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熱放射

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。
実用化イメージ

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。

研究者

大学院工学研究科 機械機能創成専攻 エネルギー学講座(新エネルギー変換工学分野)

湯上 浩雄  

Hiroo Yugami

熱力学

エコマテリアルプロセス

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特徴・独自性
  • 溶融鉄合金・スラグの熱力学的性質、反応速度論、複合酸化物の相平衡など、鉄鋼を中心とした金属製造プロセスに関する物理化学的基礎研究、金属スクラップや廃棄物リサイクルの熱力学、スラグを利用した炭酸ガス固定化等、環境関連の研究を行っている。最近では、従来行ってきた素材製造プロセス工学に基礎を置く研究手法に、計量経済学、LCA、物質フロー分析などを融合させ、他に類を見ない独特の環境研究を展開している。
実用化イメージ

高炉、電炉鉄鋼メーカーとは従来より強く連携して研究を進めてきたが、スラグ等製錬副生物の高度資源化のために、非鉄メーカー、廃棄物中間処理事業者、行政とも連携していきたい。

研究者

未来科学技術共同研究センター 開発企画部

長坂 徹也  

Tetsuya Nagasaka

ヒトの五感に訴える新製品・新分野を開発-亜臨界溶媒分離法における実験と理論の開発―

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概要

超臨界/亜臨界抽出分離技術とは、水や二酸化炭素等の物質を高圧・高温にした際に、それらが液体と気体の両方の性質を併せ持った流体(超臨界/亜臨界流体)となることを利用し、その流体を用いてこれまで分けられなかった様々な物質を抽出分離できる技術です。特に亜臨界抽出では、より温和な条件での抽出分離を実現しています。有機溶剤を使用しないグリーンな抽出分離プロセスや装置、理論の研究開発を行っています。

従来技術との比較

開発した亜臨界溶媒分離法は,在来型の蒸留・抽出・分離等の化学工学プロセスとは異なり,大幅なスケールダウンを実現できることがメリットです。

特徴・独自性
  • 水,エタノール,二酸化炭素等の環境溶媒のみを製造工程に用いることができる
  • SDGsの推進
  • 日本発の医薬食品・飲料・化粧品・化成品等の製造工程のグリーンイノベーション
  • これまでに分離できなかった、利用できていなかった有用成分の利活用
実用化イメージ

低極性・高極性化合物や沸点の異なる化学物質の分離に長けています.クロマト法の精密性には及びませんが,物質群としての分離・分画操作には向いています.医薬食品・飲料・化粧品・化成品等の分野に応用できます。

研究者

大学院工学研究科 附属超臨界溶媒工学研究センター 溶媒要素技術部

大田 昌樹  

OTA Masaki

newナノスケールの構造と組成不均一性を利用した鉄鋼材料の組織制御

概要

安全性を確保しつつ、自動車の燃費改善または構造物の小型化を実現するため、最も多く使われている鉄鋼材料の高強度化が求められる。これまで合金組成や熱処理プロセス条件を変えることで材料全体の平均的な組織制御が行われてきたが、ナノスケールの組織制御が未成熟である。本研究では、これまでの実験調査で困難であったナノスケールの構造・組成不均一性の生成挙動を調査し、高強度鋼組織制御の指針構築に取り組んだ。

従来技術との比較

従来では鉄鋼材料の組織制御は経験的な条件に基づくことが多いが、本研究では熱力学・速度論・結晶学などの知識に基づき鉄鋼材料におけるナノスケールの組成・構造不均一性の挙動を解明した。

特徴・独自性
  • 様々な先端技術を組み合わせた多面的解析手法で実験調査を行い、ナノスケールの構造・組成不均一性の生成挙動を調査した。
  • 実験結果をもとに、熱力学・速度論・結晶学などの観点で解析を行うことにより、その不均一性におよぼす諸因子の影響を解明した。
  • 実験解析に留まらず、熱力学データを活用してその挙動の再現、さらに予測ができるような理論計算も同時に実施した。
実用化イメージ

