Press releasesプレス発表

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2022/4/7

松村 大樹(エネルギー材料研究グループ)

光と加熱で、金属と絶縁体を行ったり来たり
-高性能な光応答イットリウム化合物薄膜を世界で初めて作製-

東京工業大学 物質理工学院 応用化学系の清水亮太准教授、小松遊矢 大学院生(博士後期課程2年)らの共同研究グループは、イットリウム・酸素・水素の化合物(YOxHy)の結晶方位を揃えたエピタキシャル薄膜を世界で初めて作製し、光照射と加熱によって絶縁体と金属の繰り返し変化に成功した。 光センサや光メモリなどの光エレクトロニクス応用に向けて、光照射により電気的物性が大きく変化する物質の開発が望まれている。しかしながら、電気抵抗が温度下降に伴い増加する「絶縁体・半導体」から、温度下降に伴い減少する「金属」への変化を、光照射によって達成した報告はなかった。本研究では、絶縁体であるYOxHyエピタキシャル薄膜に光を照射することでその電気抵抗が大幅に減少した「金属」状態を発現させ、当該金属状態を数日スケールで保持することに成功した。従来のガラス基板上の多結晶体のYOxHyでは、太陽光照射により電気抵抗が1桁程度減少するが、エピタキシャル薄膜化により3桁以上の減少を達成した。さらに、エピタキシャル薄膜に紫外レーザ光を照射すると電気抵抗は7桁以上も減少し、絶縁体からの金属化を実現した。この結果を説明するために、局所構造・化学組成の高分解能計測から構造モデルを構築し、これを基に電子状態を計算した結果、薄膜内の水素が光応答して余剰電子が生じ金属化に至る微視的機構を明らかにした。 本研究の成果を活用することで、高性能な光メモリ・スマートウィンドウ等のデバイス応用につながる。また、薄膜内水素の密度・結合・荷電状態を高度に制御することで、さらなる光エレクトロニクスの進展が期待される。 研究成果は4月7日に、米国化学会誌「Chemistry of Materials(ケミストリーオブ マテリアルズ)」にArticleとしてオンライン掲載(オープンアクセス)される。

2022/3/31

松村 大樹(環境・構造物性研究グループ)

