Kagami Memorial Research Institute for Materials Science and Technology早稲田大学 各務記念材料技術研究所

Joint Usage/Research Center

共同利用・共同研究拠点

Joint Research Center for Environmentally Conscious Technologies in Materials Science

環境整合材料基盤技術共同研究拠点

はじめに

早稲田大学「各務記念材料技術研究所」は、実業界の重鎮であった各務幸一郎・良幸父子の寄付により、昭和13年10月21日に、我が国最初の私立大学における理工系研究所として開設されました。開設当時の名称は「鋳物研究所」であり、鋳造、鍛造、溶接、表面処理などの金属加工を中心に、世界でも珍しい鋳物の研究所として、戦中、戦後、そして高度成長期を通して長い間にわたり、学会、業界に独自の地位を占めてまいりました。昭和63年、設立50周年を期に、研究所内で研究対象としている材料の広がりを受け、「各務記念材料技術研究所」へと改称し現在に至っています。

この間に本研究所には従来までの研究に加えて、構造材料・プロセス、機能性材料、材料物性、材料の設計・評価など物質・材料を研究の対象とする研究員が新たに参加し、研究・教育活動は質・量ともに厚みを増してまいりました。公的研究資金や受託研究等による外部資金が活発に導入され、15名の流動研究員に加えて多数の兼任研究員また客員研究員が招聘され、それらに基づく研究プロジェクトが展開されております。

共同研究拠点の目的

各務記念材料技術研究所(以下、「材料技術研究所」と省略)はこれまで①幅広い材料の基盤技術に関する先導的な学術的研究拠点としての役割②多数の先端的な分析装置や試料作製装置の保有と、多数のスタッフによる管理・共同利用の運営③幅広い材料分野の研究者・技術者との情報・ノウハウの共有とネットワークの構築という特徴を持った研究所として活動してきました。本研究所ではこれら技術の集積を生かし、国連SDGsやSociety 5.0でも謳われているような、環境およびエネルギーに係わる様々な地球規模の問題に対し、明るい展望を開くべく材料基盤技術の立場から人類・社会に貢献したいと決意し、文部科学省 共同利用・共同研究拠点を申請、2018年4月に「環境整合材料基盤技術共同研究拠点」として認定を受けました。

「環境整合材料基盤技術共同研究拠点」の新たな展開として、

(a) 環境に優しい構造材料・機能性材料の基盤技術およびその材料物性の学理を確立し、革新的な環境整合材料の創製・社会実装を目指す。

(b) 様々な材料分野の研究者に対して、環境整合材料の研究テーマの基に共同研究・共同利用を推進し、その中で材料技術研究所の設備・装置、およびそれらの操作のノウハウを提供することによって、我が国における材料創製と評価に関する基盤技術の発展に大きく寄与する。

(c) 様々な材料分野の研究者に対して、環境整合材料の観点から学術的な交流の場を提供し、材料技術に関する異分野融合を積極的に推進する。

ことが、本拠点の大きな目的です。

共同研究拠点の概要

本共同研究拠点で実施される環境整合材料の研究は、「長寿命」「リサイクル」「省エネルギー」の3つの方向性に基づいて行います。具体的な研究テーマの例は、以下の通りです。

1 長寿命

  • 様々な材料の疲労・劣化機構をミクロ・マクロな観点から解明し、材料の長寿命化を達成する。
  • 様々なプロセス技術・合成技術を用いて、長寿命材料を創製・社会実装に展開する。
  • 損傷治癒技術や自己修復機能により老朽化した材料の長寿命化を図る。

2 リサイクル

  • 製品となった材料から希少元素のリサイクルを行う技術を開発する。
  • 生分解材料などの「環境にやさしい」材料を開発する。
  • 分離・吸着機能を有する材料を開発し、有害物質除去・リサイクルへ応用する。

