三菱ケミカル グローバル・コモンズ保全、東大と研究を開始

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2021年4月1日

 三菱ケミカルと東京大学は31日、グローバル・コモンズ(人類の持続的発展の共通基盤である地球環境システム)を守るための化学産業の役割に関する共同研究を4月1日から開始することで合意したと発表した。

 直面している地球環境危機を乗り越え、持続可能な未来を創っていくためには、経済社会の在り方や生活様式を大きく変えていく必要がある。こうした大きな変革に、素材産業である化学産業の果たすべき役割は極めて大きい。さらに、民間企業のみならず、中立的な立場にある大学がその知を結集して、共に取り組んでいくことが重要になる。今回の共同研究で、東京大学が昨年開設したグローバル・コモンズ・ センターと三菱ケミカルは、持続可能な経済社会を築くための化学産業の役割について2年間の予定で研究を行う。

 具体的には、プラネタリー・バウンダリーズ(地球上で人類が生存するための九つの限界値)の範囲内で活動するサステナブルな社会・経済の実現を目指して、化学産業自らの環境負荷低減に加えて、他の産業や消費者のために化学産業が果たすべき役割、解決すべき課題を検討し、ビジョンを描く。特に生産・消費(サーキュラーエコノミー)、エネルギー、食料、都市などの主要経済システムの転換に対して化学産業が貢献できることを研究する。

 今回の研究の特長は、専門性をもつ外部の知も結集して取り組むことにより、欧州をはじめとする海外での最新の取り組みも参考にしながら、主要化学品の原料からリサイクル・廃棄までの定量的なモデルを構築・活用して、日本の化学産業の取るべき道筋を明らかにするところにある。化学からのグローバル・コモンズ保全への貢献、そして社会・経済システム転換の道筋に関する今回の研究成果を、変革を起こすために残された時間があと10年しかないと警告されている中で、サステナブルな社会・経済の実現加速のために社会へ広く共有、発信し、社会変革を駆動していく考えだ。

(左から)藤井輝夫東京大学次期総長 、石井菜穂子ダイレクター、和賀昌之社長 、 五神真総長
(左から)藤井輝夫東京大学次期総長 、石井菜穂子ダイレクター、和賀昌之社長 、 五神真総長

NEDO レーザー技術を連携、プラットフォーム構築

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2021年3月10日

 NEDOはこのほど、事業成果を集約し、各装置がもつ加工品質の計測・評価技術やデータベースといった共通基盤技術を組み合わせることで、レーザー加工の課題解決に寄与する「柏Ⅱプラットフォーム」を構築した。

 NEDOが実施中のプログラム「高輝度・高効率次世代レーザー技術開発」(2016~2020年度)では、東京大学、産総研、三菱電機、スペクトロニクス、大阪大学、浜松ホトニクス、パナソニック、パナソニック スマートファクトリーソリューションズ、金門光波、千葉工業大学、レーザー技術総合研究所、ギガフォトン、島津製作所などが参画し、様々な特徴をもつ、最先端のレーザー光源・加工機を開発してきた。

 特に、難加工材の高品位加工を目指した今までにない短波長の高輝度レーザー加工機や、広範囲の焼き入れ加工などを可能とする高出力半導体レーザー、銅のマイクロ溶接などで期待される高出力高輝度青色半導体レーザー、加工や計測用途に期待される短波長ファイバーレーザーは、同プロジェクトで新たに開発した技術として早期実用化を進めるとともに、今回構築した加工プラットフォームで幅広くユーザーを掘り起こしていく。

 NEDOと13法人は今後、レーザー加工に関する産学官協創のために東京大学が設立した「TACMIコンソーシアム」と連携し、様々な材質、用途での加工事例を蓄積していくことで、同プラットフォームの機能向上に取り組む。これにより各種装置の特性とユーザーニーズの効率的なマッチングや装置横断的な加工データ取得を実現し、効率的かつ迅速な最適加工条件の探索が可能なものづくりの実現を目指すとともに、日本の競争力強化に貢献していく。

東京大学など、高次トポロジカル絶縁体で次世代省エネに一歩

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2021年1月26日

 東京大学と東京工業大学の研究グループはこのほど、産業技術総合研究所(産総研)、東京大学大学院、大阪大学大学院らの研究グループと共同で世界初の高次トポロジカル絶縁体の実現を擬一次元積層物質の実験で明らかにしたと発表した。