燃料電池触媒の酸素還元反応活性を2倍以上向上させることに成功
-触媒性能10倍に向け前進 燃料電池のコスト低減に期待-

国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構(理事長:平野俊夫、以下「量研」という。)量子ビーム科学部門高崎量子応用研究所の八巻徹也次長・プロジェクトリーダー、山本春也上席研究員、木全哲也協力研究員(当時は実習生)、国立大学法人東京大学大学院工学系研究科(研究科長:染谷隆夫)の毛偉特任研究員(研究当時は助教)、寺井隆幸名誉教授(研究当時は教授)、国立研究開発法人日本原子力研究開発機構(理事長:児玉敏雄)の松村大樹研究主幹、下山巖研究主幹らを中心とする研究グループは、イオンビーム照射した炭素材料に白金を保持させる新手法によって、固体高分子形燃料電池(PEFC)の触媒性能を2倍以上向上させることに成功しました。また、この性能向上には、炭素材料に導入した欠陥構造と白金(Pt)微粒子の相互作用に起因するメカニズムが関与することを明らかにしました。今回の成果は、研究グループが掲げた目標「酸素還元反応(ORR)活性と耐久性を掛け合わせた性能で10倍向上」の達成をぐっと手繰り寄せるものです。 水素エネルギーはカーボンニュートラル実現の切り札の一つです。水素を使う燃料電池自動車(FCV)の普及拡大には、搭載するPEFCのコスト低減が不可欠で、そのカギを握るのがPEFC酸素極のORR触媒という材料です。現在のORR触媒には、高価なPtの微粒子を炭素材料に保持させた「Pt微粒子/炭素材料」が大量に使われており、Pt使用量を削減するためのORR活性と耐久性の向上が技術課題になっています。 そこで研究グループは、Pt微粒子と炭素材料との界面で発現するPtと炭素の相互作用を使ってPt微粒子の電子構造を操作すれば、この課題を克服できると考えました。量研のイオン照射研究施設(TIARA)を用いて炭素材料に欠陥構造を導入し、その表面にPt微粒子を形成させるという新しい方法で触媒を作製したところ、欠陥導入がない場合と比較して2倍以上優れたORR活性を実現できました。また、放射光実験と理論計算により、高活性化のメカニズムがPt微粒子から炭素材料への電荷移動に伴う界面相互作用の強化に起因したPtの酸化抑制にあることを突き止めました。 研究グループは、FCVの本格的普及に向け、国立研究開発法人新エネルギー・産業技術総合開発機構(NEDO)が策定した燃料電池・水素技術開発ロードマップを参考に、「ORR活性と耐久性を掛け合わせた性能で10倍向上」という目標を掲げて研究を進めています。 イオンビームを用いた欠陥構造の導入による界面相互作用の強化は、ORR活性向上だけでなく、ORRに伴うPt微粒子の劣化抑制の効果も示唆しています。研究グループでは、今回の成果を踏まえて、すでに耐久性に関する研究にも着手し、その向上の端緒をつかみつつあります。 今後、掲げた目標を達成することで、PEFCのPt使用量を大幅削減するための技術の確立を目指します。将来、本技術による実触媒の製造プロセスが実現すれば、PEFCのコスト低減という課題は解決され、FCVの本格的普及や水素利活用の拡大を通してカーボンニュートラル実現への貢献が期待できます。 本研究の一部は、日本学術振興会の科学研究費助成事業(18H01923、21H04669)の助成を受けて実施したものです。なお、本研究成果は米国物理学会「Physical Review Materials」誌のオンライン版に2022年3月31日(木)1:00(日本時間)に掲載されました。

2021/12/11

松村大樹 (環境・構造物性研究グループ)

世界初!元素種を識別して材料のミクロ構造を解析するノイズ耐性の高い新解析法を開発
―将来的なデバイス材料のミクロ構造研究に活路を開く―

熊本大学産業ナノマテリアル研究所の熊添博之 特任助教、赤井一郎 教授らの共同研究グループは、イットリウム酸水素化物(YHO)薄膜の広域X線吸収微細構造(EXAFS)スペクトルに、電子波多重散乱理論に基づいた基底関数を用いたスパースモデリングとベイズ推定を組み合わせた新しい解析法を適用しました。 その結果、YHO薄膜のイットリウム周りに存在する酸素原子が四面体配位していることが明らかになり、ベイズ推定により、データに重畳するノイズをモデリングして、解析困難なノイズの大きいデータからミクロ構造を解析することに成功しました。この手法は機能性薄膜材料を始めとする様々な物質のミクロ構造解明への応用が期待されます。 本研究は、科学技術振興機構(JST)戦略的創造研究推進事業(CREST 熊本大学 赤井一郎 教授(JPMJCR1861)、CREST 東京大学 岡田真人 教授(JPMJCR1761)、CREST 物質・材料研究機構 岩崎悠真 主任研究員(JPMJCR21O1)、さきがけ 筑波大学 五十嵐康彦 准教授(JPMJPR17N2)、さきがけ 東京工業大学 清水亮太 准教授 (JPMJPR17N6)、 文部科学省科学研究費助成事業(東京工業大学 清水亮太 准教授(JP19H02596、JP19H04689)、東北大学 折茂慎一 教授(JP18H05513)、東京工業大学 一杉太郎 教授(JP18H05514)および旭硝子財団の支援を受け、あいちシンクロトロン光センター イエザーリ・ファビオ 研究員、同 岡島敏浩 副所長、東京工業大学 小松遊矢(博士後期課程2年)、日本原子力研究開発機構 松村大樹 研究主幹、量子科学技術研究開発機構 齋藤寛之 上席研究員、熊本大学 岩満一功 技術主任および九州シンクロトロン光研究センター 妹尾与志木 所長の共同研究にて行いました。本研究成果は米国科学雑誌「AIP Advances」に令和3年12月10日午前10時(米国東部時間)に掲載されました。