3 省エネルギー

  • 構造材料を軽量化・強靭化することによって省エネルギーに資する。
  • エナジーハーベスティングを目指した新規熱電・圧電素子を開発する。
  • 超省電力の半導体デバイスを開発する。
  • 新しい蓄電池の開発と評価を行い、再生可能エネルギーを用いる発電の平準化に資する。

これら研究テーマが縦糸であるのに対して、横糸としての研究グループとして

  1. 「環境整合構造材料・プロセス」グループ
  2. 「環境整合機能性材料」グループ
  3. 「環境整合材料物性」グループ

を設置し、それぞれの研究手法を用いて各テーマを研究します。さらに、環境整合材料全般についての解析、評価を行い、長寿命、リサイクル、省エネルギーそれぞれの評価度因子の確立を目指すためのグループとして

4. 「環境整合材料の設計・評価」グループを設置します。

各グループの研究員が公募に基づく共同研究を受入れることによって、研究テーマを縦糸とした異分野間の融合(横糸)によるシナジー効果を積極的に推進します。これにより、環境に整合した構造材料と機能性材料の基盤技術、および材料物性科学の学理を確立し、革新的な環境整合材料の創製・社会実装を目指します。

共同研究拠点として期待される成果と意義

①材料研究コミュニティへの寄与

本共同研究拠点において、環境整合材料を研究する幅広い材料研究コミュニティに対して、その重要課題について材料技術研究所の研究員との共同研究を行うとともに、材料技術研究所の設備装置の共同利用を提供することによって、コミュニティへの多大な寄与が期待できます。実際に、数多くの学協会から、材料技術研究所が共同利用・共同研究拠点となることへの大きな期待が寄せられており、そうした期待に応えることは材料技術研究所としての使命であると考えています。

②関連研究分野の発展や新規研究分野の創出への寄与

材料技術研究所が環境整合材料研究における開かれた共同利用・共同研究の拠点となり、研究所内に設置されている設備・装置を広く共同利用に提供し、さらに幅広いコミュニティに所属する研究者間の学術的・技術的な交流を活性化させることによって、異なる材料分野の研究者間の学術的および技術的な交流が生まれることが期待できます。その中で、異なる材料分野で蓄積された情報・ノウハウの共有化を通した学術的な融合が生じ、新規研究分野の創出に繋がるという好循環によって、環境整合材料基盤技術に本質的な貢献ができると考えています。こうした中で、環境整合材料研究のナショナルセンター・ハブとしての役割を果たすのが、本共同研究拠点の最終的な目標です。

③若手研究者の育成への寄与

持続的かつ発展的な社会の構築のための安全・安心な社会基盤材料の創製およびその基盤技術の確立に向けて、我が国は主導権を握り、世界を先導していく必要があります。これを担う若手研究者の育成は、我々に与えられた最も重要な使命の一つです。本共同利用・共同研究拠点において若手研究者は、材料技術研究所に設置された共同利用の設備・装置を、技術スタッフの的確なサポートのもとに利用することによって実験技術の向上を図ることができるとともに、ZAIKENフェスタ等を通じての異分野間の研究者との交流の場を得ることができます。こうした活動を通じて、若手研究者が成長する場となるのが、本共同研究拠点の大きな役割であると考えています。

「環境整合構造材料・プロセス」グループ

研究員(順不同)

川田宏之、吉田誠、鈴木進補、大木義路、山﨑淳司、細井厚志

 研究展開

「環境整合構造材料・プロセス」グループは、航空機、自動車、発電機等の省エネルギー化を実現するための材料開発および関係する材料プロセス技術の発展に寄与することを目指す。材料技術研究所での長い歴史を持つ構造材料の開発や,溶解,凝固をはじめとする材料プロセス技術を最大限に活用し発展させるとともに,複合材料,高機能材料に関する基盤技術を構築する。「環境整合材料の設計・評価」グループとの連携による構造評価も推進していく。