 高次トポロジカル絶縁体は、近年理論的に存在が予想された新しい量子相だ。結晶内部は絶縁体だが表面の特定の稜線が金属化し、スピンの向きのそろった電子が一次元で安定して流れる(スピン流)。電子の「電荷」と「スピン」の性質のうち、「電荷」を利用するのがエレクトロニクスだが、スピントロニクスは「電荷」と「スピン」の両方を活用する次世代省エネ技術の1つで、高性能ハードディスクなどに応用されている。原子層物質と呼ばれる薄いシート状物質を「積み木」のように積み上げることで、新奇な電気・磁気的性質を生み出せる。

 トポロジカル絶縁体は結晶の表面全体が金属化するのに対し、高次トポロジカル絶縁体は試料の稜線だけが金属的であることが予想されていたが、三次元結晶では未確認だった。今回、トポロジカル原子層を自在に組み換えられる擬一次元ビスマスハライド(ヨウ素、臭素化物)に着目し、積層の取り方によって様々なトポロジカル量子相を実現できる物質設計指針を提案した。また、角度分解光電子分光法による電子状態の直接観測で、Bi4Br4(ビスマス臭化物)が世界初の高次トポロジカル絶縁体であることを実証した。

 Bi4Br4は奇数番目と偶数番目の層が交互に180度反転しながら積み上がり、結晶表面には無数の階段構造が形成し1つ1つに稜線ができる。結晶内電子が感じる対称性が通常と異なるため、結晶の稜線だけが金属となり高次トポロジカル絶縁体状態となることが分った。また、稜線に沿って流れる電流の総量は大きいため検知できた。

 今後、積層の取り方による物質設計指針により、従来のトポロジカル絶縁体とは異なる新奇な性質が見出だされることが期待される。また、接着テープなどで積層物質からトポロジカル性質の薄片を取り出せるため、省電力スピン流デバイスや量子計算デバイスへの応用が期待される。

 

東大など 社会連携講座で走行中給電システムの開発へ

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2021年1月25日

 東京大学、デンソー、日本精工、ブリヂストン、ロームはこのほど、共同で社会連携講座「SDGsを実現するモビリティ技術のオープンイノベーション」を設置した。

 同大大学院新領域創成科学研究科で藤本博志准教授を含む2人体制で実施し、期間は2024年3月末までの3年4カ月。モビリティの電動化を支える技術や電動モビリティを省資源でより持続可能にする技術の研究開発と、オープンイノベーションとして成果の一部を開放する仕組みを試行する。社会連携講座は、公共性の高い共通課題を共同して研究を実施しようとする民間など外部からの経費などを活用し、教育研究機関に設置されるもの。

 モビリティは電気・電子・機械・材料工学など様々な分野の知識を駆使して開発されるため、4社と共同で複数の学術領域にわたる研究を進める。具体的には科学技術振興機構(JST)の未来社会創造事業の研究を発展させた「走行中給電システム」や「車両運動制御」、また「それらを組み合わせたシステム」を第1の研究テーマとする。

 走行中給電の社会実装には、車両搭載部品のほか給電設備や制御システムなど広範にわたる研究が必要なため、同講座で扱う研究にかかわらず参加者を積極的に迎え、技術革新の基盤を築くことを目指し、オープンイノベーションによる研究を推進する。また、オープンイノベーションの枠組みや規約など、成功する仕組みを構築する。

 第3世代走行中ワイヤレス給電インホイールモータを発展させ、新たな走行中給電システムの開発や新しいモビリティ技術開発を進め、2025年以降の実証実験フェーズへの移行を目指す。

東京大学 大面積有機半導体単結晶で高感度歪みセンサー

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2021年1月18日

 東京大学と産業技術総合研究所(産総研)、パイクリスタル社(ダイセル子会社)の共同研究グループはこのほど、印刷法で製造した大面積・高性能有機半導体単結晶ウエハー表面に非破壊で高選択的に二次元電子系を形成するドーピング手法を開発し、従来の金属製歪みセンサーの10倍程度の感度をもつ歪みセンサー開発に成功したと発表した。