2021/11/25

米田安宏 (環境・構造物性研究グループ)

チタン酸バリウムナノキューブの粒径を制御する手法を新たに開発
ー環境調和型のプロセスを採用 高性能小型電子デバイスの開発に期待ー

茨城大学大学院理工学研究科(工学野)の中島光一准教授、同研究科量子線科学専攻・博士前期 課程の廣中航太さん、大内一真さん、茨城大学工学部の味岡真央さん、茨城大学大学院理工学研究 科の小林芳男教授、大阪大学産業科学研究所の関野徹教授、垣花眞人特任教授(常勤)、東北大学 多元物質科学研究所の殷シュウ教授、日本原子力研究開発機構の米田安宏研究主幹の研究グループ は、チタン酸バリウム(BaTiO3)ナノキューブの粒径制御には、出発原料である酸化チタン(TiO2) の粒径が影響することを明らかにしました。本研究は2021年3月29日のプレスリリース「チタン酸バリウムナノキューブ合成と粒子表面の原子配列の可視化に成功」と関連するものです。

2021/6/21

吉井賢資 (環境・構造物性研究グループ)

磁場と圧力でマルチに冷却可能な酸化物新材料
-フェリ磁性電荷転移酸化物におけるマルチ熱量効果の実証―

京都大学、日本原子力研究開発機構、高輝度光科学研究センター、マックスプランク固体研究所の研究グループは、電荷転移を示すペロブスカイト構造フェリ磁性酸化物BiCu3Cr4O12が磁場および圧力を加えた際に大きな熱量効果(マルチ熱量効果)を示し、高効率な熱制御を実現する新たな固体熱制御材料となることを実証しました。現在、世界の電力消費の25~30%が冷却に使われていると言われるほど、熱の制御は人類のエネルギー・環境問題において重要な課題となっています。熱量効果を利用すると高効率で環境への負荷の小さい冷却などが実現できるので、熱に関する諸問題の解決に繋がります。通常、熱量効果では1つの外場で制御されますが、今回発見した材料では、磁場と圧力という複数の(=マルチな)手法により熱を効率的に制御できます。さらに、磁場と圧力を協同的に加えることでより広範囲な熱特性の制御も可能となり、また新規な高効率冷却技術の発展にもつながります。本成果は、6月21日にSpringer Natureグループの国際学術誌Scientific Reportsにオンライン掲載されました。

2021/4/1

熊田高之(階層構造研究グループ)

核スピン偏極化試料での偏極中性子回折による構造解析法の開発
ー水素の位置情報を選択的に抽出ー

山形大学が原子核物理実験用に開発した結晶試料の核スピン偏極技術を、スピンコントラスト偏極中性子回折測定に展開しました。これまでは結晶試料を核偏極させる技術がなかったため、水素核偏極試料を用いるスピンコントラスト法は非晶試料に限定されていました。それに対し、我々は山形大学の核スピン偏極技術により水素核偏極したグルタミン酸試料をJ-PARC MLF の中性子小角・高角散乱装置(BL15, 大観)に組み込むことで、スピンコントラスト変調中性子粉末結晶構造解析実験に成功しました。水素核偏極度により変化する散乱ピーク強度を解析することで、他元素と識別された水素の構造情報を抽出できることが示されました。今後、本測定法は環境問題の見地から注目を集めている水素機能性材料の開発などにも貢献することが期待されます。この成果は2021年3月3日付けで学術誌『Journal of Applied Crystallography』に掲載されました。

2021/3/30

米田安宏(環境・構造物性研究グループ)