メンバーの具体的研究内容は以下の通りであり、これを起点とした共同研究を推進する。

川田宏之:航空・宇宙機器用の複合材料の強度学に基づく材料評価,開発。プラスチック基複合材料の応力腐食割れ機構と下限界特性,CFRP積層版のギガサイクル疲労特性と長期寿命予測,宇宙エレベータ用カーボンナノチューブ繊維の開発を行う。

吉田誠 :自動車材料等の機械材料設計および溶融加工学に基づく技術開発。アルミニウム合金の半凝固状態の力学特性の測定、構成式構築とFEMによる凝固割れ予測制御,鋳鉄鋳物、アルミニウム合金の高温から室温に至るまでの力学特性構成式構築とFEMによる残留応力と変形予測,小型高効率SiCパワーモジュール用低温接合技術開発を行う。

鈴木進補:輸送機械、発電機の省エネルギー化に向けた材料設計、加工プロセス、特性評価。 軽量・多機能ポーラス金属の凝固法による製法開発、特性評価、応用開発,車体軽量化のための高張力鋼板の塑性加工最適化,発電機・ジェットエンジン用Ni基超合金リサイクル材の溶湯清浄化、高温特性評価を行う。

大木義路:電気機器・電子デバイスの絶縁設計と誘電特性評価。省エネルギーを目指した高分子ナノコンポジットの誘電特性評価,電気機器・電子デバイスの絶縁劣化機構の解明とその対策,環境に優しくリサイクルを可能とする高分子の誘電特性評価を行う。

山﨑淳司:発電所等のエネルギー施設に代表される高強度・耐環境性を要求される建材・建設用構造材料のグリーン製造プロセス設計および高機能化。ジオポリマー質次世代セメントおよびコンクリートの開発,機能性ナノ複合無機構造セメント硬化体の開発,過酷環境耐久性を有する高強度軽量ポーラス無機構造体の開発を行う。

細井厚志:材料強度学に基づく輸送機器や構造材料の長期信頼性技術の確立。金属材料の損傷治癒技術の開発と評価、3Dナノ界面を有する異種材料接合技術の開発と評価、炭素繊維強化複合材料の長期信頼性評価を行う。

「環境整合機能性材料」グループ

研究員(順不同)

菅原 義之、小林 正和、黒田 一幸、下嶋 敦、門間 聰之、本間 敬之、所 千晴、山口 勉功、和田 宏明

研究展開

「環境整合機能性材料」グループは、環境に優しい機能性材料の創製と評価に関する基盤技術の発展に大きく寄与するため、材料技術研究所の設備・装置ならびにノウハウを活用した、革新的な環境整合機能性材料の創製を目指す。具体的には、国内外の環境整合機能性材料に関する研究者との共同研究を推進することにより、拠点内に環境整合機能性材料の合成とキャラクタリゼーション技術に関する基盤技術を蓄積する。また、合成プロセスの効率化・単純化では「環境整合構造材料・プロセス」グループと、材料の物性評価では「環境整合材料物性」グループと、構造評価では「環境整合材料の設計・評価」グループと連携する。

以下の3つの材料を重点的に開発していくが、周辺領域や新規開拓分野の材料への展開も想定する。

長寿命材料:無機フィラーを導入した長寿命ハイブリッド材料、自己修復機能材料
リサイクルのための分離材料:制御されたナノ空間を有する分離・吸着材料、有害元素の選択的浄化を可能とする分離材料、希土類元素、白金族金属等の有用元素の分離材料
省エネルギー材料:電気化学蓄電材料、太陽電池材料、高機能性熱電変換材料

メンバーの具体的研究内容は以下の通りであり、これを起点とした共同研究を推進する。

菅原 義之:酸化物ナノ材料を用いた環境整合機能性材料の創出。特に酸化物ナノシートを表面修飾して生分解性プラスチックに高分散させ、高強度・長寿命を有する生分解性ハイブリッド材料を開発。

