東北大学 研究シーズ集

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第一原理計算

熱力学物性の電子論計算と材料開発への応用

特徴・独自性
絶対零度での物質の生成エネルギーの第一原理計算や有限温度における自由エネルギーのクラスターによる計算、粒界や積層欠陥の構造・物性、液体やガラス構造の熱力学的性質などを計算する研究を行っています。さらに、不純物を効率的に除去できる高純度化プロセスを用いて世界最高水準の高純度金属を作製し、得られた熱力学物性値を高い精度で検証をしています。

産学連携の可能性(想定される用途・業界)
このような最新の計算手段と実験技法を駆使して、磁性体や半導体、Mg合金をはじめとする次世代のマテリアル開発、融体やガラスの物性評価、状態図計算など、材料学の様々な新しい問題に挑戦します。

多元物質科学研究所
大谷 博司 教授
OHTANI, Hiroshi Professor

対応粒界

粒界工学による粒界劣化現象抑制に基づく高特性材料の開発

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特徴・独自性
オーステナイト系ステンレス鋼やニッケル合金は粒界劣化現象が永年の大きな問題である。当グループの開発した粒界工学制御プロセスは、通常ステンレス鋼の粒界腐食(図1,2)、溶接部腐食、応力腐食割れ、液体金属脆化、放射線損傷などに対する抵抗性を著しく向上させるとともに、高温クリープ破断寿命を顕著に延長(図3)させるなど、粒界劣化現象抑制による著しい特性改善を実現した。

産学連携の可能性(想定される用途・業界)
この粒界工学制御技術により、金属材料の耐食性や高温寿命の向上が期待できることから、電力・化学プラント配管、高温高圧容器、食品加工機器などの製造業への適用が想定される。

工学研究科 材料システム工学専攻
佐藤 裕 教授 博士(工学)
SATO, Yutaka Professor

大気圧低温プラズマ

イオン制御プラズマによるナノ・メディカル・アグリ応用技術開発

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特徴・独自性
人の手で触ることのできるような非平衡(低温)プラズマ中のイオン、電子、活性種(ラジカル)を制御して生成する技術(イオン制御プラズマ)を開発・活用することで、ナノエレクトロニクス分野ではナノ粒子・ナノカーボン・生体分子の複合物質を創製でき、医療分野では極めて低侵襲で細胞内に薬剤(抗がん剤)や治療用遺伝子を高効率で導入することができ、さらに農業分野では農薬に代わって殺菌を行うことができる。

産学連携の可能性(想定される用途・業界)
イオン制御プラズマを、人に優しい低侵襲・高効率の遺伝子・薬剤導入装置、自然に優しい農薬不使用栽培システム、地球に優しい高効率電池電極材料創製等に応用する研究を行っている。プラズマの新たなナノ・メディカル・アグリ応用技術を産業界で活用したい企業や団体との共同研究を希望する。

工学研究科 電子工学専攻
金子 俊郎 教授 博士(工学)
KANEKO, Toshiro Professor

大気圧プラズマ

大気圧プラズマ流による次世代滅菌法の開発

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 プラズマ滅菌は化学反応性、大気圧低温、低消費電力、低コスト、安全などの利点を有するため、既存の滅菌法の代替滅菌法として開発が進められている。本研究室では、様々な大気圧低温プラズマ流に対して、化学種生成輸送機構や滅菌効果について解明してきた。図1に示すように大腸菌にプラズマを照射すると、細胞内部よりカリウムが漏出してくる現象や細胞の高さが減少し変形することなどを明らかにしている。また、図2に示すように細管内部にプラズマを非一様に生成し、誘起される流れにより化学種を輸送して細管内壁を滅菌する手法を開発している。この技術を産業界で活用したい企業や団体との共同研究を希望する。