チタン酸バリウムナノキューブの合成と粒子表面の原子配列の可視化に成功
ー 高性能小型電子デバイスの開発に期待 ー

チタン酸バリウムを低温で水熱合成することによってナノキューブ化に成功しました。さらにナノキューブの粒子表面が酸化チタン層で再構成されていることを見出しました。

2021/2/19

津田 泰孝、吉越 章隆(アクチノイド化学研究グループ)

異なる金属を混ぜて表面反応を制御する
~合金表面でさびができる過程を解明、腐食に強い材料の開発に貢献 ~

日本原子力研究開発機構 物質科学研究センター アクチノイド化学研究グループ 津田 泰孝 博士研究員、吉越 章隆 研究主幹、ならびに大阪大学 放射線科学基盤機構 岡田 美智雄 教授、工学研究科 Diño Wislon Agerico Tan准教授らの研究グループは、パラジウム、白金を銅と混ぜあわせた合金の表面で、高速の酸素分子が反応し酸化物を作る過程を解明しました。

2021/2/4

関根 由莉奈(階層構造研究グループ)

廃棄豚骨が有害金属吸着剤に
―廃材を利用した安価で高性能な金属吸着技術を実現―

物質科学研究センター階層構造研究グループの関根由莉奈研究員、先端基礎研究センターの南川卓也研究員らが参画する研究グループは、骨がストロンチウムやカドミウムなどの金属に対して高い吸着性能を有するメカニズムを明らかにするとともに、その性質を利用することで、既存の低コストな天然吸着剤よりも高い効率で、ストロンチウムやカドミウムなどの有害金属を吸着して取り除くことができる新しい吸着剤を開発することに成功しました。食品廃棄骨の“豚骨”を重曹(炭酸水素ナトリウム)に浸け込むだけで、低コストで容易に作ることができる吸着剤を実現した本研究成果は、食品廃棄物の有効活用に繋がるだけではなく、汚染水の浄化、土壌に埋めることで汚染物質の地下水や海水への流入を防ぐ技術、また、有用金属回収技術への活用が期待されます。

2020/12/4

竹田 幸治(電子構造物性研究グループ)

半導体が磁石にもなるとき何が起こるのか?
-エレクトロニクスから次世代スピントロニクス社会実現への一歩-

物質科学研究センターの竹田幸治研究主幹、東京大学大学院工学系研究科の大矢忍らの研究グループは、SPring-8の原子力機構専用ビームラインBL23SUを利用して、強磁性半導体の代表的な物質のひとつである(Ga,Mn)As 中のMn原子の磁性情報だけを抜き出し、温度の降下とともにMn原子が常磁性状態から強磁性状態に変化していく過程を詳細に観察することで、原子レベルでの強磁性発現メカニズムを明らかにすることに成功しました。

2020/10/30

関根 由莉奈(階層構造研究グループ)

凍らせて、混ぜて、溶かすだけ 高い強度と成型性を持つ新しいゲル材料を開発
―身近なバイオマス素材を利用した汎用性の高い材料開発に新展開―

先端基礎研究センター界面反応場化学研究グループの関根由莉奈研究員(兼物質科学研究センター)、南川卓也研究員、杉田剛研究員らが参画する研究グループは、木材から得られるセルロースナノファイバーとレモンに含まれるクエン酸を凍結濃縮させて反応することにより、これまでにない圧縮復元性を持ち、非常に高い成型性を持った、環境にやさしい高強度ゲル材料「凍結架橋セルロースナノファイバーゲル」の開発に成功しました。

2020/10/26

吉越 章隆(アクチノイド化学研究グループ)

速い分子だと炭素の網を通り抜ける!?
酸素がグラフェンをすり抜ける現象を発見

東北大学国際放射光イノベーション・スマート研究センター(兼多元物質科学研究所)の小川修一助教、物質科学研究センターの吉越章隆研究主幹らが参画する研究グループは、厚さが原子1層しかない炭素の網であるグラフェンは、酸素を通さないとされていましたが、高速の酸素分子を照射すると酸素分子がグラフェンを壊すことなく透過する現象を発見しました。分子の「速度」によってグラフェンを透過できたりできなかったりする現象は世界で初めての発見で、今後の研究により、さらに大きな分子の「通りぬけ」の発見も期待されます。