黒田 一幸:層状ケイ酸塩を構成するナノシートを種々の条件下で架橋し(二次元構造体の三次元化)、環境整合機能に優れた分離・吸着能を有するナノ空間を層間に形成。

下嶋  敦:階層構造制御によるシロキサン系環境整合機能性材料の創出。特にシリカ骨格を精密に構造制御することによる自己修復機能を有する材料の開発。

門間 聰之:省エネルギーに資する電気化学蓄電材料研究と蓄電デバイスリユースのための診断法の開発。

本間 敬之:固液界面反応を用いた環境整合機能性材料の創出。特に資源的リスクの少ない珪藻土を原料にした、省エネルギーデバイス作製に必須であるシリコンの原料となる高純度シリカ精製。

小林 正和:環境負荷の低い新規太陽電池材料の環境負荷の低い手法による開発。

所  千晴:持続可能な資源循環を支える環境整合機能性材料の創出。特に固体分離技術、有害元素の選択的浄化を可能とする材料の開発。

山口 勉功:永久磁石からの希土類元素のリサイクル方法、自動車排気ガス浄化触媒からの白金族金属の回収法の確立。

和田 宏明:導電性金属酸化物の多孔体を設計・合成し、省エネルギーに貢献する高機能性熱電変換材料を開発。

「環境整合材料物性」グループ

研究員

勝藤 拓郎、川原田 洋、多辺 由佳、柳谷 隆彦、小山 泰正、溝川 貴司、平田 秋彦

研究展開

環境整合材料技術においては、無機材料を中心とした結晶材料が重要な役割を果たす。これは、分子などの1つ1つの特性を超えて、原子や分子が集団として形成するバンド構造などが電気的・磁気的・熱的振舞を支配するためである。このような多体効果は、電子相関が強い系ではより重要になり、結晶ではなく液晶においても分子が協奏的に振る舞う現象が知られている。このような材料を実際に環境整合材料として実用化していくためには、①結晶成長等の材料の創製 ②環境整合を念頭においた素子・デバイスの作製 ③最先端手法を用いたキャラクタリゼーションと物性測定、といった一連の研究をシームレスに行うことが重要になる。

環境整合材料物性グループは、主に物理的な手法を用いて、環境整合材料に関する研究を行っている。勝藤は、熱電材料を中心に、無機材料合成と、電気輸送特性、熱電特性や光学的手法を用いた物性測定を行っている。川原田は低炭素化、省エネルギーを志向したパワーエレクトロニクス材料と素子の開発、特にダイヤモンドとカーボンナノチューブの研究を行っている。多辺は液晶材料を用いて、熱流や気体の流れを回転運動に変換する疑似的な生体分子モーターの作製を目指している。柳谷は圧電薄膜の作製と素子応用への展開を行っており、特に電波からエネルギーを取り出す音響共振子の開発を行っている。小山は電子顕微鏡による無機材料の評価を行っており、特に結晶中の相競合、不整合構造、ディスコメンシュレーションについて、材料の劣化との観点も含めて研究を行っている。溝川は光電子分光やⅩ線分光などの高エネルギー分光技術を用いて、電池材料や熱電材料、光触媒材料に関する電子状態の研究を行っている。

共同研究の展開について

本グループでは、特に「省エネルギー」と「長寿命」の観点から環境整合材料基盤技術に関する共同研究を展開する。具体的には、熱電材料の物質開発における試料合成と測定、局所プローブを用いた材料特性の研究、キラル液晶を用いた熱流-回転変換技術の開発、電子顕微鏡を用いた新規環境整合材料の評価、遷移金属酸化物をベースにする2次電池電極材料の電子構造評価、遷移金属酸化物による強相関光触媒の研究などの共同研究の応募を積極的に受け入れ、個々の研究室のポテンシャルを超えて研究体制を強化する。共同研究に際しては、材研の共同利用装置に加えて、研究員が個別に保有する装置の一部(メスバウアー装置、Ⅹ線ラウエ装置、結晶切断装置)を共同研究や共同利用に提供する。さらに環境整合構造材料・プロセスグループ、環境整合機能性材料グループとも緊密に連携をとり、有機的な研究体制を築く。