鉄鋼材料の高強度化に基づき、自動車をはじめとした輸送機器の軽量化または構造物の小型化が可能となり、素材製造や輸送分野のCO2削減の観点でカーボンニュートラルの実現への貢献が期待される。

研究者

金属材料研究所 材料設計研究部 金属組織制御学研究部門

張 咏杰  

Yongjie Zhang

熱力学量測定

アトミックスケールの構造観察と材料特性

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特徴・独自性
  • 金属材料や希土類金属等の材料特性は,原子スケールの構造により大きく変化するため,中性子やX線による原子の位置やその動きの観察は,材料特性の起源解明や,特性制御に重要な特徴量を明らかにする上で効果的です。近年は中性子の特徴を活かした観測手法の高度化に取り組んでいます。また恒弾性特性等の未解明な起源を明らかにするために研究を行っております。
実用化イメージ

物質内部を観るときには,観たいものと相互作用する探子(スパイ)を送り込みます。X線では観えない(とらえにくい)場合でも,中性子を用いると観える場合がありますので,ご相談いただければと思います。

研究者

金属材料研究所 材料物性研究部 量子ビーム金属物理学研究部門

池田 陽一  

Yoichi Ikeda

燃焼

高圧ガスタービン環境における燃焼評価と気流噴射弁の技術開発

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特徴・独自性
  • 燃焼は、温度、濃度、速度、高速化学反応といった多次元のダイナミックスが複合した複雑な過程です。当研究室は、高圧ガスタービン環境を実現できる世界的にも希な高圧燃焼試験装置を有し、高温高圧下の燃焼実験ならびにレーザー分光計測に独自性があります。航空宇宙推進系のみならず各種高圧化学反応炉の設計技術と安全評価技術、新燃料の燃焼技術、さらには高圧下の液体微粒化技術の研究開発にも取り組んでいます。
実用化イメージ

航空宇宙、自動車、電力、工業炉、化学プラント業界における、多様な燃料に対するガスタービン燃焼と評価、高圧噴霧生成と制御、高圧下のレーザー燃焼診断、化学反応炉の安全設計等に関する連携が可能です。

研究者

流体科学研究所

小林 秀昭  

Hideaki Kobayashi

温度勾配型マイクロフローリアクタによる着火・燃焼特性の測定・評価

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特徴・独自性
  • 多様な燃料の着火・燃焼特性を客観評価する新原理の試験法を開発・実用化した。流れ方向に温度が徐々に上昇するよう外部から温度分布制御した微小流路を用いる。燃料が温度上昇と共に低温(600K程度)から酸化剤と反応開始、反応完了(〜1300K)までの過程(通常は高速の過渡現象「着火現象」)を、温度域別に分離した定常な複数反応帯(火炎クロマトグラフィ)として安定化することに成功した。
実用化イメージ

オクタン価やセタン価推定、天然ガス成分別の反応特性解明を既達成。簡便な標準的燃焼化学反応の試験装置として、各種燃焼器開発への適用、不明燃料の着火特性解明にも応用可能である。

研究者

流体科学研究所 附属統合流動科学国際研究教育センター エネルギー動態研究分野

丸田 薫  

Kaoru Maruta

水素エネルギーシステムの統合型安全管理技術の開発

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特徴・独自性
  • 水素高速高圧充填に対する安全性対策が求められています。高圧水素タンクの初期欠陥に起因するき裂伝ぱにより破損した際の反応性水素ガス漏洩の拡散・燃焼現象を調べるために、異分野融合的研究アプローチによって材料構造と反応性乱流多相流を同時に解析する連成解析手法を開発しました。さらに、高圧タンク隔壁の亀裂伝播による破損で漏洩する水素の拡散流動特性と燃焼限界に関連する新しい数値予測手法を開発しました。
実用化イメージ

高圧タンク隔壁のき裂伝播により漏洩する水素拡散流動特性と燃焼限界にの数値予測が可能となりました.各種輸送機用水素貯蔵容器の設計や水素ステーション構成の安全性指針策定・リスクマネージメントに貢献します。