2020/10/8

竹田 幸治(電子構造物性研究グループ)

新奇な磁性トポロジカル絶縁体ヘテロ構造の作成に成功
-磁性とトポロジカル物性の協奏現象に新たな知見-

東京工業大学 理学院 物理学系の平原徹准教授、物質科学研究センターの竹田幸治研究主幹らの研究グループは、トポロジカル絶縁体の表面近傍に複数の規則的な磁性層を埋め込むことに成功し、その表面ディラックコーンのエネルギーギャップが磁化秩序の発現する温度より高い温度で閉じることを実証した。

2020/8/28

小畠 雅明(電子構造物性研究グループ) 吉井 賢資, 福田 竜生(環境・構造物性研究グループ)

放射線に負けない熱電発電の実現に向けて
—スピン熱電素子が重イオン線に高耐性を持つことを実証—

近年、電子スピンを利用した「スピン熱電素子」が開発され、設計自由度、低環境負荷、経済性の観点で既存技術より優位になると期待されています。これを同位体電池に組み込めば、次世代の発電方法の開発につながる大きな展望が開けますが、放射性同位体と共存する過酷環境下でスピン熱電素子が性能をどの程度維持することができるか未確認でした。本研究では、スピン熱電素子の放射線に耐性を検証するため、高エネルギー放射線である重イオン線を照射することで過酷環境での耐用年数の見積もりを行い、仮に熱源として放射性の使用済み核燃料を使った場合でも数百年にわたって発電性能の劣化が生じないことを確認しました。さらにこの劣化は、スピン熱電素子の接合界面での化学反応によって生じる事を示しました。将来的には使用済み核燃料などの放射線環境下での廃熱を回収し、安全かつ有効に活用する新技術への展開に貢献するものと期待されます。

2020/7/21

山内 宏樹(多重自由度相関研究グループ)

伝導電子スピンの奇妙な「短距離秩序」を世界最高温度で発見
-新物質Mn3RhSiで新しい金属状態が実現-

国立研究開発法人日本原子力研究開発機構(理事長 児玉敏雄)物質科学研究センターの山内宏樹研究副主幹、一般財団法人総合科学研究機構(理事長 横溝英明)中性子科学センターの社本真一サイエンスコーディネータ、国立研究開発法人理化学研究所(理事長 松本紘)仁科加速器科学研究センターの渡邊功雄専任研究員および芝浦工業大学(理事長 鈴見健夫)理工学研究科地域環境システム専攻のディタ・プスピタ・サリ博士研究員(現: 工学部助教)らのグループは、原子力機構が世界で初めて合成した空間反転対称性を持たない金属磁性体の新物質Mn3RhSiにおいて、伝導電子スピンの一部が短距離秩序化し常磁性相内で相分離した奇妙な状態が720 K (447℃)という世界最高温度で実現していることを中性子とミュオンを相補的に用いた観測で発見しました。

左:合成に成功した新しい金属磁性体Mn3RhSiの多結晶の写真。
右: (a) 中性子回折で観測されたQ = 1.7 Å-1付近にピークを持つ磁気散漫散乱の積分強度の温度依存性。
(b) mSRから得られた常磁性相中の短距離磁気秩序成分の体積分率。

2020/3/26

徐 平光(応力・イメージング研究グループ)