「環境整合材料の設計・評価」グループ

研究員(順不同)

小山 泰正、山﨑 淳司、伊藤 公久、山本 知之、古川 行夫、国吉ニルソン、平田 秋彦

研究展開

環境整合材料全般についての解析、評価を行い、長寿命、リサイクル、省エネルギーそれぞれの環境整合評価・診断因子の確立、環境整合材料の計算機による設計と材料インフォマティクス、各種環境整合材料の解析・評価システムの確立を目指す。

メンバーの具体的な研究内容は以下の通りであり、これらを起点とした評価・診断因子の確立を目指す。

小山 泰正:自己相似固体等の複雑な構造を持つ物質の回折結晶学的手法を用いた解析・評価

山﨑 淳司:光学・電子顕微鏡法および環境制御熱分析法を用いた、材料のマクロ・ミクロ組織の観察、元素移動(腐食・劣化)挙動の3次元的・速度論的解析と評価

伊藤 公久:環境調和型高温素材製造プロセスの開発とシミュレーション

山本 知之:環境整合機能性材料の創製とその評価技術の開発。マテリアルズインフォマティクスを用いた新構造材料の評価

古川 行夫:赤外・ラマン分光法を用いた有機環境整合材料の構造評価

国吉ニルソン:実験およびシミュレーションによるリン脂質石灰化の反応機構解析

平田 秋彦:非晶質環境整合材料の回折実験およびシミュレーションを用いた解析・評価

English Version

Introduction

On October 21, 1938, Kagami Memorial Research Institute for Materials Science and Technology was established as the Casting Research Laboratory—the first laboratory attached to private universities in Japan—by a donation from the prominent business leader, Koichiro Kagami and his son, Yoshiyuki. Until 1980s, the laboratory played an important role both in academic and industrial circles as a unique institute focusing on metal processing such as casting, forging, welding and surface treatment. However, the laboratory had expanded its research field to cover a wider range of materials and in 1988, on the 50th anniversary of its founding, the Casting Research Laboratory was renamed Kagami Memorial Research Institute for Materials Science and Technology (ZAIKEN, which is the abbreviation of its Japanese name).

Since then, researchers studying structural materials and processes, functional materials, material properties, and material design and evaluation have joined ZAIKEN and have enhanced the quality and quantity of the research. Based on the research funding from outside the university, many professors and researchers are conducting various research projects.

 

Objectives of the Joint Research Center

ZAIKEN has been (1) acting as a leading academic research hub for fundamental technologies on a wide range of materials; (2) managing a joint use of the equipment for cutting-edge analysis and sample preparation and (3) sharing information and know-how with researchers and engineers in a wide range of material fields and constructing networks. Recently, a variety of global-scale environmental and energy problems have emerged, and solving these problems are advocated in the United Nations’ Sustainable Development Goals and the Society 5.0 framework of the Japanese government. We believed that ZAIKEN can substantially contribute to solving these problems through fundamental materials technology, and accordingly, ZAIKEN applied to the program of “Joint Usage/Research Center” by MEXT, Japan, and was accepted and started in April 2018 the “Joint Research Center for Environmentally Conscious Technologies in Materials and Science”.

The objectives of the Joint Research Center for Environmentally Conscious Technologies in Materials and Science are:

(a) to develop fundamental technology for environmentally conscious materials, to establish scientific principles of environmentally conscious materials, to create innovative environmentally conscious materials, and to incorporate them into society;

(b) to promote joint research and joint use for researchers in a variety of research fields and to contribute to the development of the material technologies in Japan by providing them with facilities, equipment, and know-how at ZAIKEN.

(c) to provide researchers in a variety of research fields with academic interaction with other researchers and to promote the fusion of different fields of material technologies.

 

Overview of the Joint Research Center

Research on environmentally conscious materials at this joint research center is conducted based on three themes: “long product life”, “recycling”, and “energy saving”.