 有機半導体は軽量性、柔軟性、印刷適合性などに優れ、シリコン半導体に代わる安価で大量生産可能な次世代電子材料として期待される。半導体の電子状態の制御には不純物ドーピングが不可欠だが、ユニークな形やサイズの有機半導体分子とドーパント分子が複合化すると単結晶性が乱れ、その高い電子性能は維持できない。

 今回、有機半導体単結晶薄膜をドーパント分子溶液に浸漬するだけで表面がドーパント分子と反応し、有機半導体の単結晶性を維持したまま表面に高密度の二次元電子系を形成させることに成功。有機半導体単結晶デバイスの抵抗を精密に制御でき、抵抗値を7桁以上下げられる。結晶性が保持されているため、単結晶性に特有の巨大歪み応答効果も現れ、外部応力に応じて抵抗値が変わるフレキシブル歪みセンサーが実証された。

 この技術により有機半導体を厚さ7㎛のフレキシブル基板上に印刷し、曲面に貼り付け可能な歪みセンサーを開発した。感度は0.005%程度と従来の金属製歪みセンサーの約10倍。繰り返し使用に耐えることも確認した。さらに、より高性能な有機半導体材料やドーパント材料の開発により、安価で大量生産可能な歪みセンサーデバイス、特にIoT社会に必要なRFIDタグやトリリオンセンサーユニバースへの貢献が期待される。

 パイクリスタル社は高い安定性と性能をもつ有機半導体単結晶の成膜技術を独自開発し、フィルム状でフレキシブルな有機半導体デバイスを開発してきた。今回の歪みセンサーと有機半導体デバイスの事業化に向けた量産体制の確立を進めており、有機半導体デバイスの開発・マーケティング活動を加速し、新たなソリューションを提案していく考えだ。

産総研と東大 深層学習で未知化合物物性を高速外挿予測

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2020年12月15日

 産業技術総合研究所(産総研)と東京大学はこのほど、量子物理学の密度汎関数理論(分子や結晶などの物性は電子密度のみで計算可能)に基づく深層学習技術を開発したと発表した。化合物の原子配置を電子の確率分布を表す波動関数に変換し、深層学習により電子密度やエネルギーなどの物性値を高速・高精度に外挿予測する。

 材料開発や創薬の分野では化合物のエネルギー、触媒の反応収率、発電材料の効率、薬剤の活性など様々な物性値の計算・予測が必要だが、理論計算・シミュレーションの計算コストは膨大である。深層学習技術により計算量は減るが、ブラックボックス性の計算であり解釈性・信頼性が低い上、学習データ範囲外のデータを推測する外挿予測は精度が低い。

 今回、産総研の最先端の機械学習技術の理論・アルゴリズムの開発と実データへの応用技術と、東京大学の機械学習技術を材料開発に利用するマテリアルズ・インフォマティクスに関する研究を統合。化合物の原子配置をまず原子の波動関数、そして分子の波動関数に変換。これに分子波動関数から得られる電子密度と原子配置から計算できるポテンシャルが一対一対応するような物理制約を課した上で、原子配置と物性値の大規模データベースを学習し、物性値を予測する。量子物理の基本情報を深層学習モデルの内部で表現・経由した上で化合物の物性値を予測するため、深層学習モデルのブラックボックス性がなく、予測結果の解釈性・信頼性が得られ、学習データから外れた未知の化合物の物性も外挿予測できる。

 理論計算予測値と実験値の誤差が1~2kcal/molであるのに対し、誤差2~5kcal/molと実用に耐える精度で外挿予測が可能。また20原子以上の複雑な構造でも、外挿予測誤差は小さいことを確認した。さらに理論計算では1分子に数十分から数時間かかるところを、数分で1万種類の分子予測が可能。これにより、実用に耐える外挿精度と10万倍以上の高速化を実現した。

 今後は材料開発や創薬の実応用に適用し、有用な触媒や薬剤の大規模な探索を行う。また物理学者・化学者と協力して物理学・化学関係の知識をより多く取り入れ、より高精度の予測ができる深層学習技術の開発を目指す。

