特異構造金属・無機融合高機能材料開発共同研究プロジェクト （文部科学省6大学6研究所） 6大学連携プロジェクト 連絡先 早稲田大学［ナノ理工学研究機構］ 兼 東北大学金属材料研究所東京分室 特異構造金属・無機融合高機能材料開発 共同研究プロジェクト拠点 〒162-0041 東京都新宿区早稲田鶴巻町513番地 早稲田大学研究開発センター120-5号館 早稲田大学ナノ理工学研究機構 ナノテクノロジー研究所 Tel：03-5286-9068 Fax：03-5286-9076 e-mail：ntrc-offi[email protected] URL http://www.all-nano.waseda.ac.jp/6daigakurenkei/ 特異構造金属・無機融合高機能材料開発 共同研究プロジェクト拠点 08 2014. 4 0 . l Vo No.1 東北大学 金属材料研究所 東北大学［片平キャンパス］ 〒980-8577 宮城県仙台市青葉区片平2-1-1 URL http://www.imr.tohoku.ac.jp/ 6大 学連 携 東京工業大学 応用セラミックス研究所 プロジェク トについて … ……… …………… … 東京工業大学［すずかけ台キャンパス］ ６大学連携プロジ ェクトへの期待 〒226-8503 横浜市緑区長津田町4259 URL http://www.msl.titech.ac.jp/index.html 大阪大学 接合科学研究所 …………………… …………………… ……… ……………… …………………… 果 …… プロジェクトの成 大阪大学［吹田キャンパス］ 平成 26 年度 行事リスト 〒567-0047 大阪府茨木市美穂ヶ丘11-1 URL http://www.jwri.osaka-u.ac.jp/index.jsp 国際会議 の 名古屋大学 エコトピア科学研究所 名古屋大学［東山キャンパス］ 案内 01 02-04 …… ……………………………………… …………… …………… …………… …………… … 01 05 05 平成26年度6大学連携プロジ ェクト研究課題 ……………………………… 06 〒464-8603 名古屋市千種区不老町 URL http://www.esi.nagoya-u.ac.jp/ 東京医科歯科大学 生体材料工学研究所 東京医科歯科大学［駿河台地区］ 〒101-0062 東京都千代田区神田駿河台2-3-10 URL http://www.tmd.ac.jp/i-mde/www/index.html 早稲田大学 ナノ理工学研究機構 早稲田大学［早稲田キャンパス］ 〒162-0041 東京都新宿区早稲田鶴巻町513 早稲田大学研究開発センター120-5号館 URL http://www.all-nano.waseda.ac.jp/nano/index.htm 特異構造金属・無機融合高機能材料開発 共同研究プロジェクト拠点 2014 年 8 月 発行 東北大学 ６ 大 学 連 携 プ ロ ジ ェ クト に つ い て 生体・医療材料 特異構造金属・無機融合高機能材料開発プロジェクト（6 大連携プロジェクト）は、東北 大学金属材料研究所、東京工業大学応用セラミックス研究所、大阪大学接合科学研究所、 名古屋大学エコトピア科学研究所、早稲田大学ナノ理工研究機構及び東京医科歯科大学生 体材料研究所が設置目的も研究土壌も異なる各研究所が高機能材料の開発という目標に向 かって事業を進めてきました。平成 22 年度より開始した本プロジェクトもすでに5 年目を迎 え、今後の展開を見据えたうえで作業を進めていく大事な時期となります。今後は、既に出 口が見えているものを中心に研究テーマの取捨選択と集中を行い、一般社会に向けて成果 のアピールを行っていくことが重要です。早稲田大学の研究教育活動レベルの向上の一環 として６大学連携プロジェクトを発展させる努力を引き続き重ねてまいります。 