流体科学研究所
佐藤 岳彦 教授 工学博士
SATO, Takehiko Professor

大気汚染

衛星によるPM2.5を含む越境大気汚染モニタリング

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特徴・独自性
米国の地球観測衛星アクア、テラ、NPP等を直接受信し、独自の多次元画像解析方法を開発している。図は中国大陸を発生源とする大気汚染(黄)と黄砂(赤)である。2014年2月23日に黄海に溜まった大気汚染物質は24日に朝鮮半島を越え、一部は九州北部に達し、25日には本州に到達していることが分かる。シミュレーションとは違い実際の観測によるため信頼性が高い。地上の化学分析と照合することで大気汚染物質にPM2.5が含まれていることが分かった。

産学連携の可能性(想定される用途・業界)
深刻な大気汚染の影響を受けている地域では、この研究を併用することで状況の正確な判断と予測が可能になるので、その関係の企業・団体・業界等との連携を期待している。

東北アジア研究センター
工藤 純一 教授 工学博士
KUDOH, Jun-ichi Professor

代謝解析装置

代謝解析装置の開発

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 生体の代謝状態を的確かつ簡便に測定することができるように構成した生体の代謝状態を解析する装置及録媒体に関する発明であり、任意の時点と異なる2時点間での脂肪組織における酸素消費量とエネルギー産生量を換算するソフトウエアを備える点に特徴を有する(特許第3848818)。
 前記健康管理に有益な指針情報として、身体インピーダンスの計測値に基づく任意の1時点における代謝状態を表す指標と、異なる2時点における代謝状態を表す指標(脂肪組織における酸素消費量とエネルギー産生量)を算出できる点に特徴を有する。本算出法は既存の体脂肪計に備えられている基礎代謝量の推定換算方法とは全く別の算出式を使用し、より高精度である。本装置の解析ソフトは、インピーダンス値や除脂肪量を算出する装置に追加して備えることも可能である。
 本発明(特許)を活用して事業化を企てる企業または出資者・開発支援者を求めている。

医工学研究科
野々垣 勝則 教授 医学博士
NONOGAKI, Katsunori Professor

大自由度システムの制御

生物のようにレジリエント(しなやかでタフ)な人工物の開発

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特徴・独自性
生物は、比較的単純な機能を有する要素が多数集まって相互作用することで、予測不能的に変動する実世界環境下であってもしぶとくかつタフに振る舞うことができる。当研究室では、自律分散制御という概念を基盤として、このように優れたリジリアンスを持つ生物の設計原理の解明を通して、従来の人工物に比べて著しい環境適応性や耐故障性を有する人工物の設計・開発に関する研究を進めている。

産学連携の可能性(想定される用途・業界)
大自由度システムの制御や、実世界環境下で適応的に行動するロボットの開発など。

電気通信研究所
石黒 章夫 教授 工学博士
ISHIGURO, Akio Professor

耐衝撃性ポリスチレン

難処理性高分子廃棄物の化学リサイクル

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特徴・独自性
PET、PVC、HIPS等の廃プラスチックを、付加価値の高い化学物質への転換を目的に、乾式及び湿式プロセスで種々の高分子廃棄物リサイクルの研究をしている。例えば、PETの脱カルボキシル化にて、高収率でベンゼンを得ることに成功。また、難熱性プラスチックやPVCの脱ハロゲン化プロセスを開発し、炭化水素として燃料利用等を検討している。さらに、抗菌性やイオン交換特性を付与することを目的に、PVCの塩素の一部を官能基で化学修飾する研究をしている。また、HIPSの熱分解による脱ハロゲン化で、高収率でスチレンを得ることができる。これらの技術を用いて、金属・プラスチック複合物から金属とプラスチックを効果的にリサイクルする化学プロセスを構築している。