研究者

流体科学研究所 附属統合流動科学国際研究教育センター 混相流動エネルギー研究分野

石本 淳  

Jun Ishimoto

粘弾性計測

心臓・血管系動態の高精度超音波計測

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特徴・独自性
  • 心臓・動脈に照射し反射した超音波の解析で、従来のエコー装置で検出できない、対象物の振動や変形をミクロンオーダで数百Hz帯域(肉眼では捉えられない速い成分)まで高精度計測する方法を開発(図1)。心臓壁の動きの高精度計測でポンプ機能を司る壁伸縮特性評価、収縮のもととなる心筋興奮伝播の可視化、心臓弁開閉時に発生する微小振動伝播可視化(図2)、脈圧に伴う動脈壁厚み変化計測による壁硬さ評価(図3)が可能。
実用化イメージ

超音波計測は非侵襲であり、医療のみならず、健康維持の様々な計測にも展開可能です。超音波計測部分はアナログですが、主な処理はディジタル信号です。

研究者

大学院工学研究科 電子工学専攻 電子制御工学講座

金井 浩  

Hiroshi Kanai

粘膜免疫

乳腺免疫系の発達を促す分子メカニズム

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特徴・独自性
  • 家畜の三大疾病の一つとして知られる乳房炎は、乳牛の乳房に病原微生物が感染することで引き起こされる粘膜感染症であり、その被害は甚大である。これまで、乳房炎を予防・治療することを目的とした研究が多数行われてきたが、効果的な技術の確立には未だ至っていない。我々は、授乳期特有の乳腺免疫系の発達に関わる分子群を探索することで、乳腺での効果的な免疫誘導を可能にする乳房炎予防・治療技術の開発に取り組んでいる。
実用化イメージ

乳牛の乳房で効く、乳腺免疫学に立脚した乳房炎粘膜ワクチンを開発することに興味をお持ちの企業との産学連携を進めたい。

研究者

大学院農学研究科 生物生産科学専攻 動物生命科学講座(動物機能形態学分野)

野地 智法  

Tomonori Nochi

粘膜ワクチン

乳腺免疫系の発達を促す分子メカニズム

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特徴・独自性
  • 家畜の三大疾病の一つとして知られる乳房炎は、乳牛の乳房に病原微生物が感染することで引き起こされる粘膜感染症であり、その被害は甚大である。これまで、乳房炎を予防・治療することを目的とした研究が多数行われてきたが、効果的な技術の確立には未だ至っていない。我々は、授乳期特有の乳腺免疫系の発達に関わる分子群を探索することで、乳腺での効果的な免疫誘導を可能にする乳房炎予防・治療技術の開発に取り組んでいる。
実用化イメージ

乳牛の乳房で効く、乳腺免疫学に立脚した乳房炎粘膜ワクチンを開発することに興味をお持ちの企業との産学連携を進めたい。

研究者

大学院農学研究科 生物生産科学専攻 動物生命科学講座(動物機能形態学分野)

野地 智法  

Tomonori Nochi

燃料デブリ

newウィークビーム走査透過電子顕微鏡による原子力材料中の微細組織の定量解析

概要

格子欠陥定量解析法として極めて高い計測精度を誇るウィークビーム走査透過電子顕微鏡(WB-STEM)法の中で放射化試料・核燃試料の微細組織(転位および照射欠陥集合体など)を定量解析する技術を開発しました。
カートリッジ式の加熱炉の温度計測と電流制御を完全自動化した専用の加熱試料ホルダーとの組み合わせで、高い信頼性の温度履歴と一緒に転位組織の変化を動的にその場計測できます。

従来技術との比較

従来TEM法では逆空間や転位論などの専門知識を必要としましたが、我々のWB-STEM法では膜厚計測や転位ループ特徴抽出など自動解析ソフトウェアを実装しており、簡便かつ高精度な照射欠陥分析ができます。

特徴・独自性
  • WB-STEM法は、その設計当初から原子力材料を取り扱う放射線管理区域内での、実装とオンサイト修理を想定して特殊孔径絞りや回折ディスク選択装置、制御・解析ソフトウェアを開発しています。
  • 欧州炉RPV監視試験片、米国研究炉中性子照射材など世界中の放射化試料の照射欠陥分析を受け入れています。
  • 廃炉事業に鉄含有核燃料模擬デブリの性状分析にも活用されています。
実用化イメージ