東京大学ら ポリマー半導体への分子ドーピングが制御可能に

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2020年12月14日

 東京大学、産業技術総合研究所(産総研)、広島大学などによる共同研究グループは、世界で初めてポリマー半導体の立体障害と分子ドーピングの相関を明らかにし、ポリマー半導体の「隙間」サイズを制御することでドーピング量を100倍向上させることに成功した。

 半導体の結晶中に不純物(ドーパント)を添加することで、半導体中の電子数やエネルギーを精密に制御できる。 シリコン半導体のドーピングは、シリコン原子を別の原子に置換して行うが、ポリマー半導体のドーピングはユニークな形・サイズのポリマー分子とドーパント分子を複合化する必要があり、複雑な立体障害を制御する必要がある。

 同グループは結晶性ポリマー半導体へのドーピングに着目し、結晶性ポリマー半導体1ユニット当たり1ドーパント分子を高密度に複合化する技術を開発したが、ドーピング効果を最大化する分子設計指針は明らかではなかった。

 今回、結晶性ポリマー半導体のナノスケールの「隙間」に着目し、立体障害と分子ドーピングの相関を系統的に調査した結果、電気を流す骨格に周期的に付いた側鎖の密度を精密に制御し、隙間を適切に拡張することで、分子ドーピング量を100倍程度増加させることに成功。隙間を拡張した結晶性ポリマー半導体は従来の3倍程度の体積のドーパント分子を複合化でき、ほぼ最密充填された分子複合体を作製することにも成功した。

 結晶性ポリマー半導体の隙間とドーパント分子サイズの関係が明らかとなり、これまでにない様々な分子複合体材料の設計指針が明確になった。また、最密充填した分子複合体は金属のように電気が流れやすく、熱耐久性や環境耐久性も向上することが分ってきた。今後、異なる分子の複合化という単純な化学操作による革新的な電子・イオン材料の創製が期待される。

東京大学など n型有機半導体を開発、最小クラスの接触抵抗

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2020年11月26日

 東京大学、筑波大学、北里大学と産業技術総合研究所はこのほど、真空蒸着法と印刷法で良質な薄膜を再現性よく成膜でき、優れた大気安定性と電子移動度をもつn型有機半導体材料を開発したと発表した。また固いフェニル部位と柔らかいアルキル部位からなるフェニルアルキル側鎖が、分子集合体構造形成に重要であることを明らかにした。

 パイ電子系分子の有機半導体は一般に正孔が伝導しやすく、その多くが正孔輸送性(p型)で正孔移動度がアモルファスシリコンより一桁以上高い十㎠/V・s級のものもある。それに匹敵する電子移動度とプロセス適合性、大気安定性をもつ電子輸送性(n型)有機半導体の開発が求められている。

 同グループはBQQDI(ベンゾイソキノリノキノリンジイミド)骨格を開発し、フェニルエチル側鎖をもつPhC2-BQQDIが、高電子移動度・大気安定な単結晶薄膜を印刷法で成膜できることを見出だした。

 今回、側鎖アルキル部位の柔軟性に注目し、アルキル基の異なるPhCn-BQQDI(n=1~3)の集合構造と半導体特性を調べた。アルキル部位を選択することで印刷法でも真空蒸着法でも優れたデバイス性能と高い大気安定性が得られた。印刷法ではPhC2-BQQDIが最高の半導体性能を示し、電子移動度の計算予測と一致した。

 一方、真空蒸着法ではPhC3-BQQDIがより優れた電子移動度とn型有機半導体として世界最小クラスの有機半導体/金属電極の接触抵抗を示した。X線回折から集合構造はn数に依存し、良質で純粋な構造(単結晶)ほど接触抵抗が低いことが分かった。

 分子動力学計算による分子の揺らぎは、バルク単結晶中ではnが大きいほど大きく、薄膜中ではnが小さいと極端に大きい。印刷法(バルク状態)では揺らぎが小さいほど単結晶化、真空蒸着法(薄膜)では基板との相互作用を受けるため揺らぎが大きいものほど多形化すると考えられる。

 パイ電子共役骨格とフェニルアルキル側鎖との協同的挙動が、基板上での集合構造形成に重要で、今後の有機半導体材料開発の重要な分子設計指針となることが期待される。なおPhC2‐BQQDI試薬は富士フイルム和光純薬から販売中で、PhC3‐BQQDI試薬も今年度内に販売予定だ。

