ ｍスケール）というは無く、リアルに力学特性を調べたい。こ

性能が良いと言われる電極を構造観察

せ、材料の内部構造をナノスケールですることが可能になりました。それにより、様々な階層の３次元構造を制御・解析すの想いで、特殊な電子顕微鏡用の試料した結果、白金ナノ粒子が炭素担持体

３次元可視化できる電子線トモグラフィー

具体的な工業製品を評価するという活用ることで、同時に、諸物性計測の基礎とホルダーを開発し、試料を延伸しながら３の表面に付着しているというそれまでの常（Ｔｒａｎｓｍｉ
ｓ
ｓ
ｉ
ｏｎ Ｅｌ
ｅｃ
ｔ
ｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｔｏｍ

事例も生まれています。タイヤのゴムの性なる画像処理アルゴリズムの開発も行いま次元ナノ観察を実施することを考えていま識に反して、白金ナノ粒子の一部が炭素

ｏｇｒａｐｈｙ，ＴＥＭＴ）です。

能評価もその一例です。

した。「力学的な解析を行うことによりゴす」と陣内教授は言います。

担持体の内部に存在することが分かりま「カーボンブラックやシリカ粒子などの充ム材料・構造の最適化を行うことが可能

独自に開発したサンプルホルダーは、した。観察した電極の優れた電気化学

連づけることでマテリアルの性質を理解することが填 剤を配 合したゴムとなりました。結果的にエネルギーロス低試料の引っ張り実験を行いながら、試料特性を考慮に入れると、この結果は、炭材料が補強性などの減、耐摩耗性能向上させることに成功しを傾斜させてトモグラフィーを行うことで、素担持体の内部にある白金粒子でも触媒

種類により異なるが、本文で取り上げた充填材配点からタイヤに使用さています」。

変形途中の 3 次元構造の観察が可能と反応をすることを示唆しています。内部になります。変形状態での 3 次元構造を計入っている白金ナノ粒子は劣化しにくいの「仕組みは、人間のいろんな方向かられてきましたが、ゴム

不均一構造（ブロック共重合体のミクロ相分離構
造はその一つ）の３次元形態を表したものとなる。
この３次元データから構造を特徴づける物理量を
計測し、
その量を
（構造を含む）
材料の諸特性と関可能となる。計測の対象となる構造情報は材料の合ゴム材料では、充填材の体積分率・表面積・分散状態・連結状態などが重要となる。
また、ブロック
共重合体のミクロ相分離構造の理解のためには、界面の曲率分布が重要となる。このような３次元
データの解析法は、
まだまだ発展途上であり、今後算機が予想する構造と比べることで、初で、この知見は電極の長寿命化の可能

散性はゴム強度だけめて計算科学が正しいかどうか検証でき性を広げられることを示しています。

でなくグリップ性能や「このように、３次元構造情報をもとにるのです。ナノスケールの引っ張り実験は「今回の結果から分かるように、ナノレ耐磨耗などの特性に

計算科学によりコンピュータで材料の力学

技術的に難しいですが、いろいろ試行錯

ベルの実環境下での構造解析ができれ

通常、電子顕微鏡観察では試料は超高真空下に特性を予想します。しかし、突き詰めると誤しながら解決を試みています。計算科

ば、エネルギー問題に貢献できるような成本当に計算科学（有限要素法）
は正しい

学と実験科学のコラボは、今後の材料科果が生まれるかも知れません。粒子をどの

察はこれまで非常に難しかった。近年、顕微鏡の試 料を傾 斜させて連 続 的にのかという疑問も出てきます。この問題を学においてとても重要になると考えられまように配列するとエネルギー効率が良くな

状態・溶液中・ガス雰囲気下にある試料の電子顕TEM像や走査TEM像を撮影

解決したいという想いも持つようになりましす。「従来２次元でしか構造解析ができるかなどの基礎の構造解明が研究室の使に変形させた状態や加熱した状態でのナノ観察た」と語る陣内教授。

なかった引っ張り実験などが、我々の研命です」。

も一般的になってきた。このような「環境下」での新たに開発した電子線トモグラ
フィーによる３次元構造観察。

し、得られた一連のデータから3次元情報を再構成します。

海外の研究者とも話ができるような、文化・素養をつけたいもの

OFF TIME

オフタイムには、映画を観ることが多いですね。ホラー以外はどんなものも観ますし、映画館に究で３次元でもできるようになっており、こ

環境下・動的・３次元構造観察置かれる。
そのため、例えば水を含む試料のナノ観改良や特殊な試料ホルダーの導入により、含水微鏡観察が可能となってきている。この他、試料

電子顕微鏡観察は、
まだ２次元的イメージングに留まっているのが現状であり、まずは、電子線トモグ

こに大きな意義があると自負しています」。
陣内研究室では、さらにサンプルホル

たように材料の変形時の「動的な構造変化」は、

歴史には昔から興味があり、お城めぐりもよくしました。最も興味深いのはやはり戦国時代です

行うような、様々な環境下での動的な実が、明治から昭和の歴史なども勉強する必要を強く感じます。 海外に行くと研究者同士で歴史験を行い、よりリアルなナノスケールでのの話をする機会もあります。その時、自国の歴史について話ができないというのは恥ずかしいことの進展が期待される。

ラフィー的な手法を取り入れた環境下での３次元イメージングの開発が急務である。本文でも紹介し
材料設計の上で非常に重要な知見であるから、
こ

ダーに気体や液体を充填して傾斜実験をもよく行きます。

のような構造変化を３次元的に捉えることはナノイ
メージングの究極の目標である。

構造解析したいと考えています。

です。グローバルな視点を持つことの重要性が叫ばれていますが、まず自国のアイデンティティを

39 TAGEN FOREFRONT

電子線トモグラフィーなどの３次元可視化法を用いると、当然のことながら、得られるデータは物質の計算方法自体が正しいかどうか？
力学特性をリアルに測定

材料中の充填剤の分

しっかりと見つめる必要があるのではないでしょうか。

３次元構造情報

エルンストルスカ賞授賞式にて、
ドイツ・イギリス・アメリカからの受賞者とともに。

「実際に材料が使われている条件下で実際に使われている条件で材料のナノ構造を可視

ナノ構造を 3 次元的に可視化していくこと化していくことの必要性。
「環境下・動的・３次元構が大切です。これからは『環境下・動的・行い、社会にも貢献したいと考えています。

造観察」
を実現化し、新しい実用材料の研究開発を

TAGEN FOREFRONT 40

FOREFRONT REVIEW

07

非鉄金属製錬技術を駆使した未来のための金属資源循環への挑戦
銅や鉛、亜鉛といったベースメタルを中心に、マイナーメタルや貴金属など世の中の金属の大半を生成している非鉄製錬業ですが、日本は原料となる鉱石を採掘する鉱山がほとんど閉山しており、原料の入手を輸入に頼らなければならない状態にあります。また世界的に見ても、中国の進出や鉱物資源の低品位化により資源確保が難しいのが現状です。
一方、今後は人口増加と相俟って、携帯電話やＰＣ、蓄電設備、
ハイブリッド自動車や電気自動車など、電気・電子機器の利用が加速度的に増加することが予想されます。金属資源を継続的に確保していくため、このように様々な製品に使用されている金属を循環利用していく必要があることは、言うまでもありません。
柴田研究室では非鉄製錬技術を基盤とした金属資源循環システムの実現に向けて研究・開発を行っています。さらに学術的な新機軸と多元物質科学研究所
サステナブル理工学研究センター
金属資源循環システム研究分野

FOREFRONT REVIEW

教授

柴田
悦郎
SHIBATA, Etsuro「金属リサイクル」という言葉をご存知でしょうか。柴田研究室

1971年、福岡県生まれ。九州大学工学部卒業。

では、非鉄金属製錬を土台に不要になった金属製品を国内で回収・助手。以降、同大学多元物質科学研究所助手、処理し、再び金属素材として提供することを目指しています。「“金属資源循環システム”の構築こそが責務」。二次原料の種類に応

博士
（工学）
。
１９９９年東北大学素材工学研究所
助教、准教授を経て今に至る。資源・素材学会、
日本鉄鋼協会、
日本金属学会に所属。第29回資源・素材学会奨励賞、原田研究奨励賞、トーキン

して「金属資源循環工学」を提唱。金属元素を含む多種多様な二次資源の前処理から主要製錬技術、製錬副産物の処理、環境負荷
元素の安定固定化など、金属資源循環に向けた研究・技術開発に関して、課題解決型研究や新規プロセス技術開発など包括的に取り組んでいます。
＜研究テーマ＞
・海底鉱物資源の乾式製錬プロセスの開発
・廃電気・電子機器中の臭素系難燃プラスチックの熱分解機構の解明と金属分の臭素化揮発反応に関する研究
・銅スラグからのマグネタイトの析出と分離による鉄源化に関する研究
・バグフィルタにおける脱ハロゲン機構に関する基礎的研究
・スコロダイト合成によるヒ素の安定固定化技術の開発