Specific research projects are as follows:

Long product life

  • Achieve long life of materials by elucidating the fatigue and degradation mechanisms of various materials from both the micro and macro point of view.
  • Create long-life materials, and incorporate them into society using various processing and synthesizing technologies.
  • Extend the life of aging materials, using damage-recovery technology and self-healing functionality.

Recycling

  • Develop technology to recycle rare elements from materials used in products.
  • Develop environmentally friendly materials, such as biodegradable materials.
  • Develop materials with desirable adsorption and separation properties, and apply them to the removal of hazardous substances and recycling.

Energy saving

  • Lighten and strengthen structural materials for energy saving.
  • Develop new thermoelectric and piezoelectric elements for energy harvesting.
  • Develop ultra-power saving semiconductor devices.
  • Develop and evaluate new storage batteries for the leveling of power generation using renewable energy.

With these research themes as “warp threads”, the following research groups were formed as “weft threads”:

  1. Environmentally Conscious Structural Materials and Process Group
  2. Environmentally Conscious Functional Materials Group
  3. Environmentally Conscious Material Properties Group
  4. Environmentally Conscious Materials Design and Evaluation Group

To promote synergy effects and fusion of different fields (weft threads) based on the research themes (warp threads), researchers in each group accept joint research upon application. This will lead to the development of fundamental technology for environmentally conscious materials, the establishment of principles in material science, and the creation of innovative environmentally conscious materials and their incorporation into society.

 

Environmentally Conscious Structural Materials and Process Group

Researchers (in random order)

Hiroyuki Kawada
Makoto Yoshida
Shinsuke Suzuki
Yoshimichi Ohki
Atsushi Yamazaki
Atsushi Hosoi

Research overview

The Environmentally Conscious Structural Materials and Process Group aims to study and develop the materials to save energy in airplanes, automobiles and power generators, and to progress those associated materials’ processing technology.

One of this group is studying to optimize the materials processing technology of some engineering materials, such as melting and solidification, which has a long history at the Research Institute and developing the eco-manufacturing process design and refinement of building materials for construction.

Another group is studying the deformation and the strength of advanced composite materials and the dielectric property evaluation of polymer nanocomposites,

The group collaborates with the Environmentally Conscious Materials Design and Evaluation Group to promote structural evaluation.

Hiroyuki Kawada

Evaluation and development of materials, based on the science of strength of composite materials for aircraft and space equipment. Elucidation of the mechanisms involved in stress corrosion cracking and the threshold characteristics of plastic matrix composite materials. Evaluation of giga-cycle fatigue properties and prediction of the long-term life of CFRP laminates. Development of carbon nanotube fibers for space elevators.

 

Makoto Yoshida

Technology development, based on the machine and materials design of automobile materials and melt processing technology. Measurement of mechanical properties, formulation of constitutive equations, and predictive control of solidification cracking by FEM, of aluminum alloys in the semi-solid state. Formulation of constitutive equations of mechanical properties, and prediction of the residual stress and distortion by FEM, of cast iron and aluminum alloys from high to room temperatures. Development of low-temperature bonding technology for compact, high-efficiency SiC power modules.

 

Shinsuke Suzuki

Material design, the forming process, and property evaluation for energy saving in transport equipment and power generators. Process development, property evaluation, and application development of light and multifunctional porous metals. Optimization of plastic processing of high tensile strength steel plates for vehicle weight reduction. Molten metal purification and high-temperature property measurement of Ni-based superalloy recycled materials for power generators and jet engines.

 

Yoshimichi Ohki

Insulation design and dielectric property evaluation of electrical equipment and electronic devices. Dielectric property evaluation of polymer nanocomposites as environmentally resistant insulating materials. Elucidation of the insulation degradation mechanisms of electrical equipment and electronic devices, and related countermeasures. Dielectric property evaluation of environmentally friendly biodegradable polymers.