本ニュースレターは各大学研究所における研究成果のうち代表的なものを掲載しています が、掲載記事からも各大学間の共同研究を通じた社会へのアウトプットに対する期待が読み 取れると思います。産業界へ発信可能とする実用化研究に向け、本事業後半の成果に期待 していただければ幸いです。 早稲田大学 ナノ理工学研究機構 機構長 逢坂 哲彌 6大学連携プロジェクト 高強度と高延性を兼備した 低磁化率生体用Zr-Cr合金の開発 東北大学金属材料研究所は、六大学連携プロジェクトに おける種々の新材料の創製を行っている。H25年度には、 生体用Zr-Cr合金の研究開発を東京医科歯科大学と共同 で進めた。ZrにCrを添加すると強度が劇的に上昇したが延 性は低下した （図 1a）。一方、Zr-(0.5-1)CrにNを微量添 加すると高延性を維持しながら強度が上昇することを見出 した （図 1b,c）。また、 Zr-Cr合金へ の適切な量のN添加は磁化の低減 にも有効であることが分かった。 今後も引き続き、実用化を目指した研究開発を推進する ことを計画している。 6 大 学 連 携 プ ロ ジ ェ クト へ の 期 待 1 高度成長期を経て成熟期に移行したと言われて久しいわが国の産業体制は、安定した産 業基盤を確保出来たとも思われるが、一方新興国から安価製品が溢れオリジナル技術が容 易に流出する時代になったとも言えます。資源の乏しい我国が今後とも技術立国であり続け るためには、新しい技術の有機的な統合による新技術の構築を迅速に行い、常に前を走り 続ける事が必要です。またこれは、高齢化、エネルギー問題を代表とする我国を取巻く環 境と将来の有るべき姿に対し有効な対策を取る目的でも非常に重要であると考えます。 異なった専門分野の研究機関が、専門とする知識・技術・人的資源を有機的かつ効率的 に活用した“六大学連携プロジェクト”の主要材料開発分野と材料応用分野の開発は、まさ に我国が抱える課題を解決しようとするプロジェクトであり、産業界へ与える影響は非常に 大きいと言えます。一方では、積極的に展開されている研究内容の目標・進捗管理・達成度・ 実用化への可能性など評価の明確化も研究価値の向上には必要と考えます。 多くの成果を如何に産業界に発信かつ認知させ、速やかに実用化へ向けた研究開発段階 へ移行出来るかが今後の鍵を握ると考えます。 六大学連携プロジェクトの今後の活躍に大いに期待いたします。 JFEスチール株式会社 スチール研究所 研究技監 吉武 明英 特異構造金属・無機融合高機能材料開発 共同プロジェクト 6研究所連携 集積回路 東北大金研 圧電体 早大ナノ機構 エレクトロニクス 材料 東工大応セラ研 東医歯大生体材研 特異構造 無機材料 阪大接合研 名大エコ研 接合界面 制御材料 3研究所連携 特異構造材料科学と接合科学で 芽吹いた応用3分野 基礎から応用、 応用から実用化へ 人工関節 特異構造 金属材料 エレクトロニクス 材料開発 トランジスタ 培養 生体・医療 材料 プロジェクトの成果 エレクトロニクス材料 ナノポーラス構造を利用した 微細接合技術の構築 低炭素社会の実現には、電気自動車などの電力変換に用 いるパワーデバイスや、太陽電池などのエネルギーデバイ スの性能向上が鍵となっており、デバイスを構成する半導 体素子の向上だけでなく、接合技術なども含めたデバイス 内の各要素技術の高度化も不可欠となっています。そこで、 大阪大学・接合科学研究所の西川准教授（スマートグリーン プロセス学分野）のグループは、早稲田大学・ナノ理工学研 究機構の齋藤教授・水野教授らとの共同研究で、パワーデ バイス （図１） などに使用されている高鉛含有はんだの代替 材料、及びそのための代替接合プロセスの確立などを目的 とし、新たなナノポーラス構造を利用した微細接合技術の 構築に取り組んでいます。これまでにAuナノポーラス材料 （図２） を利用し、接合プロセスを制御することで、Cu/Cu接 合やAuめっき/Auめっき接合が可能であり、高鉛含有はん だと同等の20MPa以上の接合強度を得られることなどを 明らかにしてきました。