じた様々なアプローチで、 課題解決型研究や新規プロセス技術開

科学技術振興財団奨励賞受賞。

・溶媒抽出法等を用いたレアアース回収技術開発の基礎研究

発を行います。

http://www.tagen.tohoku.ac.jp/labo/e_・超音波照射下のマイクロバブルの挙動を利用した新規物理洗浄法

shibata/index.html

・小径ショット状アノードを用いた新規的な銅電解精製技術の開発など

41 TAGEN FOREFRONTTAGEN FOREFRONT 42

FOREFRONT REVIEW

07

非鉄金属製錬技術を駆使した未来のための金属資源循環への挑戦
銅や鉛、亜鉛といったベースメタルを中心に、マイナーメタルや貴金属など世の中の金属の大半を生成している非鉄製錬業ですが、日本は原料となる鉱石を採掘する鉱山がほとんど閉山しており、原料の入手を輸入に頼らなければならない状態にあります。また世界的に見ても、中国の進出や鉱物資源の低品位化により資源確保が難しいのが現状です。
一方、今後は人口増加と相俟って、携帯電話やＰＣ、蓄電設備、
ハイブリッド自動車や電気自動車など、電気・電子機器の利用が加速度的に増加することが予想されます。金属資源を継続的に確保していくため、このように様々な製品に使用されている金属を循環利用していく必要があることは、言うまでもありません。
柴田研究室では非鉄製錬技術を基盤とした金属資源循環システムの実現に向けて研究・開発を行っています。さらに学術的な新機軸と多元物質科学研究所
サステナブル理工学研究センター
金属資源循環システム研究分野

FOREFRONT REVIEW

教授

柴田
悦郎
SHIBATA, Etsuro「金属リサイクル」という言葉をご存知でしょうか。柴田研究室

1971年、福岡県生まれ。九州大学工学部卒業。

では、非鉄金属製錬を土台に不要になった金属製品を国内で回収・助手。以降、同大学多元物質科学研究所助手、処理し、再び金属素材として提供することを目指しています。「“金属資源循環システム”の構築こそが責務」。二次原料の種類に応

博士
（工学）
。
１９９９年東北大学素材工学研究所
助教、准教授を経て今に至る。資源・素材学会、
日本鉄鋼協会、
日本金属学会に所属。第29回資源・素材学会奨励賞、原田研究奨励賞、トーキン

して「金属資源循環工学」を提唱。金属元素を含む多種多様な二次資源の前処理から主要製錬技術、製錬副産物の処理、環境負荷
元素の安定固定化など、金属資源循環に向けた研究・技術開発に関して、課題解決型研究や新規プロセス技術開発など包括的に取り組んでいます。
＜研究テーマ＞
・海底鉱物資源の乾式製錬プロセスの開発
・廃電気・電子機器中の臭素系難燃プラスチックの熱分解機構の解明と金属分の臭素化揮発反応に関する研究
・銅スラグからのマグネタイトの析出と分離による鉄源化に関する研究
・バグフィルタにおける脱ハロゲン機構に関する基礎的研究
・スコロダイト合成によるヒ素の安定固定化技術の開発

じた様々なアプローチで、 課題解決型研究や新規プロセス技術開

科学技術振興財団奨励賞受賞。

・溶媒抽出法等を用いたレアアース回収技術開発の基礎研究

発を行います。

http://www.tagen.tohoku.ac.jp/labo/e_・超音波照射下のマイクロバブルの挙動を利用した新規物理洗浄法

shibata/index.html

・小径ショット状アノードを用いた新規的な銅電解精製技術の開発など

41 TAGEN FOREFRONTTAGEN FOREFRONT 42

FOREFRONT REVIEW

07

製錬過程で発生する中間生成物にはマイ

TERM INFORMATION

ナーメタルや貴金属が濃縮されているが、同時にヒ素やカドミウム、水銀といった環境負

非鉄金属製錬（乾式製錬、湿式製錬、電解精練）

荷元素を含む場合もある。
また回収できない
活性金属などをどのように回収していくかも
重要な研究テーマのひとつになっている。

いわゆる鉄以外の金属の製錬に関する総称。ここでは、特に銅、鉛、亜鉛製錬を指す。銅、鉛、亜鉛製錬では、高温を利用した乾式製錬技術、水資源循環型社会の実現と環境負荷元素の制御を目指して溶液中での反応を利用した湿式製錬技術、電気化学反応を利用した電解精練技術などを用いて、貴金属（Ａｕ、
Ａｇ、
Ｐｔ、
Ｐｄなど）
も含め、
その他
多数の金属
（Ｓｅ、
Ｔｅ、
Ｎｉ、
Ｓｂ、
Ｂｉ、
Ｉ
ｎ、
Ｇａ など）を回収している。

ミネラルプロセシング
製錬に装入する鉱石の選鉱（破砕、浮選など）、

鉱物資源確保の難しさ
資源循環システムで解消を指摘します。特に日本は年々環境規制

生するスラグ中に酸化鉄 FeO が含まれてが厳しくなっており、それに伴い環境負荷いることに着目し、銅製錬スラグから鉄鋼資源そのものの低品位化による影響は元素を含む輸入鉱物の扱いが難しくなっ製錬の原料になるマグネタイトを抽出する

著しく、成熟した文明・文化が今後も持ていることも、問題に拍車をかけています。

研究が挙げられます。

続するとしたら、鉱物資源から新たな金日本が誇るハイテク産業には欠かせな属を生成することはますます難しくなるでしょう」

金属資源を効率的に回収するためには要素技術開発とともに金属資源循環システムの中心となる各非鉄製錬所間の有機的なつながりが重要になる。

いわゆる前処理技術の総称。現在、その技術はスクラップなどの二次原料の物理的な分離への応用が進められている。

良、中間生成物の種類の変化に伴う効

台がしっかりしたものではありません。そ非鉄製錬には金属資源循環システム

率的な処理方法の開発などが必要になりのため数少ない大学の人間が、非鉄製

い金属資源。その原料をどのように確保の実現を通し、資源循環型社会の一翼ます。この問題について柴田教授は、「中錬の現場で発生する様々な問題を洞察していけばよいのでしょうか。

を担うという重要な役割があるのです。

間生成物にはマイナーメタルや貴金属がし、問題を引き起こす普遍的な因果関係

環境負荷元素砒素や水銀など環境中へ拡散すると環境汚染など環境に負荷を与える恐れがある元素。

金属製錬ダスト
金属を高温で乾式製錬する際に排ガス中から分

柴田悦郎教授は非鉄製錬業が置かれ「廃金属製品を回収し、二次原料としてささらにもうひとつ重要な役割として、環濃縮されているほか、非鉄製錬の中心をを学問的な視点から解き明かす必要があている現状について、資源確保の難しさ

らに製錬することで、金属資源を継続的

境負荷元素の管理制御が挙げられます。

なす銅、鉛、亜鉛それぞれを含んでいまります。これが、非鉄製錬研究の学術に他産業に供給していく。

現在問題となっている鉱物資源の低品位す。そのため、銅、鉛、亜鉛の各製錬的な意義でもあります」

そうした“金属資源循環シス化に対応するため、従来の非鉄金属製所間の有機的なつながりが必要になりま

柴田研究室ではこのような考えに基づテム”の構築が求められるで錬技術を応用し、環境規制や社会状況す。また中間生成物や製錬副産物の中き、課題解決型・プロセス開発型研究としょう」。

に合わせて改良・開発。これにより、資には有価な金属だけでなく環境負荷元素

して、金属製錬過程で起こる化学反応

スラグ

廃金属製品だけでなく金源に含まれている環境に悪影響を及ぼすを含む場合もあるため、これらを効率的のメカニズムを解析し、解明してきました。

金属を高温で乾式製錬する際に、不純物として分属製錬ダストや排水スラッジ

物質を安定固定化しつつ、目的の金属をに処理することに特化した施設や設備もより効率的かつ環境保全的な製錬プロセ

離された主に酸化物で形成されたもの。

などの産業廃棄物も、二次抽出します。

非常に重要になってきます」と語り、研究スの研究・開発を行っています。

製錬副産物（中間生成物）の指針を提示します。

「非鉄製錬業は、以前に比べれば研究

金属製錬の際に副次的に発生するもの。例えば、者の数もぐっと少なくなってしまった研究分

銅、鉛、亜鉛製錬では貴金属やその他の有価な金原料としての可能性を持っています。例えば関連するテーマとして、銅製錬で発二次原料の処理方法がシステム実現の鍵を握る
金属資源循環システムを実現する上で「金属資源循環工学」の確立と新たな基礎研究の積み重ね野ではありますが、二次原料を利活用し従来の非鉄金属製錬技術には、物負荷元素を安定固定化する技術の開発

種々雑多なものがある。これらを、環境す。鉱石に含まれる不純物とはその種類

理選別技術も含めた「ミネラルプロセシンなど、資源循環型社会の実現に向けて規制や社会状況に合わせ適した方法も数も異なるため、不純物に応じた前処

グ」、高温で処理する「乾式製錬」、水必要不可欠な分野であることは間違いあ

理の技術の開発、従来の製錬技術の改溶液中で酸に溶かして処理する「湿式製

りません」。

で処理するため、柴田教授は研究を続けている。

廃水スラッジ
工場等で排出された廃水を処理する際に、発生する汚泥状のもの。重金属などを含有。

属が副産物中に濃縮される。

た金属資源循環システムの構築や環境

重要なのは、二次原料の処理の問題で鉱石以外の金属を含む二次原料には離されたダスト。

錬」、水溶液中に電気を流して金属を析

考えや人生観に影響を与えた読書体験
仙台に来ることになったとき、初めに思い浮かんだのが、支倉常長をモチーフにした主人公が出る、遠藤周作の時代小説『侍』でした。 青葉山にある常長像を見たときは思わず感動してしまいました。
本を読むことがずっと好きだったんです。遠藤周作や隆慶一郎など、理系とは思えないようなものばかり読んでいました。学生時代に読んだ昭和を代表する禅僧・澤木興道の講話内容を著したものは、今の自分の考え方や人生観を形作っているかもしれません。本だけでなく映画も好きでよく見ましたが、若いころに良いものに出会えたことは、一生残る財産と思っています。

43 TAGEN FOREFRONTMY FAVORITE

出させる「電解精練」などがあります。二次原料処理の問題を解決するためにはこれらを応用し包括的に取り組まなければなりません。そこで柴田教授が提唱したのが「金属資源循環工学」の確立です。これにより二次原料による非鉄製錬を新たな工学の枠組みとして捉えることが可能になります。