産学連携の可能性(想定される用途・業界)
廃棄物のリサイクルプロセスの開発に付随して起こる諸問題を解決するための方法を提供することができる。

環境科学研究科
吉岡 敏明 教授 工学博士
YOSHIOKA, Toshiaki Professor

大深度

各種環境に対応した大深度地殻応力計測技術

CO2の地中貯留,深海底面下にあるメタンハイドレート層からのメタンガス生産、地熱エネルギー抽出などのフロンティア地殻工学、さらには、原子力発電所の耐震設計等への応用を目的として、対象地層に作用する地殻応力を孔井を使って定量的に評価するための方法を開発している。これによれば、地表面ないし海表面からキロメートル級の深度、高温環境さらには固結のみならず未固結岩体への適用が可能である。特にBABHYと名付けた方式については、800 mという実用深度での適用実験に成功した。また、この業績に対して、国内岩の力学連合会論文賞、米国岩石力学協会論文賞などを受賞した。これらの技術を産業界で活用したい企業や団体との共同研究を希望する。

流体科学研究所・複雑系流動研究部門・大規模環境流動研究分野
伊藤 高敏 教授 工学博士
ITO, Takatoshi Professor

大腸がん

大腸がんにおけるABC トランスポーターの発現制御

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特徴・独自性
大腸がんは、わが国のがん死亡原因の上位に位置し、手術療法以外には根治的治療法がない。がん部の特徴を探索するために、私たちは大腸がん部と非がん部の転写産物を網羅的に解析している。例えば抗癌剤の有効性決定因子の一つであるABC トランスポーターの発現に注目したところ、ABC トランスポーターの一つであるABCC3は大腸がん発がんに関わるWnt シグナルによって抑制されることを見出した。

産学連携の可能性(想定される用途・業界)
臨床検体から容易にトランスクリプトームをはじめとする網羅的解析を行うことができるようになった。これらの結果は、創薬標的発見の一助となることが期待され、製薬業界でこの知見の展開を希望している。

医学系研究科
中山 啓子 教授 医学博士
NAKAYAMA, Keiko Professor

体内埋込医療機器

非接触エネルギー伝送を用いた産業機器・医療機器の開発

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特徴・独自性
独自技術を用いた非接触電力伝送システムを中心に数ワットから数十キロワットクラスの幅広い開発を行っている。産業機器ではモバイル機器を始めEVや工場内搬送装置に至る幅広い対応が可能である。医療機器では人工心臓への電力伝送や、主に四肢不自由者の運動機能再建を目指す機能的電気刺激装置(FES)の開発、がん治療として体内の温度計測を必要としない小型埋込素子を用いたハイパーサーミアの開発を行っている。

産学連携の可能性(想定される用途・業界)
産業・医療用途共に、独自の信号伝送システムも併せて開発を行い実用化している。

医工学研究科
松木 英敏 教授 工学博士
MATSUKI, Hidetoshi Professor

耐熱材料

析出強化型Co基超耐熱合金

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これまで、Co基合金は高温材料として利用できる金属間化合物γ’相が存在しないため、高温強度がNi基合金に比べて低い問題がありました。我々は、新しい金属間化合物相Co3(Al,W) γ’相を発見し、γ/γ’型Co-Al-W基鋳造及び鍛造合金で優れた高温強度が得られています。1100℃以上の超高温用としてはIr-Al-W合金があります。また、Co基合金は耐摩耗性に優れる特徴を有しています。例えば、摩擦攪拌接合(FSW)ツールとして優れた特性を示し、従来、FSWが困難であった鉄鋼材料やチタン合金などの接合に対しても高いパフォーマンスを確認しています。各種、高温部材、耐摩耗部材、FSWへの適用に向けた共同研究を希望します。

工学研究科 金属フロンティア工学専攻
大森 俊洋 准教授 工学博士
OMORI, Toshihiro Associate Professor

耐摩耗

高機能カーボンナノチューブーアルミナ複合材料の開発

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特徴・独自性
分散が困難とされていた、カーボンナノチューブ(CNT)を配合したセラミック複合材料の開発に関して、CNTの剛性ならびに表面性状を制御することにより均一分散させたCNT/アルミナ複合材料の作製に成功した。さらに、無加圧焼結によりアルミナ単味の強度特性を大きく超える複合体を作製できている。これを背景に、試作したCNT/アルミナ複合材料の機械・電気的特性の向上と実用化に向けた基礎研究を行っている。