 

Atsushi Yamazaki

Eco-manufacturing process design and refinement of building materials and raw materials for construction. Development of next-generation geopolymer cement and concrete. Development of functional nanocomposite hardened cement pastes. Development of high-strength lightweight porous inorganic structures.

 

Atsushi Hosoi

Evaluation of long-term reliability on fracture of transportation equipment and structural materials. Development and evaluation of fatigue damage healing technology of metallic materials, creation of nanostructure on metal surface & development of direct bonding technology of dissimilar materials, evaluation and life prediction of very high-cycle fatigue properties of composite materials are conducted.

 

Environmentally Conscious Functional Materials Group

Researchers (in random order)

Yoshiyuki Sugahara
Masakazu Kobayashi
Kazuyuki Kuroda
Atsushi Shimojima
Toshiyuki Momma
Takayuki Homma
Chiharu Tokoro
Katsunori Yamaguchi
Hiroaki Wada

Research overview

The environmentally Conscious Functional Materials Group aims to create innovative environmentally conscious functional materials to contribute development of fundamental technology for the creation and evaluation of environmentally friendly functional materials using facilities, equipments, and know-how of the Research Institute. The group accumulates fundamental technologies for the preparation of environmentally conscious functional materials and their characterization technology by executing joint studies with researchers of environmentally conscious functional materials within and outside Japan. The group collaborates with the Environmentally Conscious Structural Materials and Process Group for efficiency and simplification of the preparation process, the Environmentally Conscious Material Properties Group for evaluation of material properties and the Environmentally Conscious Materials Design and Evaluation Group for structural evaluation.

The group focuses on the development of the following three types of materials, but also plans to extend the target materials to those in related and newly developing fields.

Long product-life materials: long-life hybrid materials incorporating inorganic fillers and self-healing materials.

Separation materials for recycling: adsorption and separation materials with controlled nano-space; separation materials capable of selective purification of harmful elements; and separation materials for useful elements such as rare-earth elements and platinum group metals.

Energy saving materials: electrochemical storage materials, solar cell materials, and high-performance thermoelectric conversion materials.

The following are the respective research focuses of the group members, on the basis of which collaborative studies are promoted:

Yoshiyuki Sugahara

Creation of environmentally conscious functional materials using oxide nanomaterials. Development of biodegradable hybrid materials with high strength and long life by modifying the surface of oxide nanosheets to produce biodegradable plastics with high dispersion.

 

Masakazu Kobayashi

Development of new solar cell materials with low environmental impact using a method with low environmental impact.

 

Kazuyuki Kuroda

Creation of nano-spaces with environmentally conscious adsorption and separation capacity between layers by crosslinking nanosheets constituting layered silicates under various conditions (conversion of two-dimensional structures into three-dimensional structures).

 

Atsushi Shimojima

Creation of environmentally conscious siloxane functional materials through hierarchical structure control. Development of materials with self-healing functionality through precise structural control of silica frameworks.

 

Toshiyuki Momma

Research on electrochemical storage materials for energy saving and development of a diagnostic method for the reuse of electricity storage devices.

 

Takayuki Homma

Creation of environmentally conscious functional materials based on solid-liquid interface reactions. Purification of high-purity silica, which is the raw materials of silicon, an essential material for the production of energy-saving devices, from diatomaceous earth.

 

Chiharu Tokoro

Creation of environmentally conscious functional materials useful for sustainable resource recycling. In particular solid separation technology and development of materials capable of selective purification of harmful elements.

 

Katsunori Yamaguchi

Development of a method to recycle rare-earth elements from permanent magnets and recover platinum group metals from automobile exhaust purification catalysts.

 

Hiroaki Wada

Design and preparation of porous materials based on conductive metal oxides and development of high-performance thermoelectric conversion materials for energy saving.

