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研究内容

バイオセラミックスの材料設計および合成

私たちの体の内部構造や、日常生活の基になっている身体活動のしくみにおいて、実は材料科学や電子論が関係しているところがたくさんあります。

例えば、生体の骨や歯を構成しているのは、カルシウムのリン酸塩の一種であるハイドロキシアパタイトという化合物です。高齢化社会で需要が多くなってきた人工関節や人工骨で主役となっているセラミックスです。しかし、これが生体内環境に置かれたとき、どのような構造変化を起こすのか、もともと体に含まれる骨や歯とうまく結合するのはどのようなミクロな現象が関係しているのかなど、無意識のうちに私たちの体の中で起こっている現象でもきちんと解明されていないことが多くあります。

当研究室では、このようなバイオセラミックスに対して、理論計算やそれと連携した実験研究を行い、新しい生体材料の材料科学を確立することを目指しています。

アパタイトはリン酸カルシウムの一種で、生体内のカルシウムイオン(Ca2+)の貯蔵庫です。神経伝達にも重要な役割をするCa2+が不足したとき、アパタイトから供給されるなど、生体機能と深く関係しています。右図はCa2+が抜けたあとのアパタイト中の原子配列を示し、本研究により、体液中の水素イオン(H+)がアパタイトに侵入することでCa2+の欠損ができやすくなることがわかりました。骨だけでなく歯のエナメル質もアパタイトでできていますが、虫歯ができるときのメカニズムも同様に考えることができます。

アパタイトは、イオン交換により多様な異種イオンを結晶内部に取り込むことができることが知られています。この図は、Pb2+がCa2+とイオン交換したときの電子密度を計算した結果で、Ca2+周囲には見られない特徴的な電子分布(黄色部分)がPb2+周りにあることが観察されます。計算の結果、この状態にあるPb2+は非常に安定であることがわかりました。Pb2+は生体毒性の高いことで知られていますが、このように生体中のアパタイトに蓄積されてしまうことが毒性の高さと関係していると考えられます。

(Matsunaga, Phys.Rev.B(2009);
J.Am.Ceram.Soc.(2010)-feature articleなど)

物質界面の量子構造設計と機能開拓

社会基盤を支える最新の材料開発では、材料界面を制することが必要不可欠です。

電子機器・コンピュータにはじまり、建物や橋梁、自動車や発電機関などに用いられる材料のほとんどは、単一としてではなく、複数の種類の材料を組み合わせた状態で使われています。 これは、それぞれの材料の特性を組み合わせて総合的に高機能化するためです。しかし、そこでは必ず界面が存在します。この界面は、材料システムの性能を良くことも悪くすることもあるため、うまくコントロールしてやらなければなりません。したがって界面の構造や性質を明らかにすることが大切になりますが、異なる構造や性質を持った物質同士を合わせたとき、どのようなことが起こるかはわからないというのが現実です。当研究室では、界面の構造や安定性を決める結合力、その起源となる電荷移行、物質の結晶構造の差異による幾何学的ミスフィットの影響、など、界面機能設計に必要なキーファクターを理論的に明らかにすると同時に、界面に起因した特性との関係を明らかにします。

金属酸化物上の貴金属粒子は有害ガス分解の触媒として工業的にも重要です。この図は、酸化チタン表面上に担持された金(Au)粒子の原子配列を第一原理計算から予測したものです。 この結果は、最先端電子顕微鏡を使った実験結果でも確かめられました。

(Shibata et al., Phys.Rev.Lett.(2009), 関連記事:日刊工業新聞(2009年4月23日))

転位の量子構造と物性

転位とは結晶中の原子配列が不連続になった線状の格子欠陥です。転位芯(コア)においては結合欠損が規則的に存在しており、コアの周囲には弾性的なひずみ場が生じています(図1)。