産学連携の可能性(想定される用途・業界)
トライボ応用、強度と耐摩耗性が要求される人口股関節等の生体材料、電気ひずみ効果を利用したマイクロアクチュエータ、数GHz~数10GHz程度の周波数帯における電波吸収材料への応用展開が期待される。

工学研究科
橋田 俊之 教授 工学博士
HASHIDA, Toshiyuki Professor

太陽電池

システムに変革をもたらす素子応用を鑑みた半導体材料開発とその物性研究

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特徴・独自性
1. 現在の高度情報化社会を支える光通信用分布帰還型半導体レーザ:1981年、波長1.55μmにおいて単一縦モードでの室温連続発振に世界で最初に成功。1988年にシステム導入され、現在では、ファイバ1本あたり伝送容量10Tb/sの通信が実現されている。
2. 青色発光ダイオードで知られる窒化物半導体:素子応用を鑑み、1987年、InGaAlNを提案。1989年、青色発光材料InGaNの単結晶薄膜成長。1991年、InGaNのフォトルミネッセンスを観測。本技術は、市販の青色LED作製の標準技術。最近では、窒化物半導体のエピタキシャル成長に適した加圧型MOVPE装置を新たに開発し、結晶品質の向上に成功している。
3. 高周波・高出力・高耐圧トランジスタの開発を、GaN自立基板の作製から進めている。その特徴は、結晶極性の制御、特にN極性成長技術を基礎にしている。

産学連携の可能性(想定される用途・業界)
分布帰還型レーザ:サブミクロン周期構造の作製、微細構造を有する半導体基板上への薄膜成長、レーザの作製プロセスおよび素子評価技術、レーザシミュレーション
窒化物半導体:有機金属気相成長法、結晶の評価、発光素子・太陽電池・電子デバイスの作製と評価の技術

金属材料研究所
松岡 隆志 教授 工学博士
MATSUOKA, Takashi Professor

リチウム電池や太陽電池などのエネルギーデバイスプロセッシング

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 本間研究室では21世紀の科学技術が取り組む最重要課題である地球持続技術・低炭素化社会構築の為にナノテクノロジーを利用した再生可能エネルギー技術のフロンティア開拓を行う。新デバイス・新材料開発を中心に、太陽電池、燃料電池、二次電池等の革新的エネルギー技術を世に発信し地球温暖化対策のイノベーションを起こすことを目的としている。
 革新的エネルギー変換デバイスを実現するために、単原子層電極であるグラフェン、金属酸化物ナノシート、ナノ結晶活物質、イオン液体、表面ナノ薄膜などの革新的ナノテクノロジーの基礎研究から高容量・高出力型リチウム二次電池、全固体型リチウム二次電池、金属空気電池、大容量キャパシタ、太陽電池などの高性能電極材料・デバイス創製の精密化学プロセスを研究する。これらの革新的エネルギーデバイスを要素技術としてスマートグリッド、電気自動車や再生可能エネルギーの基盤強化に貢献するとともに産業界との共同研究を積極的に推進する。

多元物質科学研究所
本間 格 教授 工学博士
HONMA, Itaru Professor

電子デバイスの高性能・高信頼化のための配線材料と形成プロセスの開発

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特徴・独自性
半導体デバイスからなる電子製品は、半導体自体はもとより、半導体に接続する金属配線があって製品として動作する。金属配線に求められる課題は、半導体材料との良好な電気的コンタクト、相互拡散の防止、良好な密着性、および配線材料の低電気抵抗、耐腐食性、プロセス耐性などがある。本研究室では、種々のデバイスのニーズにあった配線材料の開発ならびにコストパフォーマンスを追求したプロセス技術を開発することによって、高性能かつ高信頼性の先端デバイス開発に貢献している。