ものづくり現場で中性子線を使った材料分析が可能に
-軽量化を可能にする鋼材開発に新たな道筋-

自動車などの軽量化の実現には、高強度と高い延性を両立した鉄鋼材料の開発が不可欠であり、集合組織を定量的に把握することが重要です。鉄鋼材料のバルクに対して集合組織を測定するのに、透過性の高い中性子を用いる回折法は有効ですが、これまでその中性子源は研究用原子炉などの大型実験施設に限られました。
徐平光らの共同研究グループは、原子力機構が開発してきた中性子回折法による集合組織測定技術と、理研が開発してきた理研小型加速器中性子源システムRANS(ランズ)を組み合わせることで、ものづくり現場で実現できる中性子回折法による実験室レベルでの集合組織測定技術の開発に世界で初めて成功しました。今後、小型加速器中性子源を利用した実験室レベルでの日常的な研究開発と、大型中性子実験施設を利用した先端研究開発を組み合わせた新たな研究開発サイクルの構築が、イノベーション創出を実現する革新的な材料開発や製品開発につながると期待されます。

小型中性子源システムを用いた鉄鋼材料の集合組織測定実験の様子と結果

2019/11/14

久保田 正人(多重自由度相関研究グループ)

アルミでコンピュータメモリを省電力化する
~アルミ酸化膜を用いた新しい不揮発メモリの動作メカニズムを解明~

国立研究開発法人日本原子力研究開発機構(理事長 児玉敏雄)物質科学研究センター多重自由度相関研究グループの久保田正人研究副主幹、国立研究開発法人物質・材料研究機構(理事長 橋本和仁)国際ナノアーキテクトニクス研究拠点の加藤誠一主任研究員、児子精祐外来研究員及び大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構(機構長 山内正則 以下、KEKという)物質構造科学研究所の雨宮健太教授らの研究グループは、次世代不揮発メモリの材料として期待されるアモルファスアルミ酸化膜において、半導体メモリのまったく新しい動作メカニズムを説明する電子状態変化を世界で初めて直接観測でとらえました。放射光X線を用いて、アモルファスアルミ酸化膜の構成元素である酸素とアルミニウムの吸収スペクトル測定を行いました。電気が流れる状態(オン)と電気が流れない状態(オフ)における酸素サイトの吸収スペクトル測定を行いました。オン状態では、バンドギャップ内に顕著な電子状態の変化(サブバンド形成)を検出しましたが、オフ状態ではサブバンドは観測されませんでした。これに対して。オン状態とオフ状態では、アルミサイトの電子状態の変化は、ほとんどありませんでした。

2018/10/22

長壁 豊隆(多重自由度相関研究グループ)

数万気圧環境下での中性子3次元偏極解析に世界で初めて成功
~ 完全非磁性の高圧セル開発で実現 圧力下でのスピン配列の解明に期待 ~

国立研究開発法人物質・材料研究機構 先端材料解析研究拠点 中性子散乱グループの寺田典樹 主任研究員と国立研究開発法人日本原子力研究開発機構 原子力科学研究部門 物質科学研究センター 多重自由度相関研究グループの長壁豊隆 グループリーダーらの研究グループは、完全に非磁性体で作られた高圧力セルを開発し、数万気圧という特殊な環境において物質の電子スピン配列を詳細に解析できる中性子3次元偏極解析実験に世界で初めて成功しました。さらにこの実験により、圧力を加えるとPC用次世代メモリ材料として期待されるマルチフェロイクス材料に変化する物質を見出しました。

2018/6/15

菖蒲 敬久(放射光分析技術開発グループ)

世界初!レーザーコーティング照射条件の施工前予測が可能なシステムを開発
~ レーザー加工の職人技を身近な技術に ~

物質科学研究センター放射光分析技術開発グループの菖蒲敬久研究主幹、高速炉・新型炉研究開発部門 敦賀総合研究開発センター レーザー・革新技術共同研究所の村松 壽晴 GLらが参画する研究グループは、レーザーコーティング加工時に生じる固体金属の溶融・凝固過程を汎用エンジニアリングワークステーションにより評価可能な計算科学シミュレーションコードSPLICE (residual Stress control using Phenomenological modeling for Laser welding repair process In Computational Environment)を世界に先駆けて開発しました。