非鉄製錬は従来の枠組みを越えた包括的なアプロー「当分野は人材の枯渇が進んでおり、チが必要な分野で、研究テーマも多岐に渡る。現在は一昔に比べ今は大学での基礎研究の土

海底鉱物資源から金属を製錬する研究も行っている。

TAGEN FOREFRONT 44

FOREFRONT REVIEW

07

製錬過程で発生する中間生成物にはマイ

TERM INFORMATION

ナーメタルや貴金属が濃縮されているが、同時にヒ素やカドミウム、水銀といった環境負

非鉄金属製錬（乾式製錬、湿式製錬、電解精練）

荷元素を含む場合もある。
また回収できない
活性金属などをどのように回収していくかも
重要な研究テーマのひとつになっている。

いわゆる鉄以外の金属の製錬に関する総称。ここでは、特に銅、鉛、亜鉛製錬を指す。銅、鉛、亜鉛製錬では、高温を利用した乾式製錬技術、水資源循環型社会の実現と環境負荷元素の制御を目指して溶液中での反応を利用した湿式製錬技術、電気化学反応を利用した電解精練技術などを用いて、貴金属（Ａｕ、
Ａｇ、
Ｐｔ、
Ｐｄなど）
も含め、
その他
多数の金属
（Ｓｅ、
Ｔｅ、
Ｎｉ、
Ｓｂ、
Ｂｉ、
Ｉ
ｎ、
Ｇａ など）を回収している。

ミネラルプロセシング
製錬に装入する鉱石の選鉱（破砕、浮選など）、

鉱物資源確保の難しさ
資源循環システムで解消を指摘します。特に日本は年々環境規制

生するスラグ中に酸化鉄 FeO が含まれてが厳しくなっており、それに伴い環境負荷いることに着目し、銅製錬スラグから鉄鋼資源そのものの低品位化による影響は元素を含む輸入鉱物の扱いが難しくなっ製錬の原料になるマグネタイトを抽出する

著しく、成熟した文明・文化が今後も持ていることも、問題に拍車をかけています。

研究が挙げられます。

続するとしたら、鉱物資源から新たな金日本が誇るハイテク産業には欠かせな属を生成することはますます難しくなるでしょう」

金属資源を効率的に回収するためには要素技術開発とともに金属資源循環システムの中心となる各非鉄製錬所間の有機的なつながりが重要になる。

いわゆる前処理技術の総称。現在、その技術はスクラップなどの二次原料の物理的な分離への応用が進められている。

良、中間生成物の種類の変化に伴う効

台がしっかりしたものではありません。そ非鉄製錬には金属資源循環システム

率的な処理方法の開発などが必要になりのため数少ない大学の人間が、非鉄製

い金属資源。その原料をどのように確保の実現を通し、資源循環型社会の一翼ます。この問題について柴田教授は、「中錬の現場で発生する様々な問題を洞察していけばよいのでしょうか。

を担うという重要な役割があるのです。

間生成物にはマイナーメタルや貴金属がし、問題を引き起こす普遍的な因果関係

環境負荷元素砒素や水銀など環境中へ拡散すると環境汚染など環境に負荷を与える恐れがある元素。

金属製錬ダスト
金属を高温で乾式製錬する際に排ガス中から分

柴田悦郎教授は非鉄製錬業が置かれ「廃金属製品を回収し、二次原料としてささらにもうひとつ重要な役割として、環濃縮されているほか、非鉄製錬の中心をを学問的な視点から解き明かす必要があている現状について、資源確保の難しさ

らに製錬することで、金属資源を継続的

境負荷元素の管理制御が挙げられます。

なす銅、鉛、亜鉛それぞれを含んでいまります。これが、非鉄製錬研究の学術に他産業に供給していく。

現在問題となっている鉱物資源の低品位す。そのため、銅、鉛、亜鉛の各製錬的な意義でもあります」

そうした“金属資源循環シス化に対応するため、従来の非鉄金属製所間の有機的なつながりが必要になりま

柴田研究室ではこのような考えに基づテム”の構築が求められるで錬技術を応用し、環境規制や社会状況す。また中間生成物や製錬副産物の中き、課題解決型・プロセス開発型研究としょう」。

に合わせて改良・開発。これにより、資には有価な金属だけでなく環境負荷元素

して、金属製錬過程で起こる化学反応

スラグ

廃金属製品だけでなく金源に含まれている環境に悪影響を及ぼすを含む場合もあるため、これらを効率的のメカニズムを解析し、解明してきました。

金属を高温で乾式製錬する際に、不純物として分属製錬ダストや排水スラッジ

物質を安定固定化しつつ、目的の金属をに処理することに特化した施設や設備もより効率的かつ環境保全的な製錬プロセ

離された主に酸化物で形成されたもの。

などの産業廃棄物も、二次抽出します。

非常に重要になってきます」と語り、研究スの研究・開発を行っています。

製錬副産物（中間生成物）の指針を提示します。

「非鉄製錬業は、以前に比べれば研究

金属製錬の際に副次的に発生するもの。例えば、者の数もぐっと少なくなってしまった研究分

銅、鉛、亜鉛製錬では貴金属やその他の有価な金原料としての可能性を持っています。例えば関連するテーマとして、銅製錬で発二次原料の処理方法がシステム実現の鍵を握る
金属資源循環システムを実現する上で「金属資源循環工学」の確立と新たな基礎研究の積み重ね野ではありますが、二次原料を利活用し従来の非鉄金属製錬技術には、物負荷元素を安定固定化する技術の開発

種々雑多なものがある。これらを、環境す。鉱石に含まれる不純物とはその種類

理選別技術も含めた「ミネラルプロセシンなど、資源循環型社会の実現に向けて規制や社会状況に合わせ適した方法も数も異なるため、不純物に応じた前処

グ」、高温で処理する「乾式製錬」、水必要不可欠な分野であることは間違いあ

理の技術の開発、従来の製錬技術の改溶液中で酸に溶かして処理する「湿式製

りません」。

で処理するため、柴田教授は研究を続けている。

廃水スラッジ
工場等で排出された廃水を処理する際に、発生する汚泥状のもの。重金属などを含有。

属が副産物中に濃縮される。

た金属資源循環システムの構築や環境

重要なのは、二次原料の処理の問題で鉱石以外の金属を含む二次原料には離されたダスト。

錬」、水溶液中に電気を流して金属を析

考えや人生観に影響を与えた読書体験
仙台に来ることになったとき、初めに思い浮かんだのが、支倉常長をモチーフにした主人公が出る、遠藤周作の時代小説『侍』でした。 青葉山にある常長像を見たときは思わず感動してしまいました。
本を読むことがずっと好きだったんです。遠藤周作や隆慶一郎など、理系とは思えないようなものばかり読んでいました。学生時代に読んだ昭和を代表する禅僧・澤木興道の講話内容を著したものは、今の自分の考え方や人生観を形作っているかもしれません。本だけでなく映画も好きでよく見ましたが、若いころに良いものに出会えたことは、一生残る財産と思っています。

43 TAGEN FOREFRONTMY FAVORITE

出させる「電解精練」などがあります。二次原料処理の問題を解決するためにはこれらを応用し包括的に取り組まなければなりません。そこで柴田教授が提唱したのが「金属資源循環工学」の確立です。これにより二次原料による非鉄製錬を新たな工学の枠組みとして捉えることが可能になります。

非鉄製錬は従来の枠組みを越えた包括的なアプロー「当分野は人材の枯渇が進んでおり、チが必要な分野で、研究テーマも多岐に渡る。現在は一昔に比べ今は大学での基礎研究の土

海底鉱物資源から金属を製錬する研究も行っている。

TAGEN FOREFRONT 44

FOREFRONT REVIEW

07

かつては亜ヒ酸や防腐剤としての用途があったヒ

小径ショット状アノード電解素。環境規制の強化によってそのような利用が不では、アノードの三次元的可能になってしまった一方、鉱、資源として利用さ形状に着目し、新規技術のれる銅鉱石中のヒ素濃度は増加傾向にある。こ

開発を行っている。

のような環境負荷元素を新しい方法で処理してい

TERM INFORMATION
ファセット状スコロダイト
スコロダイト（FeAsO 4·2H 2O）
は砒酸と酸化鉄でくため、柴田教授は研究を続けている。

構成された化合物の一種。当研究室で取り組んでいる技術により多角形（ファセット）の形状の結晶金属資源循環システムの構築は
個々の包括的な研究で実を結ぶ性の高いスコロダイトの合成が可能。

に酸化。これによりファセット状の単結晶のスコロダイトが合成されます。

オートクレーブ「私たちは反応初期にＦｅ
（Ⅱ）
を主体と

湿式製錬などで、水溶液中の反応を高温･高圧下したゲル状の前駆体が生成され、スコロで行いたい場合に用いられる耐圧反応容器。

ダイト粒子の成長とともに消失していくこと重金属を発見。この前駆体にはＦｅ（Ⅲ）が少量
含まれています。前駆体の形態変化にります。揮発性も高く、高温状態の中で対処法としては、硫酸に粗銅を溶かし鉛など比重が比較的高い金属の総称。