産学連携の可能性(想定される用途・業界)
Si半導体多層配線において拡散バリア層を自己形成するCu合金配線、IGZO酸化物半導体に対して熱反応によるキャリアドーピングを行えるCu合金配線、SiCパワー半導体に対して優れた熱・機械的信頼性と良好なコンタクト特性を示すNb合金配線、タッチパネル用途などのITO透明導電膜に対するCu合金配線、太陽電池におけるCuペースト配線、などがある。

未来科学技術共同研究センター
小池 淳一 教授 Ph. D.
KOIKE, Junichi Professor

太陽電池用Si多結晶インゴットの成長技術開発

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特徴・独自性
太陽電池用Si多結晶インゴットの高品質化成長技術開発を進めている。従来の結晶成長技術に比較して、不純物や結晶欠陥が少ないSi多結晶インゴットを作製する独自の技術開発を行っている。

産学連携の可能性
Si結晶インゴット製造メーカー、結晶成長炉製造メーカー、太陽電池製造メーカーとの産学連携の可能性がある。

金属材料研究所
藤原 航三 教授
FUJIWARA, Kozo Professor

太陽熱発電

再生可能エネルギーの高効率利用システムの研究

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特徴・独自性
地球規模の環境破壊やエネルギー問題を解決するためには、高効率なエネルギー利用システムの開発と共に、再生可能なクリーンエネルギー利用技術を研究する必要が有ります。我々は、太陽エネルギーや水素などの新エネルギー利用技術に関する研究に取り組んでいます。研究テーマは大きく分けて熱放射スペクトル制御を用いた、高効率な熱エネルギー利用と水素エネルギー社会の実現に向けた固体酸化物燃料電池の研究です。

産学連携の可能性(想定される用途・業界)
環境調和型のエネルギーシステムにとって重要であり、今後の成長が期待される分野です。

工学研究科 機械システムデザイン工学専攻 新エネルギー変換工学分野
湯上 浩雄 教授 工学博士
YUGAMI, Hiroo Professor

大容量キャパシタ

二次電池、太陽電池等のクリーンエネルギーデバイスとナノテクノロジー

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特徴・独自性
革新的エネルギー変換デバイスを実現するために、単原子層電極であるグラフェン、金属酸化物ナノシート、ナノ結晶活物質、イオン液体、表面ナノ薄膜などの革新的ナノテクノロジーの基礎研究から高容量・高出力型リチウム二次電池、全固体型リチウム二次電池、金属空気電池、大容量キャパシタ、太陽電池などの高性能電極材料・デバイス創製の精密化学プロセスを研究する。

産学連携の可能性(想定される用途・業界)
これらの革新的エネルギーデバイスを要素技術としてスマートグリッド、電気自動車や再生可能エネルギーの基盤強化に貢献するとともに産業界との共同研究を積極的に推進する。

多元物質科学研究所
本間 格 教授 工学博士
HONMA, Itaru Professor

対話型授業

対話型教授システムIMPRESSIONによる次世代教育環境

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特徴・独自性
IMPRESSIONは、対面教育、遠隔教育の双方において各種マルチメディア教材を活用した対話型インストラクションのための教授システムです。このIMPRESSIONでは、講師と学習者との対話に着目した成長型教授設計プロセスモデルであるダブルループモデルに基づき、実際の学習者に応じたインストラクションの設計、実施、評価、改善を可能とし、これにより、効果的で魅力的な教育を実現します。

産学連携の可能性(想定される用途・業界)
一般的な学校教育現場における高度なメディア活用教育のほか、遠隔地の社員を対象とした研修等、各種教育の実施環境、および、そのためのデザインツールとして活用することができます。

教育情報基盤センター
三石 大 准教授 博士(情報科学)
MITSUISHI, Takashi Associate Professor