マイクロ波励起・高温非平衡反応場の科学－炭酸ガス排出抑制型新材料創成反応方法の開発－（佐藤　元泰）

研究領域名

マイクロ波励起・高温非平衡反応場の科学－炭酸ガス排出抑制型新材料創成反応方法の開発－

研究期間

平成18年度～平成22年度

領域代表者

佐藤　元泰（核融合科学研究所・連携研究推進センター・教授）

領域代表者からの報告

（1）研究領域の目的及び意義

　本特定領域研究は、マイクロ波加熱の物理的描像を明らかにし、工業応用に学理基盤を与えることを目的とする。
　「マイクロ波加熱は、固体や液体中の電子が交番電磁界からエネルギーを吸収する過程と、そのエネルギーが結晶内原子へ緩和する量子力学過程から構成される熱力学的な散逸過程」という作業仮説に立って、これまで多様で方向性が見えにくかったマイクロ波加熱を非平衡・開放系熱力学の実験と理論によって解明する。
　本特定領域研究では、マイクロ波の照射で、金属粉末などにおいて数十ミクロンの微小領域に数百度という巨大な温度差、即ち微視的な非平衡の状態が発生することを見いだした。マイクロ波のようなエネルギー「hν」の低い電磁界がどのようにして物質の電子構造に作用するか、GHzからTHzの周波数帯の電磁場により作り出されるナノからメゾスケールの非平衡場という切り口から解明する。
　これらの学術的成果を基にして、重工業では炭酸ガス排出量を半減する製鉄方法、ハイテク分野では金属ガラスの燒結や高性能磁気素材などの機能材料の開発につなげる。マイクロ波の高度利用は、人類１万年の火を使った物づくりを原理的に変える高いポテンシャルがある。

（2）研究の進展状況及び成果の概要

<1>非平衡に関する実験
　A01計画研究は、窒素雰囲気中で四酸化鉄粉末にマイクロ波磁界を照射し、融点より400℃低い温度で、5〜20ナノメートル(nm)のランダムな微結晶が連続している多結晶体を生じさせた。A05計画研究の吉川らは、A02計画研究のルズキンらと協力して、試料は一酸化鉄(FeO)と四酸化鉄(Fe3O4)の微結晶相に分かれており、四酸化鉄相は酸素過剰な状態にあることを明らかにし、2009年5月J.Mater.Res.に発表した。
　A01計画研究は酸化チタンをマイクロ波磁界で還元した。試料をSEM,TEM,XRDで分析したところ、試料全体にナノ結晶化が発生し、一部にミクロンオーダーの金属チタン（α-Ti）の単結晶が析出していた。これらのマイクロ波の加熱現象は、熱平衡から大きく乖離した非平衡を仮定しないと説明できない。
<2>理論モデル・シミュレーション
　A03 計画研究は、マイクロ波加熱は交番磁界に対する3d殻不対電子スピンの「非共鳴」応答により発生し、小さいゼーマン項でのエネルギー変化がスピン間交換相互作用を介して大きな内部エネルギー変化へと増幅されるものであるという理論仮説を発表した。継続的なマグノン励起、フォノンとの結合、ナノスケールの非平衡の励起機構の解明に取り組んでいる。
<3>工業応用
　世界初のマイクロ波高炉プロトタイプの建設と実験を進める等、非平衡現象の工学応用を進めている。

審査部会における所見

B　（一層の努力が必要である）

　前回の中間評価結果を受け、非平衡加熱の物理の追究や、非平衡反応場の科学としての現象解明に方向性を変更した点は評価できる。また、非平衡加熱物理に関して、第一原理計算による理論解析において一定の進展が見られる等、新たな目的に沿った研究成果が認められる。しかしながら、理論と非平衡加熱の実験との対応が明確でない等、まだ十分な研究成果があげられているとは言い難い。また、研究項目間の連携についても、ある程度の改善は見られるものの十分とは言えず、研究領域の設定目的に対する研究手法が確立できていないという印象を受ける。さらに、依然として工業的応用が中心であり、学術的な面で何をどこまで明らかにしようとしているのかが明確ではない。今後は、研究者間で有機的に連携し、基礎科学に基づいた研究を進めることによって、理論と工業応用の橋渡しが具体化されることを期待する。