• 本研究では、レーザ照射を利用して材料表面に様々な機能を付与する手法の開発を行っている。とくにレーザを材料に照射した際に生じる現象を、シミュレーションおよび実験的な手法を用いて明らかにし、新しい機能性インターフェースの創成を行っている。
• 本研究成果は、生体・医療用デバイスへの応用を始めとし、幅広い分野への波及効果が期待できる。
• ■ 高機能バイオインターフェースの創成
• 人工臓器や人工血管、あるいはバイオインプラントなどに利用される材料は、生体組織や細胞に対する高い親和性が求められる。そこで本研究室では、レーザ照射による表面創成プロセスにより「生体に優しい」表面づくりにも取り組んでいる。
• 本手法により、チタン系材料に対して生体に活性な機能を付与することに成功している。このような機能を持つ材料を生体内に埋入すると、表面にハイドロキシアパタイト（骨や歯の主成分）が自然に析出する。この方法を利用すれば骨との固着性に格段に優れるインプラントを作製することが可能であり、人工関節や歯科インプラントなどへの応用が期待できる。
• 本研究ではこのような手法を駆使し、バイオ分野への新たなブレークスルーを目指す。

• Langmuir-Blodgett 法や浸漬法などボトムアップ的手法を基盤技術として利用し、様々なナノ材料の分子構造が示す表面・界面での相互作用を考慮することで、合目的的にナノ構造制御された光電子機能性高分子ハイブリッドナノ材料の開発を行っている。

0.4 nmで膜厚制御可能なSiO2超薄膜、発光型溶存酸素センサー、強誘電性高分子エレクトロニクスデバイスなど。

• 生物体内では酵素などの作用でアミノ酸がペプチド化されます。掛川研究室では無水、高温高圧環境下で触媒なしにアミノ酸の高重合度ペプチド生成に成功してきています。重合が難しいとされていたグリシンでは11量体、アラニンでは5量体など重合度の世界記録を作ってきています。アラニン5量体は、クモの糸に代表される重要な硬質「炭素繊維」であり、本研究は新規炭素繊維開発に有効と考えます。

本研究を応用することで、切れないペプチド繊維（アラニンペプチド）と柔軟性のあるペプチド繊維（グリシンペプチド）を組み合わせることで、固くて伸びる新規炭素繊維を作り出せる可能性があります。

• 高輝度放射光やコヒーレント光源の特性を活かした高精度のX線散乱技術と、従来の電子密度の可視化だけでなく、原子や分子の相互作用を顕す静電ポテンシャルを精密に可視化できるデータ解析法を開発し、物質機能をデザインするプロトコルの創成を目指します。

電池材料、機能性材料、機能性ポリマーなどの研究開発において、構造可視化を必要とする産業界と共同研究が行えます。

• 異種材料を複合化した材料は、構成する材料の複合化状態によって、発現機能が大きく異なる。粒径や形状を制御して微粒子を合成できる技術と、合成した微粒子を設計通りに集積させる技術の融合によって実現する「ビルディングブロック工学」では、構成材料の３次元的な空間配置をメゾスコピックスケールで精密に制御することができ、従来の材料開発では得られなかった優れた機能の発現（相乗効果）や、新たな機能の発見も期待できる材料創製プロセスである。

触媒（光触媒も含む）や分離カラムなどの化学関連プロセスのみならず、薬物送達システムや診断薬など医薬関連、コンデンサーや電池などの電子材料関連、屈折率制御材料やセンサーなど光学材料関連分野への用途展開が見込まれる。

金属酸化物等の無機電子材料の物質デザイン・物性創製・薄膜作製

準安定相化合物の物質デザインや薄膜作製も行います。

• 金属酸化物等の機能性無機材料の創製と物性・機能開発を行う研究に取り組んでいます。パルスレーザー堆積法やスパッタ法を用いた薄膜作製やバルク合成、そして新合成ルートの開発を行っています。最近は、電気伝導性をもつ希土類酸化物、透明導電性をもつ室温強磁性体、金属水素化物等の無機材料を扱っています。へテロエピタキシーにも取り組んでいます。