今後、 このような成果をデバイスへ 応用していくことなどを目指し、 ６大学連携プロジェクト内 での連携により、 さらに発展させていく予定です。 生体・医療 材料開発 安全・安心な社会の構築 環境エネルギー 材料開発 核融合 口腔 図1 Zr-Cr合金の応力ｰひずみ曲線 6大学連携プロジェクト 熱電材料 環境・エネルギー 材料 二次電池 燃料電池 図１ パワーデバイス構造の概略図 図２ Auナノポーラス材料表面構造の一例 大阪大学 2 東京工業大学 東京医科歯科大学 高機能材料 生体・医療材料 多孔性配位高分子中に吸蔵されることによって サイズ制限された物質の挙動 生体を制御する最先端バイオセラミックス 東京工業大学応用セラミッス 研究所川路研究室は多孔性配位 高分子中への化学物質の吸蔵機 構、吸蔵された物質の特性について研究を行っています。 多孔性配位高分子は金属有機構造体とも呼ばれており、金 属イオンがジカルボン酸のような多座有機配位子によって 架橋された３次元ネットワーク構造を取っています。この構 造中にはナノメートル程度の比較的大きな空洞が規則的に 存在しており、様々な物質を吸蔵させることができます。こ れまでの研究で図１に示すIRMOF-1と呼ばれる多孔性配 6大学連携プロジェクト 位高分子にいろいろな低分子有機物質を吸蔵させたとこ ろ、ナノメートルの細孔に閉じ込められた物質が、本来バル ク状態で示す融点よりもかなり違った温度で、融解に対応 すると考えられる相転移が起こることを見出しています。多 くの物質では細孔中での融解温度はバルクよりも低いので すが、物質によってはバルクよりも高い温度で融解する場 合（図２） も見つかっています。さらに、バルクでは現れない 固体̶固体相転移が現れる場合もあります。このようなサ イズ制限されることで現れる新規物性を明らかにすること で、新規機能性の発見を目指しています。 東京医科歯科大学生体材料工学研究所無機生体材料学 分野の山下教授のグループでは、電気分極処理による新規 医療用デバイスの開発を行っています。事故や病気で失わ れた骨や関節を回復させるために、自家骨と同様の優れた 修復能を持つバイオセラミックスの開発を目指しています。 骨修復能を向上させる手段として、 バイオセラミックエレ クトレットに着目しています。セラミックスは熱電気的な処 6大学連携プロジェクト 理をすると大きな静電気量をためる ことができます 。この 電 気 エネ ル ギーはエレクトロベクトル効果とよば れる機能を発生させます。セラミックエレクトレットのもつ 静電エネルギーを局所的にコントロールすることにより、 タ ンパク質吸着、細菌吸着、培養細胞増殖・接着・分化や骨組 織修復に効果があることが判明しています。 アパタイトコーティングした 人工歯根と人工股関節 図１ IRMOF-1の結晶構造の模式図 3 図２ IRMOF-1中に吸蔵させたシクロヘキサンのDSCチャート 未分極/分極ハイドロキシアパタイト上での骨伝導性の比較 プロジェクトの成果 環境・エネルギー材料 ナノ結晶複合材を利用した 大気環境浄化用触媒材料の開発 名大エコトピア科学研究所では環境浄化用新規触媒の 開発に向けて、新規なナノ材料とその作製プロセス、浄化 性能への応用に関する研究を行っています。金属ガラスや ナノ結晶材料は環境分野においてもバルク材とは異なる触 媒性能を発現する材料として注目されています。名古屋大 学小澤研究室では、東北大学金属材料研究所、東京工業大 学応用セラミックス研究所と共同で、金属ガラスからの触 媒材の組織制御およびナノ材料の合成と触媒応用のテー プロジェクトの成果 マを本プロジェクト内で取り組んでいます。酸化セリウム （CeO2） は、 自動車排ガス浄化触媒の酸素貯蔵能材や貴金 属の高活性化に効果的とされ、非常に応用性が高く、その さらなる高性能化が環境保全に役立つものと期待されて います。