様々な細かい技術を積み上げることにをとして、スコロダイト（ＦｅＡｓＯ４・２Ｈ２Ｏ）

よってスコロダイトが生成されるのであれはすぐに気化するという特徴があります」。

て硫酸銅水溶液をつくり、溶けずに残っ

ウェルツキルン法

よって成り立つ金属資源循環システム。
そ

合成し、保管する方法が挙げられます。

ば、Ｆｅ
（Ⅱ）
とヒ素（Ａｓ（Ⅴ））
を含む溶液中

ところで、鉄スクラップをリサイクルする

た不純物の一部を物理的に除去。その亜鉛を含有した電炉ダストから亜鉛を回収する方のため研究テーマも多岐にわたり、
従来のスコロダイトは鉄とヒ素の酸化物の結

に直接Ｆｅ
（Ⅲ）
を含む化合物であるヘマタ

際に、副次的に亜鉛を含有した電炉ダス

後に電解採取をおこなうことで高純度の非鉄製錬の枠組みを越えてアプローチが晶。元来、結晶の生成にはオートクレー

イトＦｅ２Ｏ３を添加し、反応させることによっトが発生します。電炉ダストは、コークス銅を生産しています。この方法の問題点なされています。

ブによる高温・高圧処理が必要でした。

て、溶液の pH を低下させずにさらに効と混ぜ合わせて１２００℃の高温で加熱すは電力消費量が増加することと、粗銅をしかし高エネルギーを消費することや、析

率的にファセット状のスコロダイトが合成さることにより亜鉛が分離回収されます（ウェ

硫酸に溶かすというプロセスが必要になる出したものが配管にくっついてしまうなどれるのではないかという可能性を導き出し

ルツキルン法）。

ということ。そこで新たな方法として開発問題も多く、これを解決する方法が模索ました」と、柴田教授。これにより、より

このような高温でのプロセスの省エネル

されてきました。

効率的に非鉄製錬のヒ素問題を解決す

ギー化と、廃プラスチックの処理を同時にることができるようになります。

行う試みとして、「電炉ダストに臭素系難従来のアノードは板状で、そのために

燃プロスチックを混合し、加熱することで溶出率が低いという問題がありました。こ発生した臭化水素ガスがダスト中の亜鉛れを複数の小径ショット
（粒状）
にすること

と反応し、６００～７００℃付近で揮発してで、不動態化する前に内部まで溶出がに溶けにくい不純物が多量に含有されている場

金属リサイクルに代表される廃電気・亜鉛が回収されます。さらに熱分解後の進行。安定的にＣｕ２＋を取り出すことがで合、電解液中へ銅の溶出が進んだ際に表面を不電子機器。その外装には、製品を燃えに

プラスチックはカーボンになるため、コーク

きます。またショットの数を増やした場合でくくするための臭素系難燃樹脂が含まれスの代わりになるという点でも資源循環的も電流効率や溶出率は維持されるため、溶出が進まなくなる。

たプラスチックが使用されている場合が多な役割を担うことができます」。

これを利用し大規模な電解も可能になる

スコロダイト合成によるヒ素の安定固定化
ヒ素は原料の中に不純物として含まれていますが、ヒ素を効率的に分離回収しそこで開発されたのが、大気圧化でスコて環境中に溶出しない形に安定化して保ロダイトを合成する方法です。Ｆｅ（Ⅱ）とヒ素

管する決め手の技術とシステムが無い状

（Ａｓ
（Ⅴ）
）
を含む硫酸第一鉄（ＦｅＳＯ４）溶況です。決め手となる技術の候補の一つ

液に酸素ガスを吹き込み、Ｆｅ
（Ⅱ）
をＦｅ
（Ⅲ）

臭素系難燃樹脂の熱分解メカニズム解明と資源化へくあります。そのためリサイクルも容易で系難燃樹脂を燃やした際の熱分解のメカ

小径ショット状アノードを利用した新規電解精製技術の開発

ニズム、及び燃やした際に発生する臭化

非鉄金属製錬の中心である銅製錬の水素ガスによる重金属化合物の臭素化最終工程として、銅の高純度化のために反応を調査・解明しました。「重金属は行っているのが銅の電解精製です。

はありません。そこで研究室では、臭素
スコロダイト結晶の生成・成長機構を解析することで、溶 液を循 環利用する連続方式のスコロダイト合 成プロ
セスを開発を目指す。

臭化水素ガスと反応すると臭化金属にな

本来、電解精製では鉱物資源から製錬されて得られた粗銅をアノード電極とし、自然に溶け込めるサーフィンが、クセになります。
学生の頃からサーフィンを続けていて、今も休日は大抵海に入ります。場所は仙台新港がほとんど。ここは日本で数本の指に入るほど有名で、プロサーファーも多く利用するような場所です。

OFF TIME

種板（カソード）と一緒に硫酸銅水溶液のアノード電極電解液中に電極を二つ挿入して電流を流す場
合、導線を通して対極へ向かって電子が流れ出る側の電極を指す。アノード表面では酸化反応が起こり、例えば銅の電解精製では電解液中への銅の溶出が進行する。

不動態化
例えば銅の電解精製では、銅アノード中に電解液

溶性の不純物（不動態層）が覆い、それ以上銅のと考えられ、将来的なスケールアップを見据えたさらなる研究開発を行っています。

「国内で効率的な金属資源循環システムを実現することは、金属資源循環工学の大きな目標になります。私たちは、非鉄製錬業がこれまで積み上げてきた技術の粋を集め、プロセス技術開発を中心に個々の普遍的なメカニズムをしっかり解明し、包括的な研究を進めています」。

の高い銅をが回収されます。

港でした。仕事とは全く関係のない世界で、時々は身が引き締まるようなコンディションの中で海にに比べて貴金属や不純物の含有量が多魅力のあるスポーツですね。

鉛（不純物を含有した酸化亜鉛）として回収される。

溶け出したＣｕ２＋がカソードに析出し、純度
しかし二次原料の場合、従来の粗銅チャンピオンシップツアーを見て研究したりしています。それくらいハマってしまうほど、サーフィンはした新規電解精製技術です。

を揮発する。揮発した亜鉛は再酸化して粗酸化亜中に入れて電気を流すことで、粗銅から仙台、と聞いてまず思い浮かべたのは、ＭｙＦａｖｏｒｉｔｅでも触れた遠藤周作の小説と、この仙台新入ることは自分にとってかけがえのないものです。
もう中年ですが、まだ上達したい気持ちはあるので、されたのが、小径ショット状アノードを使用法の一つ。電炉ダストとコークスを混合して、
ロータ
リーキルン
（回転炉の一種）を用いて加熱し、亜鉛

く、電気を流すとＣｕ２＋が溶け出す前に不純物が粗銅の表面を覆ってしまい、銅が溶け出せない「アノードの不動態化」現象が起こるようになります。

45 TAGEN FOREFRONTTAGEN FOREFRONT 46

FOREFRONT REVIEW

07

かつては亜ヒ酸や防腐剤としての用途があったヒ

小径ショット状アノード電解素。環境規制の強化によってそのような利用が不では、アノードの三次元的可能になってしまった一方、鉱、資源として利用さ形状に着目し、新規技術のれる銅鉱石中のヒ素濃度は増加傾向にある。こ

開発を行っている。

のような環境負荷元素を新しい方法で処理してい

TERM INFORMATION
ファセット状スコロダイト
スコロダイト（FeAsO 4·2H 2O）
は砒酸と酸化鉄でくため、柴田教授は研究を続けている。

構成された化合物の一種。当研究室で取り組んでいる技術により多角形（ファセット）の形状の結晶金属資源循環システムの構築は
個々の包括的な研究で実を結ぶ性の高いスコロダイトの合成が可能。

に酸化。これによりファセット状の単結晶のスコロダイトが合成されます。

オートクレーブ「私たちは反応初期にＦｅ
（Ⅱ）
を主体と

湿式製錬などで、水溶液中の反応を高温･高圧下したゲル状の前駆体が生成され、スコロで行いたい場合に用いられる耐圧反応容器。

ダイト粒子の成長とともに消失していくこと重金属を発見。この前駆体にはＦｅ（Ⅲ）が少量
含まれています。前駆体の形態変化にります。揮発性も高く、高温状態の中で対処法としては、硫酸に粗銅を溶かし鉛など比重が比較的高い金属の総称。

様々な細かい技術を積み上げることにをとして、スコロダイト（ＦｅＡｓＯ４・２Ｈ２Ｏ）

よってスコロダイトが生成されるのであれはすぐに気化するという特徴があります」。

て硫酸銅水溶液をつくり、溶けずに残っ

ウェルツキルン法

よって成り立つ金属資源循環システム。
そ

合成し、保管する方法が挙げられます。

ば、Ｆｅ
（Ⅱ）
とヒ素（Ａｓ（Ⅴ））
を含む溶液中

ところで、鉄スクラップをリサイクルする

た不純物の一部を物理的に除去。その亜鉛を含有した電炉ダストから亜鉛を回収する方のため研究テーマも多岐にわたり、
従来のスコロダイトは鉄とヒ素の酸化物の結

に直接Ｆｅ
（Ⅲ）
を含む化合物であるヘマタ

際に、副次的に亜鉛を含有した電炉ダス

後に電解採取をおこなうことで高純度の非鉄製錬の枠組みを越えてアプローチが晶。元来、結晶の生成にはオートクレー

イトＦｅ２Ｏ３を添加し、反応させることによっトが発生します。電炉ダストは、コークス銅を生産しています。この方法の問題点なされています。

ブによる高温・高圧処理が必要でした。

て、溶液の pH を低下させずにさらに効と混ぜ合わせて１２００℃の高温で加熱すは電力消費量が増加することと、粗銅をしかし高エネルギーを消費することや、析

率的にファセット状のスコロダイトが合成さることにより亜鉛が分離回収されます（ウェ

硫酸に溶かすというプロセスが必要になる出したものが配管にくっついてしまうなどれるのではないかという可能性を導き出し

ルツキルン法）。

ということ。そこで新たな方法として開発問題も多く、これを解決する方法が模索ました」と、柴田教授。これにより、より

このような高温でのプロセスの省エネル

されてきました。

効率的に非鉄製錬のヒ素問題を解決す

ギー化と、廃プラスチックの処理を同時にることができるようになります。

行う試みとして、「電炉ダストに臭素系難従来のアノードは板状で、そのために

燃プロスチックを混合し、加熱することで溶出率が低いという問題がありました。こ発生した臭化水素ガスがダスト中の亜鉛れを複数の小径ショット
（粒状）
にすること

と反応し、６００～７００℃付近で揮発してで、不動態化する前に内部まで溶出がに溶けにくい不純物が多量に含有されている場

金属リサイクルに代表される廃電気・亜鉛が回収されます。さらに熱分解後の進行。安定的にＣｕ２＋を取り出すことがで合、電解液中へ銅の溶出が進んだ際に表面を不電子機器。その外装には、製品を燃えに

