複合機能研究グループ

[ English Page is HERE. ]

研究紹介

本部門では、環境やエネルギーに関連する研究に取り組みます。これらのアプローチには，大別してエネルギー生産に関わる直接的な材料研究とエネルギーを効率よく利用する為の材料開発があります。前者は、近い将来に生じる化石燃料の枯渇に対処し、光、熱、その他、廃材や植物を燃料に利用する方法です。具体的には、光電素子，熱電変換素子、現在、単に焼却や埋め立て処理されている廃材や植物を再利用する研究があります。後者には、強力なマイクロモーターを代表とした、新しい高効率モータ－やアクチュエータの開発、熱を有効に使う為の耐火物などの断熱材，さらに、いまやあらゆる環境に浮遊する電磁波を効率よく吸収し、熱や他のエネルギーに変換する電磁波吸収体などがあげられます。一方，自然界には、機能材料の模範となる物質や生命体が存在し、それらは、長い年月を経て自然と共存している、いわば典型的な環境調和型物質（生命体）です。例えば、木はミクロン単位の一次元多孔体であり、蝶の羽はフォトニック構造を示し、カタツムリの殻は、その精巧な微構造により汚れにくい性質を持ちます。これらを模倣し、積極的に材料として応用することで安全・安心かつ環境調和材料の創成が可能です。以上のように，本部門では環境・エネルギー問題に資する機能マテリアルに関する研究を展開します。

(1) 自然界に学ぶセラミックス創製

　生体を含め自然界には、神業とも言える優れた機能を有する物が数多く存在します。例えば、樹木は超微細構造を有する多孔体ですが、同様な構造のセラミックスを作製することは現代の技術では不可能です。しかし、自然界には樹木の構造はそのままで、構成成分だけ有機物から無機物 (SiO₂) に変換された木の化石、珪化木という物が存在します。本研究グループでは、この珪化木を模倣して、新規な多孔体セラミックスの創製を試みています。図 1 は、杉材を TiO₂ 化した多孔体セラミックスの電子顕微鏡写真を示します。他に、鍾乳石の生成を模倣した CaCO₃ の結晶成長、多孔体を利用した新しい電波吸収材廃棄物の自然界への還元等に関する調査・研究を行っています。

図 1 TiO₂ 化した杉材

(2) 複合化によるインテリジェント材料創製

　或る温度で電気抵抗が急激に増大する特性を示す BaTiO₃ セラミック PTC サーミスターや、或る電圧で電気抵抗が急激に低下する ZnO セラミックバリスターは、温度や電圧などの外部環境の変化に対し、自ら電気抵抗を変化させて電流を制御することから、インテリジェントなセラミックスと考えられています。本研究グループでは、このような特性を複合化により発現させることを研究しています。例えば、ポリマーにバリスターを複合化することにより PTC 発現温度が印可電圧によって可変できるチューナブル PTC サーミスターの創製等を試みています。

図 2 BaTiO₃ （ポリマー＋バリスター）コンポジット

(３) 磁界を視覚化するＭＯインディケーターの作製

　磁気を目に見えるようにする、そのようなことが磁気と光の両方の性質を利用するとできるようになります。「ろうそくの科学」の作者ファラデーが発見したファラデー効果は、磁気が光に影響を示す効果で、この性質を利用して、磁界を可視化するＭＯインディケーターと呼ばれるイメージング素子の開発を行っています。図３は高温超電導体で有名なＹＢＣＯを極低温にひやしてた状態で磁界をかけ、超電導状態が壊れていく過程を侵入磁束のイメージング化で観察した例です。デンドライト状に磁束が侵入する様子、先に明るくなる箇所が酸素欠陥が多いことが推察されます。これらの原理を利用して、高周波の磁界も可視化しようとするセンサー開発を行っています。

図 3 ＹＢＣＯ薄膜の侵入磁束観察例

(４) ＭＥＭＳ用のネオジウム鉄ボロン系強力薄膜磁石の作製

　血管の中を動き回るロボット、そのような世界をマイクロマシン（ＭＥＭＳ）が目指す目標の一つ、その動力源として、日常使われている磁石モーターを小型化して用いる、それが本研究の最終目的です。普通の磁石を単純に小型に加工しても磁石の優れた特性は得られません。ミクロの単位で用いるには、結晶方位を制御した薄膜が必要になります。我々は、独自の製法により、強力薄膜磁石の合成に成功し、これを実際のマイクロマシンに実用化することを目指しています。図４は、膜の高磁気特性を示す磁気ヒシテリシス曲線、柱状結晶成長を示す断面観察図です。

図 4 熱処理結晶化ＮｄＦｅＢ系薄膜の磁化曲線と断面ＴＥＭ像