図1

結晶の塑性変形はこうした転位の連続的な運動によって起こります。すなわち、結晶性材料の機械的特性を理解するに当たって、転位の構造と物性を明らかにすることはきわめて重要な課題です。また、転位芯近傍における線状の結合欠損列ならびに局所ひずみ場は、規則配列に起因する結晶の基本物性が変化する特異点(線)です。つまり、転位はそれ自身が特異物性を有する究極かつ最小の量子細線であるとも言えます。さらに、こうした結合欠損やひずみ場により異種元素が引きつけられたり(コットレル効果)、拡散速度が速くなること(パイプ拡散)が知られています。このような転位特有の現象を利用すれば、既存材料に新しい物性を付与した材料を生み出すことができます(図2)。

図2

既存の元素種数は限られており、次世代の物質戦略においては、元素配列制御による物質の新機能開拓が不可欠となってきています。そこで、転位を利用した元素配列制御と転位の高機能量子細線化を目指して、転位の量子構造や運動、他元素との相互作用に関する研究を行っています。

参考文献
  • Nakamura et al, Acta Mater.Vol.50
    pp.101-108 (2002).
  • Nakamura et al, Nature Mater.Vol.2
    pp.453-456 (2003).
  • Nakamura et al, Acta Mater.Vol.53
    pp.455-462 (2005).
  • Shibata et al, Science Vol.316
    pp.82-85(2007).
  • Nakagawa et al, Acta Mater.Vol.59
    pp.1105-1111 (2011).
  • Tochigi et al, Acta Mater.Vol.60,
    pp.1293-1299 (2012)
  • Nakamura et al, J. Mater.Sci., Vol.47
    pp.5086-5096 (2012).

高性能イオン伝導体の伝導機構の精密解析

次代のクリーンエネルギー社会へ向けて、電力貯蔵システムである電池(燃料電池やリチウムイオン二次電池)の高性能化が望まれています。その中で、高速でイオンのみを選択的に伝導させる電解質は、電池性能を決める重要な要素のひとつです。

電池は、電気エネルギーと化学エネルギーの変換装置とみなすことができます。例えば、燃料電池では、水素と酸素から自発的に水ができる反応を利用しますが、単に両者を直接混ぜ合わせれば、水素の燃焼反応が起こり熱エネルギーに変換されてしまいます。一方、水素と酸素をプロトン伝導体もしくは酸素イオン伝導体を介して反応させれば、外部回路から電気エネルギーを取り出すことができます。図に、プロトン伝導体を電解質として用いた燃料電池の仕組みを示します。電解質の左側から水素ガス、右側から酸素ガスを供給すると、まず、水素が左側の電極(アノード)でプロトンと電子に分かれる反応が起こります。プロトンは電解質を通って反対側の電極(カソード)へ移動しますが、電解質を通れない電子は、外部回路を経由してカソードへ流れ込むことになります。カソードに到達した両者は、そこで初めて酸素と出会い、水が生成します。このように、電子を通さず目的のイオンのみを通すイオン伝導体は、燃料電池だけでなくあらゆる電池にとって不可欠な材料です。

図.プロトン伝導体を用いた燃料電池の模式

電解質には、イオン伝導性の点で有利な液体を用いることが多いですが、液漏れや有機溶媒の発火といった危険性のない固体電解質の開発も精力的に進められています。我々の研究室では、固体中のイオンがどこに存在し、どういった経路を通って移動していくのかを、理論計算を用いて研究しています。

図.正方晶LaNbO4中におけるプロトンの酸素イオン間ホッピング経路(黒色小球0~8)

図は、ノルウェーの研究グループと明らかにした正方晶LaNbO4中のプロトン伝導経路です。一般に、酸化物中のプロトンは酸素イオン付近に存在し、その周りの回転と近接酸素イオンへのホッピングを繰り返しながら移動していきます。 図の黒色小球で示された0 ~ 8の経路は、酸素イオン間のホッピングに対応し、この結晶中の長距離伝導の律速過程です。このような原子レベルの描像は、イオン伝導材料の設計指針を与えてくれる重要な知見となります

(H.Fjeld, K.Toyoura et al.,
Phys.Chem.Chem.Phys.(2010).)