プラスチックはカーボンになるため、コーク

きます。またショットの数を増やした場合でくくするための臭素系難燃樹脂が含まれスの代わりになるという点でも資源循環的も電流効率や溶出率は維持されるため、溶出が進まなくなる。

たプラスチックが使用されている場合が多な役割を担うことができます」。

これを利用し大規模な電解も可能になる

スコロダイト合成によるヒ素の安定固定化
ヒ素は原料の中に不純物として含まれていますが、ヒ素を効率的に分離回収しそこで開発されたのが、大気圧化でスコて環境中に溶出しない形に安定化して保ロダイトを合成する方法です。Ｆｅ（Ⅱ）とヒ素

管する決め手の技術とシステムが無い状

（Ａｓ
（Ⅴ）
）
を含む硫酸第一鉄（ＦｅＳＯ４）溶況です。決め手となる技術の候補の一つ

液に酸素ガスを吹き込み、Ｆｅ
（Ⅱ）
をＦｅ
（Ⅲ）

臭素系難燃樹脂の熱分解メカニズム解明と資源化へくあります。そのためリサイクルも容易で系難燃樹脂を燃やした際の熱分解のメカ

小径ショット状アノードを利用した新規電解精製技術の開発

ニズム、及び燃やした際に発生する臭化

非鉄金属製錬の中心である銅製錬の水素ガスによる重金属化合物の臭素化最終工程として、銅の高純度化のために反応を調査・解明しました。「重金属は行っているのが銅の電解精製です。

はありません。そこで研究室では、臭素
スコロダイト結晶の生成・成長機構を解析することで、溶 液を循 環利用する連続方式のスコロダイト合 成プロ
セスを開発を目指す。

臭化水素ガスと反応すると臭化金属にな

本来、電解精製では鉱物資源から製錬されて得られた粗銅をアノード電極とし、自然に溶け込めるサーフィンが、クセになります。
学生の頃からサーフィンを続けていて、今も休日は大抵海に入ります。場所は仙台新港がほとんど。ここは日本で数本の指に入るほど有名で、プロサーファーも多く利用するような場所です。

OFF TIME

種板（カソード）と一緒に硫酸銅水溶液のアノード電極電解液中に電極を二つ挿入して電流を流す場
合、導線を通して対極へ向かって電子が流れ出る側の電極を指す。アノード表面では酸化反応が起こり、例えば銅の電解精製では電解液中への銅の溶出が進行する。

不動態化
例えば銅の電解精製では、銅アノード中に電解液

溶性の不純物（不動態層）が覆い、それ以上銅のと考えられ、将来的なスケールアップを見据えたさらなる研究開発を行っています。

「国内で効率的な金属資源循環システムを実現することは、金属資源循環工学の大きな目標になります。私たちは、非鉄製錬業がこれまで積み上げてきた技術の粋を集め、プロセス技術開発を中心に個々の普遍的なメカニズムをしっかり解明し、包括的な研究を進めています」。

の高い銅をが回収されます。

港でした。仕事とは全く関係のない世界で、時々は身が引き締まるようなコンディションの中で海にに比べて貴金属や不純物の含有量が多魅力のあるスポーツですね。

鉛（不純物を含有した酸化亜鉛）として回収される。

溶け出したＣｕ２＋がカソードに析出し、純度
しかし二次原料の場合、従来の粗銅チャンピオンシップツアーを見て研究したりしています。それくらいハマってしまうほど、サーフィンはした新規電解精製技術です。

を揮発する。揮発した亜鉛は再酸化して粗酸化亜中に入れて電気を流すことで、粗銅から仙台、と聞いてまず思い浮かべたのは、ＭｙＦａｖｏｒｉｔｅでも触れた遠藤周作の小説と、この仙台新入ることは自分にとってかけがえのないものです。
もう中年ですが、まだ上達したい気持ちはあるので、されたのが、小径ショット状アノードを使用法の一つ。電炉ダストとコークスを混合して、
ロータ
リーキルン
（回転炉の一種）を用いて加熱し、亜鉛

く、電気を流すとＣｕ２＋が溶け出す前に不純物が粗銅の表面を覆ってしまい、銅が溶け出せない「アノードの不動態化」現象が起こるようになります。

45 TAGEN FOREFRONTTAGEN FOREFRONT 46

多元物質科学研究所が推進する研究研究室（教授）／研究分野

主な研究テーマ

有機・生命科学研究部門
ナガツギ

永次

フミ

史

生命機能分子合成化学研究分野

研究室（教授）／研究分野

効率的遺伝子発現制御を目指した新規架橋反応の開発
遺伝子選択的化学修飾を目指した低分子プローブの開発
遺伝子高次構造の制御を目指した方法論の開発

サ ト ウ

ノブアキ

佐藤 修彰

エネルギーシステム研究分野

新規核酸医薬開発に向けた方法論の開発
ワ

ダ

タケヒコ

和田 健彦

生命機能制御物質化学研究分野
ケ ン ジ

稲葉 謙次

生体分子構造研究分野

高橋

サトシ

聡

生命分子ダイナミクス研究分野

計測部門

高感度･高時間分解能を有する円二色（CD）スペクトル測定装置の開発

上田

細胞におけるタンパク質品質管理機構の分子基盤の解明

ヒ ロ シ

大谷 博司

計算材料熱力学研究分野

小胞体に張り巡らされたレドックスネットワークの網羅的解析
タンパク質フォールディング機構の解明
人工タンパク質の新デザイン戦略の開発
がん抑制タンパク質p53のDNA認識機構の解明

クラスター法を用いたFe基侵入型合金における原子間相互作用の理論的研究
Fe基磁性材料の電子論的探索法の開発と試作

鈴木

シゲル

茂

機能材料微細制御研究分野

多様な水酸化鉄と酸化鉄の構造解析と制御
酸化物や金属・合金のナノ粒子の合成と評価

サ ト ウ

タク

卓

スピン量子物性研究分野

遍歴電子系、特に鉄系超伝導体における反強磁性と超伝導の研究
低次元フラストレート量子スピン系における巨視的量子現象の研究

キタカミ

オサム

修

ナノスケール磁気デバイス研究分野

電子分子動力学研究分野

原発事故に関わる環境修復および放射性廃棄物の処理・処分に関する研究

単一磁性ナノ粒子の物性・スピンダイナミクス
巨大磁気異方性材料の設計・開発

光電子回折を用いた分子の自己ダイナミックイメージング
分子集合体における分子間電子緩和ダイナミクス
ＦＥＬパルスと物質との相互作用
Ｘ線ＦＥＬパルス用いたダイナミックイメージング

タカハシ

マサヒコ

高橋 正彦

時間分解電子運動量分光の開発による化学反応の電子レベルでの可視化

モ モ セ

Ｘ線干渉光学に基づく高感度計測技術研究

量子電子科学研究分野

百生

アツシ

キ ム ラ

ヒロユキ

敦

量子ビーム計測研究分野

木村 宏之

構造材料物性研究分野

分子座標系電子運動量分光による分子軌道の運動量空間イメージング
多次元同時計測分光の開発による電子・分子衝突の立体ダイナミクスの研究
Ｘ線・中性子位相イメージング技術の開拓
実用化高度Ｘ線位相撮像装置の開発
多重極限下（高圧・極低温・強磁場・高電場）におけるX線・中性子回折手法の開発
強誘電体・磁性体・有機伝導体・高温超伝導体などの新奇機能性物質の構造物性研究
超精密X線単結晶構造解析による遷移金属酸化物の価電子の可視化
中性子回折装置とその応用法の開発（JAEA東海研究用原子炉にあるFONDERと2D-PSD）

クリハラ

カ ズ エ

栗原 和枝

ナノ界面化学研究分野

表面力測定による分子間・表面間の相互作用の研究
固ー液界面、閉じ込め空間の液体の研究
ナノトライボロジー
電気化学表面力装置による電気化学反応の研究

タカクワ

ユ ウ ジ

髙桑 雄二

表面物理プロセス研究分野

トポロジカルスピンテクスチャーのスローダイナミクス研究
中性子非弾性散乱分光法および解析法の開発

北上

潔

形状記憶効果などの特異な変形挙動を示す各種合金の構造評価
放射光を用いた機能性化合物中の金属の酸化還元挙動の解析

佐藤

キヨシ

金属固溶体や液体、粒界、積層欠陥などの熱力学物性の電子論計算
不純物を効率的に除去できるプロセスを用いた高純度金属の作製

ス ズ キ

ウ エ ダ

タンパク質の高次構造形成に関わるジスルフィド結合形成酵素群のX線結晶構造解析

無機材料研究部門
オオタニ

核燃料サイクルにおけるフロントおよびバックエンド化学の研究
放射性物質を含むレアメタル資源のグリーンプロセス開発

生体高分子を不斉反応場とする環境調和型光不斉光化学反応反応系の創製

細胞内カルシウム恒常性維持機構の構造基盤の確立
タカハシ

アクチノイド化合物の固体および溶液化学の研究

がん細胞特異的核酸医薬の開発

酵素活性などの細胞内in situ&in vivo検出系構築に向けた分割型蛍光タンパク質システムの開発
イ ナ バ

主な研究テーマ

プロセスシステム工学研究部門（つづき）

リアルタイム光電子分光による表面反応キネティクスの研究
ストリークカメラ反射高速電子回折による表面構造ダイナミクスの研究
光電子制御プラズマによるナノ炭素材料合成プロセスの開発
CMOSゲートスタックの極薄誘電体膜形成機構の解明