現在、透過電子顕微鏡を用いて組織観察を実施している研究組織が新たに特殊改造によってWB-STEM法を導入することをサポートをします。透過電子顕微鏡の使用実績の無い研究者に転位分析の手順を指導します。

研究者

金属材料研究所 附属量子エネルギー材料科学国際研究センター 研究部

吉田 健太  

Kenta Yoshida

燃料電池

固体イオニクス材料のエネルギー変換・貯蔵・利用技術への応用

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概要

従来技術との比較

特徴・独自性
  • 固体イオニクスを中心として高度なエネルギー変換を実現するための機能性材料の開発を行っている。燃料電池や蓄電池の高性能化のためには、高いイオン伝導度と化学的安定性を有するイオン導電体や混合導電体が必要とされ、これら材料を酸化物の欠陥化学や熱力学に基づき探索し、デバイスに応用している。これまでに酸素分離膜型水素製造システムや全固体リチウム電池を開発している。
実用化イメージ

酸化物イオン・電子混合導電体は小型水素製造システムや燃料電池の電極材料、酸素吸蔵放出材料、純酸素の工業的利用と関連が深く、リチウム伝導体は発火の危険性のない全固体電池への応用が期待される。

研究者

大学院工学研究科 知能デバイス材料学専攻 情報デバイス材料学講座(エネルギー情報材料学分野)

髙村 仁  

Hitoshi Takamura

エネルギー利用を目指した“水素化物”の基盤・応用研究

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特徴・独自性
  • エネルギー利用を目指した“水素化物”の基盤・応用研究に取り組んでいます。主要なテーマは、燃料電池などの水素利用技術を支える高密度水素貯蔵材料の開発です。現在、軽量元素や特異なナノ構造を有する新たな錯体・合金・ペロブスカイト水素化物群を合成し、原子・電子構造解析なども駆使した多面的な研究を進めています。また、リチウム高速イオン伝導材料などの“水素化物”に関する広範な研究領域も開拓しています。
実用化イメージ

水素利用・貯蔵システムや次世代二次電池などの基盤材料開発を通して、素材・電気・エネルギーなどに関する産業展開に貢献するとともに、関心をお持ちの企業・団体などへの学術指導も積極的に実施しています。

研究者

高等研究機構材料科学高等研究所 デバイス・システムグループ

折茂 慎一  

Shin-Ichi Orimo

燃料電池内部の物質輸送現象の量子・分子論的解析

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特徴・独自性
  • 通常の連続体理論では把握できない燃料電池内部の様々な物質輸送特性を、物質を構成する原子・分子の挙動として捉え、量子論と分子運動論をつなぐ独自の手法を用いたマルチスケール解析によりその物質輸送特性の解明を行っている。量子化学計算等の手法により物質輸送現象を支配する量子力学的要因を明らかにし、その本質的な性質を失わない形でポテンシャルモデルを構築し、分子動力学計算に繰り込んだ計算を行っている。
実用化イメージ

燃料電池業界はもちろんのこと、ナノスケールの構造を有するデバイスの流動現象の解析、たとえば半導体製造プロセスや摩擦現象の解析、次世代電源の開発等に応用可能である。

研究者

流体科学研究所 ナノ流動研究部門 量子ナノ流動システム研究分野

徳増 崇  

Takashi Tokumasu

表面科学に立脚した燃料電池電極触媒開発

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特徴・独自性
  • 新規ナノデバイス開発には、異相界面における物理的、化学的相互作用の解明に基づいて、その構造設計指針を提示することが不可欠である。本研究分野では、よく規定された金属・合金表面系を物理的手法(超高真空下おける分子線エピタキシ)により構築した上で、走査プローブ顕微鏡や光電子分光による表面構造や電子状態解析し、得られる基礎的知見に基づいたナノ材料構造設計指針に関する研究を行っています。
実用化イメージ