小澤研では、粒径5nmのCeO2ナノ結晶の大量合 成法とその複合化触媒を作製することに成功しました。そ の微細構造を、TEM、AFM及びラマンスペクトルを用いる ことにより明らかにしました。さらに、電子顕微鏡内でのそ の場観察によって、触媒作用を示す酸化セリウムの構造変 化を直接観測し、その触媒機能発現のメカニズム解明に取 り組んでいます。これらナノ材料を金属ガラス誘導体等の バルク内に組み込むことにより、金属セラミックス融合型の 新規な複合材料が作製できることも期待されます。この成 果は、排気ガスVOC等環境浄化触媒などへの応用に向け、 ６大学連携プロジェクトの研究所間で共同して展開し、環境 保全に貢献する材料の開発を目指していきます。 エレクトロニクス材料 FeCo系超磁歪材料を用いた 小型発電デバイスの検討 早稲田大学ナノ理工学研究機構では東北大学金属材料 研究所と共同でレアメタルを含まないFeCo系合金磁歪材 料の逆磁歪効果を利用して小型発電デバイスを作製し、 さ らなる発電デバイスの小型化・最適化を行い、性能の向上 を目指しました。 試作したデバイスの組み立て図を図1に示す。初めに FeCo系合金のワイヤーを1mmφ×20mmに切断し、直接 ウレメット線を巻いてコイルを作製します。次にコイルをAl パイプに組み込んで樹脂を充填し、打刻治具と一体化させ ます。最後にAlキャップを被せることで完成となります。作 製したデバイスの実際の写真を図2に示す。デバイスのサ イズは単三乾電池（15mmφ×50mm） とほぼ同等の大き さです。このデバイスを用 いた出力波形を図3に示す。 図3の赤線は抵抗がプローブ （10MΩ+15pF）の値を表し ており、出力電圧Vp-pは100Vを超えています。これは、 従来の逆磁歪効果を利用した発電デバイスと同等以上の 性能を示しています。また、図3の青線は負荷１kΩを繋い だときの出力波形を示しています。これより本デバイスで は、2.8µJの出力を得ており、実際に図4に示すようにLED （120個） を明るく光らせることが出来ました。以上より、前 回よりも小型で高出力のデバイスを作製することに成功し ました。 図3 FeCo（1mmφ×20mm×4本）の出力波形 6大学連携プロジェクト 6大学連携プロジェクト 名古屋大学 図１ 合成したCeO2ナノ結晶 図２ ナノ粒子／バルク材（金属／セラミックス）の融合による大気浄化触媒 図1 試作したデバイスの組立図 図2 試作した小型発電デバイスの写真 図4 LED（120個）の点灯の様子 早稲田大学 4 平成26年度６大学連携プロジェクト研究課題（一部） ［1］行事リスト H26年度 過去の行事 日 6大学連携プロジェクト 時 行 事 場 所 環境・エネルギー材料開発分野 2014年 5月27日 第6回 東北大学金属材料研究所東京分室運営委員会 早稲田大学 研究開発センター 2014年 7月 3日 第8回 六研連携運営協議会 早稲田大学 西早稲田キャンパス 2． アモルファス急冷凝固薄帯をスタート材とした金属微粒子体の触媒特性（東北大−名大） 2014年 7月18日 H26年度 細胞・動物評価講習会 名古屋大学 共同教育研究施設 3． Cu 基金属ガラス粉末を添加した熱電材料の特性向上（東北大−東工大） 2014年 8月 7日 第１回 環境エネルギー材料開発分野会議 名古屋大学 東京オフィス 2014年 8月 7日 第1回 エレクトロニクス材料開発分野会議 早稲田大学 研究開発センター 1． 脱合金化によるナノポーラス合金の作製と電極特性および触媒特性の評価（東北大−名大） 4． 新規 Fe 基金属ガラスの開発と燃料電池用セパレータへの適用（東北大−名大） 5． 磁歪材料の組織制御による性能向上と薄膜 MEMS 化による超小型発電デバイスの創製 （東北大−早大、弘前大） 6． 圧電フィルムを積層させたエネルギーハーベスト用新規発電膜および歯科用噛み合わせ圧力センサー の創製（東北大−早大） H26年度 行事予定 日 時 2014年11月19日 ７．