チ チ ブ

シゲフサ

秩父 重英

量子光エレクトロニクス研究分野（Al,In,Ga）Nおよび（Mg,Zn）O系ワイドバンドギャップ半導体を用い新規なコヒーレント光源の研究
フェムト秒レーザおよびフェムト秒電子線を用いた半導体量子ナノ構造の時間空間分解スペクトロスコピー
有機金属化学気相エピタキシーおよび分子線エピタキシーによる量子 ナノ構造形成と深紫外線発光デバイス形成（Mg,Zn）O系酸化物半導体のヘリコン波励起プラズマスパッタエピタキシーと機能性酸化物薄膜形成

新規超高密度磁性メモリー技術の提案・開発
永久磁石の保磁力決定機構

ヨコヤマ

チ ア キ

横山 千昭

超臨界流体・反応研究分野

アモノサーマル法による窒化物半導体結晶の作製

サステナブル理工学研究センター

超臨界アンモニア中への窒化物半導体の溶解度

本間

イオン液体と超臨界二酸化炭素を用いた化学プロセスの開発
糖類からの有用化学原料製造プロセスの開発

フクヤマ

ヒロユキ

福山 博之

高温材料物理化学研究分野

ホ ン マ

イタル

格

エネルギーデバイス化学研究分野

高温化学反応場における機能材料プロセスの創製
窒化物半導体結晶成長の物理化学とプロセス創製
高温融体の高精度熱物性計測システムの開発と高温融体の科学
強磁場形状記憶合金の薄膜化とマイクロアクチュエータの開発

次世代リチウムイオン電池・高容量キャパシタ
グラフェン量産化技術
太陽電池化合物半導体薄膜の安価大面積プロセス開発
ナノテクノロジーの資源エネルギー技術への応用技術開発

アメザワ

コ ウ ジ

雨澤 浩史

固体イオニクス・デバイス研究分野

固体酸化物形燃料電池／リチウムイオン二次電池の高性能化・高信頼性化
電気化学エネルギー変換用デバイス・材料評価のための高度その場分析技術の開発
ヘテロ界面における電気化学現象に関する基礎研究
新規固体イオニクス材料の設計と創製

プロセスシステム工学研究部門
キタムラ

シ ン ヤ

北村 信也

基盤素材プロセッシング研究分野
カ ノ ウ

ジュンヤ

加納 純也

機能性粉体プロセス研究分野
ア ジ リ

タダフミ

阿尻 雅文

超臨界ナノ工学研究分野

カワムラ

製鋼スラグを利用した津波で被災した田園地帯の復興
反応界面積の極大化による超高速精錬プロセスの追求

サ ト ウ

シュンイチ

光物質科学研究分野

コンピュータシミュレーションによる粉体プロセスの最適化
メカノケミカル法による機能性粉体の創成と希少金属の回収
バイオマスおよび樹脂廃棄物からの水素製造プロセスの創成

ア ツ シ

村松 淳司

ハイブリッドナノ粒子研究分野

固体イオン物理研究部門

超ハイブリッドナノ粒子系の科学
超臨界法による結晶面制御・メソポーラスナノ触媒の創製

埜上

ヒロシ

洋

環境適合素材プロセス研究分野

ベクトルビームの開発と新分野への応用技術開発
有機−無機ハイブリッドナノ粒子の合成

固体電解質を用いた全固体薄膜電池の研究
素材製造プロセスの多相反応シミュレーション技術
新規エネルギー変換・貯蔵・回収プロセスの開発
反応・伝熱高効率化のための境膜制御技術開発
高温混相流動系内の物質の変形と相変化

シ バ タ

ヒロユキ

柴田 浩幸

材料分離プロセス研究分野

高強度光の場における物質変換・ナノ合金粒子合成プロセス
新奇レーザーナノプロセス開発

核磁気共鳴法による革新電池の高度解析技術開発
リチウムイオン電池のin situ劣化診断技術の開発
超イオン伝導体・ガラス・過冷却液体のイオンダイナミクス

ノ ガ ミ

超臨界ナノ粒子連続合成プロセスの開発

ベクトルレーザービームを用いたナノイメージング
ムラマツ

河村 純一

鉄鋼副産物からの有価金属元素の高純度分離回収

数学との連携による構造化・機能性ナノ材料の設計基盤の確立

佐藤 俊一

ジュンイチ

溶融ケイ酸塩の熱物性と構造
Fe基合金における包晶反応・変態の速度論
レアメタルのリサイクルに関わる溶融塩の構造と物性
難燃性マグネシウム合金空気電池を用いた非常用電源開発

シ バ タ

エツロウ

柴田 悦郎

金属資源循環システム研究分野

鉱物資源、二次原料ならびに製錬副産物の資源化処理・製錬技術の開発
砒素の安定固定化に向けたスコロダイト結晶の生成機構の解明と合成プロセスの構築
銅スラグからのマグネタイト析出と分離による鉄源化プロセス
高貴金属・不純物含有銅アノードの電解精製技術の開発

シングルナノサイズ金属粒子の合成と機能性材料への応用
部分硫化による可視光応答性光触媒材料の開発
液相還元法による新規触媒材料

47 TAGEN FOREFRONTTAGEN FOREFRONT 48

多元物質科学研究所が推進する研究研究室（教授）／研究分野

主な研究テーマ

有機・生命科学研究部門
ナガツギ

永次

フミ

史

生命機能分子合成化学研究分野

研究室（教授）／研究分野

効率的遺伝子発現制御を目指した新規架橋反応の開発
遺伝子選択的化学修飾を目指した低分子プローブの開発
遺伝子高次構造の制御を目指した方法論の開発

サ ト ウ

ノブアキ

佐藤 修彰

エネルギーシステム研究分野

新規核酸医薬開発に向けた方法論の開発
ワ

ダ

タケヒコ

和田 健彦

生命機能制御物質化学研究分野
ケ ン ジ

稲葉 謙次

生体分子構造研究分野

高橋

サトシ

聡

生命分子ダイナミクス研究分野

計測部門

高感度･高時間分解能を有する円二色（CD）スペクトル測定装置の開発

上田

細胞におけるタンパク質品質管理機構の分子基盤の解明

ヒ ロ シ

大谷 博司

計算材料熱力学研究分野

小胞体に張り巡らされたレドックスネットワークの網羅的解析
タンパク質フォールディング機構の解明
人工タンパク質の新デザイン戦略の開発
がん抑制タンパク質p53のDNA認識機構の解明

クラスター法を用いたFe基侵入型合金における原子間相互作用の理論的研究
Fe基磁性材料の電子論的探索法の開発と試作

鈴木

シゲル

茂

機能材料微細制御研究分野

多様な水酸化鉄と酸化鉄の構造解析と制御
酸化物や金属・合金のナノ粒子の合成と評価

サ ト ウ

タク

卓

スピン量子物性研究分野

遍歴電子系、特に鉄系超伝導体における反強磁性と超伝導の研究
低次元フラストレート量子スピン系における巨視的量子現象の研究

キタカミ

オサム

修

ナノスケール磁気デバイス研究分野

電子分子動力学研究分野

原発事故に関わる環境修復および放射性廃棄物の処理・処分に関する研究

単一磁性ナノ粒子の物性・スピンダイナミクス
巨大磁気異方性材料の設計・開発

光電子回折を用いた分子の自己ダイナミックイメージング
分子集合体における分子間電子緩和ダイナミクス
ＦＥＬパルスと物質との相互作用
Ｘ線ＦＥＬパルス用いたダイナミックイメージング

タカハシ

マサヒコ

高橋 正彦

時間分解電子運動量分光の開発による化学反応の電子レベルでの可視化

モ モ セ

Ｘ線干渉光学に基づく高感度計測技術研究

量子電子科学研究分野

百生

アツシ

キ ム ラ

ヒロユキ

敦

量子ビーム計測研究分野

木村 宏之

構造材料物性研究分野

分子座標系電子運動量分光による分子軌道の運動量空間イメージング
多次元同時計測分光の開発による電子・分子衝突の立体ダイナミクスの研究
Ｘ線・中性子位相イメージング技術の開拓
実用化高度Ｘ線位相撮像装置の開発
多重極限下（高圧・極低温・強磁場・高電場）におけるX線・中性子回折手法の開発
強誘電体・磁性体・有機伝導体・高温超伝導体などの新奇機能性物質の構造物性研究
超精密X線単結晶構造解析による遷移金属酸化物の価電子の可視化
中性子回折装置とその応用法の開発（JAEA東海研究用原子炉にあるFONDERと2D-PSD）