 

東大ら 高再現性・生体適合性高感度ラマン分光法を開発

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2020年10月15日

 東京大学、産業技術総合研究所、神奈川県立産業技術総合研究所はこのほど、東大合田圭介教授の研究グループが極めて高い再現性、感度、均一性、生体適合性、耐久性をもつ表面増強ラマン分光法(SERS)の基板を開発し、実用的な微量分析法を実現したと発表した。

 1970年代に発見されたSERSは、金属基板上の局在表面プラズモン共鳴(LSPR)により通常のラマン分光法よりも数桁以上高い感度で無標識の微量分析に有効であったが、感度は金属ナノ構造による強電磁場の位置(ホットスポット)に依存するため低再現性、不均一性で、金属基板の光熱と酸化による低生体適合性、低耐久性が課題であった。金属基板代替のシリコンやゲルマニウムナノ構造体、グラフェンなどの2次元材料、半導電性金属酸化物などは構造共鳴や電荷移動共鳴による最大5桁程度の感度増強が実証されたが、固有の光触媒活性や生体分子への有害性により、再現性は低かった。

 今回LSPRに依存しない、金属不含有の多孔質炭素ナノワイヤをアレイ状に配列したナノ構造体(PCNA)基板を開発。広帯域電荷移動共鳴による化学的増強により約6桁の感度増強を実現した。基板全面が活性化するため高い再現性と均一性、耐久性を示し、光熱によって損なわれていた生体適合性も大幅に改善した。これらの特性は、ローダミン6G、β‐ラクトグロブリン、グルコースなどの分子で実験的に実証した。またPCNA基板は1枚約1000円で大量生産が可能だ。

 同手法の高い実用性および信頼性により、分析化学、食品科学、薬学、病理学など多岐にわたる学術分野に加え、感染症検査、糖尿病検査、がん検診、環境安全、科学捜査などでの微量分析への展開が期待される。

 

 

東京大など 高製造性・高性能両立の有機半導体を開発

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2020年9月11日

 東京大学、富山高等専門学校、筑波大学、北里大学と産業技術総合研究所(産総研)はこのほど、特異な構造相転移挙動により高溶解性・高移動度・環境ストレス耐性をもち、高製造プロセス適性かつ高性能な有機半導体を開発したと発表した。その成果は、アメリカ化学会(ACS)学会誌のオンライン速報版で公開された。

 有機半導体は低分子間力の固体であり軽量・柔軟で、印刷で製造できるため低生産コスト・低環境負荷である。性能も市販アモルファスシリコンより1桁以上高い10㎠/Vs級の移動度をもち、次世代のプリンテッド・フレキシブルエレクトロニクス材料として期待される。しかし、高性能有機半導体分子の多くは有機溶媒への溶解性が乏しく、製造プロセスが限られることが課題であった。

 同研究グループが開発したデシル置換セレン架橋V字型分子C10-DNS-VWは、製造プロセス適性と高性能を両立している。SPring-8による構造解析で、高溶解性だが低電荷輸送性の1次元集合体構造と、高電荷輸送性だが低溶解性の2次元集合体構造の2種類の集合体構造を形成し、加熱処理により1次元から2次元に、良溶媒存在下では2次元から1次元へ相転移することが分かった。

 また分子動力学計算では基板表面では2次元集合体構造は1次元構造よりも安定であり、蒸着法や塗布結晶化法などの製造プロセスによらず、薄膜作製時に2次元構造が再現性よく得られた。一般的な芳香族溶媒に対して1重量%以上溶解するため、様々な印刷プロセスに適用できる。塗布プロセスで得られた単結晶薄膜を用いたトランジスタは、世界最高レベルの11㎠/Vsの移動度、良好な電荷注入特性、高環境ストレス耐性を示した。

 今回開発のC10-DNS-VWからなる有機半導体は、蒸着法や印刷法などの各種製造プロセスへの適合性が高い。電子タグやマルチセンサーなど各種ハイエンドデバイス開発を加速し、次世代プリンテッド・フレキシブルエレクトロニクス分野の起爆材料となることが期待される。