新規導電性酸化物を活用する酸化物エレクトロニクスや、透明強磁性体や新規強磁性体を用いた酸化物スピントロニクスの分野での共同研究。

• 高強度鋼の水素脆化特性について、水素が高強度鋼の機械的特性に及ぼす影響と腐食反応による環境からの水素侵入の両面から研究に取り組んでいます。主な研究内容は、各種高強度鋼の水素脆化による破壊の機構解明や、電気化学的手法を用いた種々の環境における腐食に伴う水素の侵入挙動の検討、鋼中の水素可視化手法、水素脆化特性評価法の提案などです。

高強度鋼材料の水素脆化特性とそれに及ぼす金属組織や水素トラップ物質の影響や、材料の特性や形状に応じた水素脆化評価法の提案、新規な水素可視化手法の開発など水素脆化分野での共同研究。

• 新しい材料の登場は、我々が予想もしない波及効果を生み出す力を秘めています。私たちの研究グループでは、化学結合や電子構造の理解に基づく材料やその作製プロセスを設計・開発しています。固相、液相、気相法など各種のプロセスを基盤技術として、固体中のイオン輸送に関わる新材料創製、薄膜太陽電池に適した新材料やその究極性能を実現する製造プロセスのほか、エネルギー製造や省エネルギーを成し遂げる新材料を提供すべく、材料の設計から、製造プロセスの開発、プロトタイプ素子の作製までをカバーした研究を展開しています。

現在は、太陽電池、燃料電池を主なターゲットとし、硫化物半導体、酸化物半導体、プロトン伝導性電解質・電極材料などの研究を実施しています。新しい無機材料の創製技術の適用範囲は、これらに限定的されるものではありません。

• エネルギー・環境問題の解決には、燃料電池、リチウムイオン電池、トライボロジーなどの多様な研究分野において、高機能・高性能材料の開発が必須です。久保研究室では、ナノスケールにおける化学反応とマクロスケールの多様な物理現象が複雑に絡み合ったマルチフィジックス・マルチスケール現象を解明可能な量子論に基づくシミュレータを世界に先駆けて開発することで、理論に基づく高精度な材料設計を推進しています。

久保研究室で開発したマルチフィジックス・マルチスケールシミュレーション技術の活用により、自動車、機械、エレクトロニクス、材料、金属、化学等の多様な企業における材料開発を高精度な理論に基づき促進します。

• 超臨界水を反応場とする有機修飾ナノ粒子の合成技術を利用することで、サイズ、結晶面が制御された、様々な金属酸化物ナノ粒子の合成に成功している。低温域での酸素貯蔵/放出能力が非常に高く、有意な速度で酸化的炭化水素の改質反応が進行する。

バイオマス廃棄物・重質油やメタンの低温改質反応。将来的には廃棄物・プラスチックのCO2フリー完全リサイクルをはじめとした低炭素社会構築につながる技術として期待される。

• 当研究室では、㈰生物から得られたヒント（材料デザイン）を基に、㈪ナノ材料や機能性高分子などの合成物を、㈫自己組織化や自己集合という低エネルギープロセスで形作ることで、生物に学び（Biomimetic)、生物と融合し（Biohybrid）、最終的には人工材料と生物デザインにより生物を超える（Metabio）材料の作製を目指しています。

細胞培養・分離・イムノアッセイ等のバイオ分野、構造材料・接着材料等の高分子分野、ナノ粒子等のナノ材料分野、燃料電池・金属空気電池等のエネルギー分野の企業との産学連携

• 融液からの結晶成長技術を利用した新規の機能性結晶材料を開発することを特徴とした研究を行っている。具体的には、シンチレータ材料・光学材料・圧電材料・熱電材料・金属材料を対象物質として研究を行っている。さらに、独自の結晶成長技術を用いた新規機能性材料のバルク単結晶化や難加工性金属合金の線材化技術などを開発している。

シンチレータや圧電素子等の単結晶が利用されている検出器や光デバイス、電子機器向けの新規材料探索や材料の高品質化に貢献できる。さらに、融液の直接線材化技術を用いた様々な難加工性合金の細線化が可能である。

• 原子力や将来の核融合炉に用いられる機能・構造材料の開発と評価に関する研究を進めている。特に、メカニカルアロイング法による分散強化合金の創製や、ナノインデンテーション法を駆使した超微小試験技術に関して独自の方法を開発している。