 

Environmentally Conscious Material Properties Group

Researchers:

Takuro Katsufuji
Hiroshi Kawarada
Yuka Tabe
Takahiko Yanagitani
Yasumasa Koyama
Takashi Mizokawa
Akihiko Hirata

Research overview

Crystalline materials occupy an important place in materials technology, in which the band structure arising from a regular array of atoms or molecules dominates their electrical, magnetic, and thermal properties. In some materials, many-body effects and cooperative phenomena caused by strong electron correlation significantly affect the properties of materials. Furthermore, cooperative phenomena are observed not only in crystals but also in liquid crystals with no spatial order. To put such materials into practical use as environmentally conscious materials, it is important to seamlessly pursue the following studies: (1) material synthesis and crystal growth, (2) fabrication of devices with environmental consciousness, and (3) characterization and measurement of the physical properties.

The Environmentally Conscious Material Properties Group conducts research on various materials mainly by physical approach. Katsufuji synthesizes various inorganic materials for thermoelectric devices and measures their transport, thermoelectric and optical properties. Kawarada develops materials for power electronic devices, diamonds and carbon nanotubes, toward low-carbon and energy-saving society. Tabe studies liquid crystals for the device application of like quasi-biomolecular motors which convert heat or gas flows into rotational motion. Yanagitani fabricates piezoelectric thin films and develops acoustic resonators to extract energy from radio waves. Koyama investigates inorganic materials using electron microscopy and studies phase transitions and incommensurate and discommensurate structures in crystals. Mizokawa conducts research on the electronic structure of battery materials, thermoelectric materials, and photocatalysts using high energy spectroscopy such as photoemission and X-ray spectroscopy.

Themes of Joint Research

The group develops joint research on environmentally conscious technologies in materials science, particularly from the viewpoints of “energy saving” and “long product life”. The group welcomes applications for joint research, such as synthesis and measurement of thermoelectric materials, measurement of material properties using local probes, development of conversion technology from heat flow to rotation using chiral liquid crystals, evaluation of new environmentally conscious materials by electron microscopy, evaluation of the electronic structure of transition-metal oxides for secondary battery electrode, and research on transition-metal oxides as new strongly correlated photocatalysts. In addition to shared-use equipment at ZAIKEN, equipment owned by individual researchers (Mössbauer spectroscopy, X-ray Laue system, and crystal cutting apparatus) is provided for joint research and joint use.

 

Environmentally Conscious Materials Design and Evaluation Group

Researchers (in random order)

Yasumasa Koyama
Atsushi Yamazaki
Kimihisa Ito
Tomoyuki Yamamoto
Yukio Furukawa
Nilson Kunioshi
Akihiko Hirata

Research overview

The Environmentally Conscious Materials Design and Evaluation Group analyzes and evaluates overall environmentally conscious materials, aiming to establish evaluation and diagnostic factors for environmental consciousness in the areas of long product life, recycling, and energy saving; design environmentally conscious materials using computer technology; employ materials informatics; and establish analysis and evaluation systems for a variety of environmentally conscious materials.

The following are the respective research focuses of the group members, on the basis of which collaborative studies are promoted:

Yasumasa Koyama

Analysis and evaluation of substances with complex structure, such as self-similar solids, using diffraction crystallographic methods.

 

Atsushi Yamazaki

Observation of macro- and micro-structures of materials using optical and electron microscopy and environmentally controlled thermal analysis, and three-dimensional kinetic analysis and evaluation of element transfer (corrosion and deterioration) behavior.

 

Kimihisa Ito

Development and simulation of the production process of environmentally harmonious high-temperature materials.

 

Tomoyuki Yamamoto

Creation of environmentally conscious functional materials, and development of advanced evaluation technology for them. Evaluation of new structural materials using materials informatics.

 

Yukio Furukawa

Structural evaluation of environmentally conscious organic materials using infrared and Raman spectroscopy.

 

Nilson Kunioshi

Experimental and theoretical analysis of the reaction mechanism in the calcification process of phospholipids.

 

Akihiko Hirata

Structural characterization and analysis of environmentally conscious amorphous materials using diffraction experiments and simulations.

 

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WASEDA University

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