従来の“触媒”を化学ナノデバイスとしてとらえ、その構築をボトムアップアプローチで進めていきたいと考えています。燃料電池自動車用の電極触媒開発など水素社会実現の鍵となる技術に関連しています。

研究者

大学院環境科学研究科 先端環境創成学専攻 環境創成計画学講座(環境材料表面科学分野)

和田山 智正  

Toshimasa Wadayama

セラミックスのイオン輸送を利用した燃料電池とエネルギー貯蔵

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特徴・独自性
  • イオン導電性セラミックスを用いて高温で動作する固体酸化物形燃料電池は、様々な燃料を高い効率で利用することができる発電システムです。当研究室では、さらなる高性能、低コスト、高信頼性を達成するために、材料の電気化学的・機械的挙動について、基礎的・多角的な研究を行っています。また、燃料電池の逆反応を用いて、再生可能エネルギーから得た電力を水素やメタンとして貯蔵する研究も行っています。
実用化イメージ

学内外の研究機関や企業・団体と協力しながら、燃料電池技術の商用化に向けて取り組んでいます。また、機能性材料のイオン輸送、界面反応、機械的特性の評価・解析技術を通して、新技術の開発にも貢献します。

研究者

大学院環境科学研究科 先進社会環境学専攻 エネルギー資源学講座(分散エネルギーシステム学分野)

川田 達也  

Tatsuya Kawada

情報の発信・受信やエネルギー供給を豊かにする機能性セラミックス材料の開発

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特徴・独自性
  • 反射防止薄膜、電池、電源、メモリなどの高性能化・高耐久化、ひいては、豊かな情報の発信・受信や持続的なエネルギー供給に寄与する機能性セラミックスを新奇開発しています。電子論と熱力学を中心に据えたマテリアルデザインにより、透明導電体の対偶的な材料である黒色絶縁体や、3秒で焼結可能なスラリーを開発してきました。独自に構築したイオンビーム支援パルスレーザー堆積装置で酸窒化物や酸水素化物も合成しています。
実用化イメージ

研究成果のアウトプット先の一例に、光学的機能膜 (反射防止膜、透明電極、太陽電池など)、二次電池、固体酸化物型燃料電池、メモリ関係 (抵抗変化、相変化)、などがあります。

研究者

大学院工学研究科 知能デバイス材料学専攻 情報デバイス材料学講座(エネルギー情報材料学分野)

石井 暁大  

Akihiro Ishii

エネルギーデバイス用金属錯体触媒の開発

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特徴・独自性
  • アザフタロシアニン金属錯体を炭素上に分子担持することで燃料電池や金属空気電池の正極反応である酸素還元反応(ORR)に対する高活性なAZapthalocyanine Unimolecular Layer(AZUL)触媒を開発しました。本触媒はレアメタルフリーでありながら白金などのレアメタルと同等以上の性能を示します。本触媒を電池やその他のエネルギーデバイス用に展開しています。
実用化イメージ

本成果を基に東北大学発ベンチャー「AZUL Energy(株)」を設立。次世代エネルギー産業だけでなく、モビリティ産業も含め幅広く産学連携を行っています。

研究者

高等研究機構材料科学高等研究所 デバイス・システムグループ

藪 浩  

Hiroshi Yabu

脳を知れば人間がわかる

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特徴・独自性
  • 人間らしい精神と行動を実現する脳の仕組みを、脳機能計測(図1)と生理・行動計測を駆使して明らかにしている。心の仕組みは、自己と外界との関係性の認知処理という視点から、3つの脳領域群(図2)で処理される「出力とフィードバック入力の関係性」(図3)として整理される:身体的自己(身体と外界の関係:A)、社会的自他関係(自己と他者との社会的関係:B)、自己の社会的価値(C)。
実用化イメージ

心の働きを脳活動から推測する技術の開発や、人間らしい判断を可能にするアルゴリズムの開発を通じて、製品開発・評価に応用できる可能性がある。

研究者

加齢医学研究所 脳科学研究部門 人間脳科学研究分野

杉浦 元亮  

Motoaki Sugiura