原子力業界や材料業界

• 構造相転移・相変態組織形成学を基軸にして、材料組織構造を制御することにより新機能を発現する材料を研究開発することを目指しています。基盤材料のみならず、革新電池用エネルギー材料の開発にも重点を置いています。

蓄電池に関わる事業などの共同研究が可能です。

• 強相関電子系とは、クーロン斥力により強く相互作用する電子集団のことです。私たちは、物質合成と物性測定を相乗させることで、強相関電子系が示す新奇な量子物性を開拓しています。高圧合成法を含む様々な固体化学的手法を駆使することで物質を合成し、得られた試料の電気的・磁気的・熱的・光学的な物性を評価しています。さらに、極限環境や量子ビームを活用した特殊な計測も推進しています。こうした物質合成を基盤に据えた総合的な実験研究を通して、超伝導・磁性・トポロジカル秩序などの強相関量子物性を探求しています。

強相関電子系は、巨視的スケールで量子効果が現れることで、劇的な機能を示します。大きなエネルギースケールを有する遷移金属化合物は、次世代テクノロジーの基盤材料としての可能性を秘めています。

• 一般的に使用されているステンレス鋼および従来のCoCr 合金などの生体用金属材料は、生体骨より10倍もの高いヤング率を示し、インプラントによる骨の萎縮現象が問題視されています。β -Ti 合金は比較的低いヤング率を示しますが、耐摩耗性が低いです。本新規CoCr 系合金は、低ヤング率と高耐摩耗性の両立を初めて実現しました。さらに、耐食性が優れ、17% 以上の超弾性歪みも示すことから、次世代生体材料として有望です。

生体骨と同程度の低いヤング率、高い耐食性と耐摩耗性および優れた超弾性特性の4拍子そろった本CoCr 系生体材料は、人工関節、ボーンプレート、脊髄固定器具やステントなどへの応用が期待されます。

• 室温で固体のイオン結晶を加熱し、高温で溶融した液体を「溶融塩」と呼ぶ。金属アルミニウムは溶融塩中での電気分解で製造されており、産業界では大量に使用されている。その溶融塩を反応媒体として利用し、レアアース、チタン、シリコン、リチウム等、化学的に活性なレアメタルの製錬、リサイクル、表面改質法を研究している。日本でも実施可能な高付加価値製品の製造技術として、溶融塩技術を変貌させることを目指す。

業界としては、非鉄金属製錬、リサイクル、表面処理に従事する業界。用途としては、活性金属（合金）製造、廃棄物処理、耐酸化性コーティング等。

• 川井型マルチアンビル装置およびキュービック装置を使用して，高温高圧力下で材料合成および焼結を行う．20 GPa, 2000 Kまでは容易に行える．25 GPa, 2300 Kまで可能．

超硬材料，磁性材料，高温超伝導体などで高圧合成を必要とする物質．

• プロドラッグ分子のみで構成されるナノ粒子『ナノ・プロドラッグ』を提唱し、疾患部位への高効率なドラッグデリバリーが可能な抗がん剤や点眼薬の開発を行っています。『ナノ・プロドラッグ』は、難水溶性にする薬剤設計指針に基づき化合物合成したプロドラッグ分子を、独自の有機ナノ粒子作製手法である『再沈法』に共することで、粒径100 nm 以下で制御できます。現在、薬理効果の評価、生体内・細胞内動態に取り組んでいます。

再沈法は薬剤化合物に限らず、様々な有機分子をナノ粒子化する汎用性の高い手法です。有機ナノ粒子を作製制御し評価する技術を持っており、有機ナノ粒子の物性評価に関する共同研究を希望します。

• Ｘ 線用の回折格子を用いた新しいイメージング法（ 小角Ｘ線散乱コントラストイメージング法）により、画像検出器の空間分解能を1000～10000 倍上回るnm オーダーの構造情報を非破壊で定量的に取得することに成功しています。軟組織の診断を含む医療診断や、ソフトマテリアルを含む材料の研究・開発、農作物、食品などの研究・開発、光学素子の精密評価など、様々な応用展開を期待しています。

医療診断機器の開発、有機・無機材料の研究・開発、農林水産業、食品加工業など、様々な応用分野との産学連携の可能性を期待しています。