先進触媒創成に向けた低ダメージプラズマプロセス技術の開発（阪大―名大） 行 事 国際会議 6th IBB Frontier Sympojium & AMDI-5 2014年11月19日(予定） 第2回 環境エネルギー分野会議 開催予定 場 所 東京医科歯科大学 M&Dタワー 早稲田大学研究開発センター 2015年1月（予定） 生体医療材料開発分野全体会議 東京工業大学 2015年3月2日 第5回 6大学連携プロジェクト公開討論会 （名大―阪大） ９．サブナノクラスター担持体の開発と触媒性能評価（名大―阪大） 10．高い環境触媒性を目指したセリアジルコニア系セラミックスの研究（名大―東工大） 2014年12月（予定） 第2回 エレクトロニクス材料開発分野会議 第9回 六研連携運営協議会 ８．ソリューションプラズマを用いたサブナノクラスターの合成と環境エネルギー材料への応用 早稲田大学 小野記念講堂 エレクトロニクス材料開発分野 1． Ni-Nb-Zr-H アモルファスリボンの電気伝導特性（東北大―早大） 2． 磁気異方性の大きな新規 Mn 基合金・化合物の開発とそれを用いた垂直磁化膜の創成 （東北大―早大） 5 3． Mn 基磁石材料の磁場中組織制御と高保磁力化（東北大―早大） 4． 磁歪材料の組織制御による性能向上と薄膜 MEMS 化による超小型発電デバイスの創製 ［2］国際会議の案内 （東北大―早大） 国際会議6th IBB Frontier Symposium and AMDI-5 ５．フレキシブルデバイス創成に向けたプラズマ制御と低温プロセスの開発（阪大―東工大） 開催日程：2014年11月19日（水） ７．高密度カーボンナノチューブ配向膜／ SiC ヘテロ界面の電流−電圧特性評価（名大―早大） 開催場所：東京医科歯科大学M&Dタワー 主 催：東京医科歯科大学生体材料研の国際会議6th IBB Frontier Symposiumおよび 6大学連携プロジェクトAMDI-5の合同会議 ６．高鉛含有はんだ代替高温接合材料とその接合プロセスの開発（阪大―早大） ８．無鉛強誘電体およびマルチフェロイック材料の開発とデバイス化に関わる問題の解明 （名大―早大） The 5th International Symposium on Advanced Materials Development and Integration of Novel Structured Metallic and Inorganic Materials, AMDI-5, Conjunction with 6th IBB Frontier Symposium 生体・医療材料開発分野 D a t e ：19 November 2014, Wednesday 1． 生体適合性が良い新規金属ガラスの開発と特性評価（東北大、東工大、阪大、東京医歯大） Venue：Akio Suzuki Memorial Hall, M&D Tower 2nd Floor 2． 生体用低磁化率合金の開発と特性評価（東北大、東京医歯大、名大） Tokyo Medical and Dental University 3． 細胞伸展制御のためのレーザ照射によるチタン合金等材料の表面改質（東京医歯大、阪大、名大） 4． 生体・医療用ナノクリスタルの高次構造制御と特異接合（東京医歯大―阪大） 5． 制御多孔構造を有するバイオセラミクス製インプラントの光造形３Ｄプリンティングと生体親和接合 （東京医歯大―阪大） 6． 生体材料用バルブメタル・合金の高生体活性化表面処理（名大―東京医歯大） 7． TNTZ 合金の水熱処理による骨伝導性の向上（名大―東北大） 8． Ti 表面へのダイヤモンドナノ粒子複合化コーティングによるフレッティング摩耗特性の改善 （名大―東北大） 6
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