クリハラ

カ ズ エ

栗原 和枝

ナノ界面化学研究分野

表面力測定による分子間・表面間の相互作用の研究
固ー液界面、閉じ込め空間の液体の研究
ナノトライボロジー
電気化学表面力装置による電気化学反応の研究

タカクワ

ユ ウ ジ

髙桑 雄二

表面物理プロセス研究分野

トポロジカルスピンテクスチャーのスローダイナミクス研究
中性子非弾性散乱分光法および解析法の開発

北上

潔

形状記憶効果などの特異な変形挙動を示す各種合金の構造評価
放射光を用いた機能性化合物中の金属の酸化還元挙動の解析

佐藤

キヨシ

金属固溶体や液体、粒界、積層欠陥などの熱力学物性の電子論計算
不純物を効率的に除去できるプロセスを用いた高純度金属の作製

ス ズ キ

ウ エ ダ

タンパク質の高次構造形成に関わるジスルフィド結合形成酵素群のX線結晶構造解析

無機材料研究部門
オオタニ

核燃料サイクルにおけるフロントおよびバックエンド化学の研究
放射性物質を含むレアメタル資源のグリーンプロセス開発

生体高分子を不斉反応場とする環境調和型光不斉光化学反応反応系の創製

細胞内カルシウム恒常性維持機構の構造基盤の確立
タカハシ

アクチノイド化合物の固体および溶液化学の研究

がん細胞特異的核酸医薬の開発

酵素活性などの細胞内in situ&in vivo検出系構築に向けた分割型蛍光タンパク質システムの開発
イ ナ バ

主な研究テーマ

プロセスシステム工学研究部門（つづき）

リアルタイム光電子分光による表面反応キネティクスの研究
ストリークカメラ反射高速電子回折による表面構造ダイナミクスの研究
光電子制御プラズマによるナノ炭素材料合成プロセスの開発
CMOSゲートスタックの極薄誘電体膜形成機構の解明

チ チ ブ

シゲフサ

秩父 重英

量子光エレクトロニクス研究分野（Al,In,Ga）Nおよび（Mg,Zn）O系ワイドバンドギャップ半導体を用い新規なコヒーレント光源の研究
フェムト秒レーザおよびフェムト秒電子線を用いた半導体量子ナノ構造の時間空間分解スペクトロスコピー
有機金属化学気相エピタキシーおよび分子線エピタキシーによる量子 ナノ構造形成と深紫外線発光デバイス形成（Mg,Zn）O系酸化物半導体のヘリコン波励起プラズマスパッタエピタキシーと機能性酸化物薄膜形成

新規超高密度磁性メモリー技術の提案・開発
永久磁石の保磁力決定機構

ヨコヤマ

チ ア キ

横山 千昭

超臨界流体・反応研究分野

アモノサーマル法による窒化物半導体結晶の作製

サステナブル理工学研究センター

超臨界アンモニア中への窒化物半導体の溶解度

本間

イオン液体と超臨界二酸化炭素を用いた化学プロセスの開発
糖類からの有用化学原料製造プロセスの開発

フクヤマ

ヒロユキ

福山 博之

高温材料物理化学研究分野

ホ ン マ

イタル

格

エネルギーデバイス化学研究分野

高温化学反応場における機能材料プロセスの創製
窒化物半導体結晶成長の物理化学とプロセス創製
高温融体の高精度熱物性計測システムの開発と高温融体の科学
強磁場形状記憶合金の薄膜化とマイクロアクチュエータの開発

次世代リチウムイオン電池・高容量キャパシタ
グラフェン量産化技術
太陽電池化合物半導体薄膜の安価大面積プロセス開発
ナノテクノロジーの資源エネルギー技術への応用技術開発

アメザワ

コ ウ ジ

雨澤 浩史

固体イオニクス・デバイス研究分野

固体酸化物形燃料電池／リチウムイオン二次電池の高性能化・高信頼性化
電気化学エネルギー変換用デバイス・材料評価のための高度その場分析技術の開発
ヘテロ界面における電気化学現象に関する基礎研究
新規固体イオニクス材料の設計と創製

プロセスシステム工学研究部門
キタムラ

シ ン ヤ

北村 信也

基盤素材プロセッシング研究分野
カ ノ ウ

ジュンヤ

加納 純也

機能性粉体プロセス研究分野
ア ジ リ

タダフミ

阿尻 雅文

超臨界ナノ工学研究分野

カワムラ

製鋼スラグを利用した津波で被災した田園地帯の復興
反応界面積の極大化による超高速精錬プロセスの追求

サ ト ウ

シュンイチ

光物質科学研究分野

コンピュータシミュレーションによる粉体プロセスの最適化
メカノケミカル法による機能性粉体の創成と希少金属の回収
バイオマスおよび樹脂廃棄物からの水素製造プロセスの創成

ア ツ シ

村松 淳司

ハイブリッドナノ粒子研究分野

固体イオン物理研究部門

超ハイブリッドナノ粒子系の科学
超臨界法による結晶面制御・メソポーラスナノ触媒の創製

埜上

ヒロシ

洋

環境適合素材プロセス研究分野

ベクトルビームの開発と新分野への応用技術開発
有機−無機ハイブリッドナノ粒子の合成

固体電解質を用いた全固体薄膜電池の研究
素材製造プロセスの多相反応シミュレーション技術
新規エネルギー変換・貯蔵・回収プロセスの開発
反応・伝熱高効率化のための境膜制御技術開発
高温混相流動系内の物質の変形と相変化

シ バ タ

ヒロユキ

柴田 浩幸

材料分離プロセス研究分野

高強度光の場における物質変換・ナノ合金粒子合成プロセス
新奇レーザーナノプロセス開発

核磁気共鳴法による革新電池の高度解析技術開発
リチウムイオン電池のin situ劣化診断技術の開発
超イオン伝導体・ガラス・過冷却液体のイオンダイナミクス

ノ ガ ミ

超臨界ナノ粒子連続合成プロセスの開発

ベクトルレーザービームを用いたナノイメージング
ムラマツ

河村 純一

鉄鋼副産物からの有価金属元素の高純度分離回収

数学との連携による構造化・機能性ナノ材料の設計基盤の確立

佐藤 俊一

ジュンイチ

溶融ケイ酸塩の熱物性と構造
Fe基合金における包晶反応・変態の速度論
レアメタルのリサイクルに関わる溶融塩の構造と物性
難燃性マグネシウム合金空気電池を用いた非常用電源開発

シ バ タ

エツロウ

柴田 悦郎

金属資源循環システム研究分野

鉱物資源、二次原料ならびに製錬副産物の資源化処理・製錬技術の開発
砒素の安定固定化に向けたスコロダイト結晶の生成機構の解明と合成プロセスの構築
銅スラグからのマグネタイト析出と分離による鉄源化プロセス
高貴金属・不純物含有銅アノードの電解精製技術の開発

シングルナノサイズ金属粒子の合成と機能性材料への応用
部分硫化による可視光応答性光触媒材料の開発
液相還元法による新規触媒材料

47 TAGEN FOREFRONTTAGEN FOREFRONT 48

多元物質科学研究所が推進する研究研究室（教授）／研究分野

TAGEN FOREFRONT 07

主な研究テーマ

先端計測開発センター
テラウチ

マ サ ミ

寺内 正己

電子回折・分光計測研究分野
シンドウ

ダイスケ

進藤 大輔

電子線干渉計測研究分野

高分解能EELSによるナノマテリアルの光学物性評価法の開発と応用
分光収束電子回折法によるナノ領域の精密結晶構造解析法の開発と応用
ナノスケール軟Ｘ線発光分析システムの開発と材料研究への応用
電子線ホログラフィーによるナノスケール電磁場計測の高精度化
電磁場制御と伝導性評価のための電顕内探針操作技術の開発
電場解析による帯電・電子放出機構の解明
先端磁性材料、高温超伝導体、強相関電子系新物質の磁束イメージング

コ メ ダ

タダヒロ

米田 忠弘

走査プローブ計測技術研究分野
タ カ タ

マ サ キ

高田 昌樹

放射光ナノ構造可視化研究分野

走査プローブ顕微鏡の高度化により、原子レベルで物質を化学分析できる顕微鏡の開発
電子が持つスピンをより明確に可視化し、操作する技術の開発
省エネルギーと量子コンピューター等の高度情報処理の両方から期待される、分子を 材料とし、スピンを利用するエレクトロニクス＝分子スピントロニクスの開発

マ サ ヤ

三ツ石 方也高分子ハイブリッドナノ材料研究分野
オイカワ

ヒデトシ

及川 英俊

有機ハイブリッドナノ結晶材料研究分野

ＴＡＧＥＮ ＦＯＲＥＦＲＯＮＴ第７号。これで４９名の教授を紹介してきました。多元

広報委員会
委員長

加納 純也
高橋

聡

米田 忠弘

研の教授定員は４８名なので一回りした

雨澤 浩史

X線回折データによる物質中の精密電子密度解析法の開発計算です。第１号以来、多くの若い先生方

マキシマムエントロピー法による静電ポテンシャル解析法の開発が赴任され、益々活気あふれる研究所に

蟹江 澄志

物質機能を可視化する放射光構造科学の構築

高分子ハイブリット材料研究開発センター
ミ ツ イ シ編集
後記

高分子ハイブリッドナノ材料の開発

なってきました。そんな賑わいが紙面から

篠田 弘造

良くわかるような構成になっていますの矢代

高分子ナノ材料の配向・配列構造制御技術の開発

で、改めて、是非１～７号までお読みいた

高分子ハイブリッドナノ構造を利用した光電子機能発現だければ、と思います。次の８号発行に向高分子ハイブリッドナノ材料からなるソフト系表面・界面の特性解明

けて、準備を進めたいと思います。
（A.M）

新規有機ナノ結晶（フォトクロミックナノ結晶、錯体ナノ結晶、デンドリマーナノ粒子など）の創出と物性評価

航

丸岡 伸洋

次世代フォトニック材料を目指した有機ハイブリッドナノ結晶の集積・階層化プロセスの構築と光機能発現
多孔質および逆オパール周期構造を有する高分子薄膜の作製と光・電子（誘電）特性
生理活性物質のナノ結晶粒子化とナノ純薬の創製

キョウタニ

京谷

タカシ

隆

ハイブリッド炭素ナノ材料研究分野

均一なナノ空間を反応場としたハイブリッドナノカーボンの合成
ナノカーボン材料および複合材料を用いたエネルギー貯蔵デバイスの開発
炭素被覆メソポーラス構造体を用いたバイオ燃料電池の開発
実用炭素材料の超精密分析とそれによる性能向上

アクタガワ

トモユキ

芥川 智行

ハイブリッド材料創製研究分野

多重機能を有する分子性材料の創成
有機強誘電体薄膜メモリーの開発
n型有機半導体材料の開発
有機−無機ハイブリッド型ポリオキサメタレートの材料化

ナカガワ

中川

マサル

勝

光機能材料化学研究分野
ジンナイ

ヒ ロ シ

陣内 浩司

自己組織化高分子材料研究分野

ナノインプリントリソグラフィに資する光硬化性樹脂とレジスト材料の開発
孔版印刷塗布、エッチング、気相化学逐次堆積、アライメント、積層等のリソグラフィプロセスの開発
極限ナノ造形・構造物性の研究
相分離構造を有する高分子微粒子の自己組織化的作製と構造制御
結露した水滴を鋳型として形成されるハニカム状多孔質膜の作製技術開発
電子線トモグラフィによる高分子ハイブリッド材料の３次元観察と解析
ソフトマテリアルに対する電子顕微鏡観察技術の開発

新機能無機物質探索研究センター
ヤ マ ネ

ヒサノリ

山根 久典

無機固体材料合成研究分野
サイ

蔡

アンポウ

安邦

金属機能設計研究分野

多元系酸化物や窒化物の新規物質探索と構造解析および結晶化学的研究
活性金属を利用した非酸化物系セラミックスの新規合成プロセスの開拓
ナトリウムを用いた金属間化合物の低温合成と構造解析および特性評価
準結晶の創製と高比強度Mg材料への応用
準結晶の構造解析と数理モデル
金属組織制御による触媒の調製
価電子構造制御による新触媒の探索

サ ト ウ

ツ ギ オ

佐藤 次雄

環境無機材料化学研究分野

ソルボサーマル反応によるセラミックスのパノスコピック形態制御と環境調和機能
可視光応答性光触媒の合成と環境浄化機能
無機紫外線・赤外線遮蔽剤の開発
革新的自動車排ガス浄化触媒の開発

カキハナ

マ サ ト

垣花 眞人

無機材料創製プロセス研究分野

49 TAGEN FOREFRONT

白色LEDへの応用を目指した高機能な新規蛍光体の開発
太陽光エネルギー変換を目指した新規光触媒の構築
金属錯体をビルディングブロックとして利用した特異構造の金属酸化物および無機ー有機ハイブリッドの創製■編集・発行

取材を終えて

国立大学法人東北大学
多元物質科学研究所 広報委員会〒980-8577
宮城県仙台市青葉区片平2丁目1番1号
TEL 022-217-5204
FAX 022-217-5211
www.tagen.tohoku.ac.jp
2016年2月17日発行

取材で先生方とお話をして思うことは、学会に、共同研究に、本当によく海外に行ってらっしゃ
るな、ということ。最先端の研究というものが、日本国内だけでクローズしてできるものではなく、広く世界とつながってこそできるものなんだ、と改めて痛感している今日この頃です。
そんな世界を飛び周り活躍されている先生方のぎっしりのスケジュールの合間を縫って取材させていただいているこの冊子。海外の人にも読んでいただけるようになればなーなどと、思っています。

TAGEN FOREFRONT 50

多元物質科学研究所が推進する研究研究室（教授）／研究分野

TAGEN FOREFRONT 07

主な研究テーマ

先端計測開発センター
テラウチ

マ サ ミ

寺内 正己

電子回折・分光計測研究分野
シンドウ

ダイスケ

進藤 大輔

電子線干渉計測研究分野

高分解能EELSによるナノマテリアルの光学物性評価法の開発と応用
分光収束電子回折法によるナノ領域の精密結晶構造解析法の開発と応用
ナノスケール軟Ｘ線発光分析システムの開発と材料研究への応用
電子線ホログラフィーによるナノスケール電磁場計測の高精度化
電磁場制御と伝導性評価のための電顕内探針操作技術の開発
電場解析による帯電・電子放出機構の解明
先端磁性材料、高温超伝導体、強相関電子系新物質の磁束イメージング

コ メ ダ

タダヒロ

米田 忠弘

走査プローブ計測技術研究分野
タ カ タ

マ サ キ

高田 昌樹

放射光ナノ構造可視化研究分野

走査プローブ顕微鏡の高度化により、原子レベルで物質を化学分析できる顕微鏡の開発
電子が持つスピンをより明確に可視化し、操作する技術の開発
省エネルギーと量子コンピューター等の高度情報処理の両方から期待される、分子を 材料とし、スピンを利用するエレクトロニクス＝分子スピントロニクスの開発

マ サ ヤ

三ツ石 方也高分子ハイブリッドナノ材料研究分野
オイカワ

ヒデトシ

及川 英俊

有機ハイブリッドナノ結晶材料研究分野

ＴＡＧＥＮ ＦＯＲＥＦＲＯＮＴ第７号。これで４９名の教授を紹介してきました。多元

広報委員会
委員長

加納 純也
高橋

聡

米田 忠弘

研の教授定員は４８名なので一回りした

雨澤 浩史

X線回折データによる物質中の精密電子密度解析法の開発計算です。第１号以来、多くの若い先生方

マキシマムエントロピー法による静電ポテンシャル解析法の開発が赴任され、益々活気あふれる研究所に

蟹江 澄志

物質機能を可視化する放射光構造科学の構築

高分子ハイブリット材料研究開発センター
ミ ツ イ シ編集
後記

高分子ハイブリッドナノ材料の開発

なってきました。そんな賑わいが紙面から

篠田 弘造

良くわかるような構成になっていますの矢代

高分子ナノ材料の配向・配列構造制御技術の開発

で、改めて、是非１～７号までお読みいた

高分子ハイブリッドナノ構造を利用した光電子機能発現だければ、と思います。次の８号発行に向高分子ハイブリッドナノ材料からなるソフト系表面・界面の特性解明

けて、準備を進めたいと思います。
（A.M）

新規有機ナノ結晶（フォトクロミックナノ結晶、錯体ナノ結晶、デンドリマーナノ粒子など）の創出と物性評価

航

丸岡 伸洋

次世代フォトニック材料を目指した有機ハイブリッドナノ結晶の集積・階層化プロセスの構築と光機能発現
多孔質および逆オパール周期構造を有する高分子薄膜の作製と光・電子（誘電）特性
生理活性物質のナノ結晶粒子化とナノ純薬の創製

キョウタニ

京谷

タカシ

隆

ハイブリッド炭素ナノ材料研究分野

均一なナノ空間を反応場としたハイブリッドナノカーボンの合成
ナノカーボン材料および複合材料を用いたエネルギー貯蔵デバイスの開発
炭素被覆メソポーラス構造体を用いたバイオ燃料電池の開発
実用炭素材料の超精密分析とそれによる性能向上

アクタガワ

トモユキ

芥川 智行

ハイブリッド材料創製研究分野

多重機能を有する分子性材料の創成
有機強誘電体薄膜メモリーの開発
n型有機半導体材料の開発
有機−無機ハイブリッド型ポリオキサメタレートの材料化

ナカガワ

中川

マサル

勝

光機能材料化学研究分野
ジンナイ

ヒ ロ シ

陣内 浩司

自己組織化高分子材料研究分野

ナノインプリントリソグラフィに資する光硬化性樹脂とレジスト材料の開発
孔版印刷塗布、エッチング、気相化学逐次堆積、アライメント、積層等のリソグラフィプロセスの開発
極限ナノ造形・構造物性の研究
相分離構造を有する高分子微粒子の自己組織化的作製と構造制御
結露した水滴を鋳型として形成されるハニカム状多孔質膜の作製技術開発
電子線トモグラフィによる高分子ハイブリッド材料の３次元観察と解析
ソフトマテリアルに対する電子顕微鏡観察技術の開発

新機能無機物質探索研究センター
ヤ マ ネ

ヒサノリ

山根 久典

無機固体材料合成研究分野
サイ

蔡

アンポウ

安邦

金属機能設計研究分野

多元系酸化物や窒化物の新規物質探索と構造解析および結晶化学的研究
活性金属を利用した非酸化物系セラミックスの新規合成プロセスの開拓
ナトリウムを用いた金属間化合物の低温合成と構造解析および特性評価
準結晶の創製と高比強度Mg材料への応用
準結晶の構造解析と数理モデル
金属組織制御による触媒の調製
価電子構造制御による新触媒の探索

サ ト ウ

ツ ギ オ

佐藤 次雄

環境無機材料化学研究分野

ソルボサーマル反応によるセラミックスのパノスコピック形態制御と環境調和機能
可視光応答性光触媒の合成と環境浄化機能
無機紫外線・赤外線遮蔽剤の開発
革新的自動車排ガス浄化触媒の開発

カキハナ

マ サ ト

垣花 眞人

無機材料創製プロセス研究分野

49 TAGEN FOREFRONT

白色LEDへの応用を目指した高機能な新規蛍光体の開発
太陽光エネルギー変換を目指した新規光触媒の構築
金属錯体をビルディングブロックとして利用した特異構造の金属酸化物および無機ー有機ハイブリッドの創製■編集・発行

取材を終えて

国立大学法人東北大学
多元物質科学研究所 広報委員会〒980-8577
宮城県仙台市青葉区片平2丁目1番1号
TEL 022-217-5204
FAX 022-217-5211
www.tagen.tohoku.ac.jp
2016年2月17日発行

取材で先生方とお話をして思うことは、学会に、共同研究に、本当によく海外に行ってらっしゃ
るな、ということ。最先端の研究というものが、日本国内だけでクローズしてできるものではなく、広く世界とつながってこそできるものなんだ、と改めて痛感している今日この頃です。
そんな世界を飛び周り活躍されている先生方のぎっしりのスケジュールの合間を縫って取材させていただいているこの冊子。海外の人にも読んでいただけるようになればなーなどと、思っています。

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