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配列ナノ空間を利用した新物質科学 ―ユビキタス元素戦略 (谷垣 勝己)

研究領域名

配列ナノ空間を利用した新物質科学 ―ユビキタス元素戦略

研究期間

平成19年度~平成23年度

領域代表者

谷垣 勝己(東北大学・大学院理学研究科・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、配列ナノ空間を利用した新物質を開拓するための新しい技術ならびに開拓された物質から派生する新しい物性を対象とする新物質科学に関する研究である。物質のナノ構造を制御して新物質を創製する事により科学技術を発展させる研究は、将来に向けた研究の最も重要な方向性の一つとなっている。本特定領域研究で取り扱う物質群では、微細加工技術だけでは容易に形成できないナノ領域の構造を、物質の自己組織化等の様々な現象を駆使して創製し、従来の物質系では得られない相互作用や量子閉じ込めに基づき新しい物性を発現させることが可能となる。また、配列ナノ空間を有する多くの物質は、地球上に広く存在する軽元素であることが多く、これらの研究をユビキタス元素戦略と位置付けて行う研究は、学術的にも独創性があり社会的意義も高い研究である。本特定領域研究においては、新物質の創製と物性研究は重要な目標である。研究を推進するために、配列ナノ空間物質群の精密構造決定および種々の電子状態の測定技術ならびに基礎理論手法を大きく発展させることも同時に目標とする。また、実際に創製された新物質を次世代デバイス応用へと発展させることも念頭において、新しい物質科学研究を推進する。ナノ領域の科学を発展させる研究の方向性は、物質科学における重要な潮流である。本特定領域研究により、日本から世界へ発信できる物質科学のニューパラダイムを形成し、新しい物質科学が創出され、次世代新素材の開拓が期待される。

2.研究の進展状況及び成果の概要

 本特定領域では、最初に戦略研究として配列ナノ空間を有する物質創製が重要な鍵となる研究を行った。ゼオライト、エレクトライド、クラスレート、グラフェン、III族ボロン系物質等を配列ナノ空間戦略物質として位置づけ、新しい物性を探究し物質科学研究として多くの成果を得る事ができた。戦略物質に関しては、当初の目標である量子空間における伝導と磁性の統一的な解釈を可能にすると共に、重点研究目標であったボロン超伝導体の確認およびクラスレート物質の熱電材料としての発展という二つの目標を達成した。新物質としては、炭素物質系に対して極限高圧合成ならびにゼオライトテンプレート法を利用して、多くの新しい物質を創出する事に成功した。配列ナノ空間に閉じ込められた水の新しい形態の研究は、次元性を制御した新しい物性研究の芽となる研究として評価される。本特定領域研究の推進により、同時に革新的な物性測定技術を進展させる事ができ、基礎となる物性理論の確立にも成功した。すなわち、放射光施設に基礎をおく精密構造解析技術、電子線プローブを利用したナノ構造解析技術、極限高圧下におけるラマンや比熱測定など、通常の状況では困難な新しい測定手法を開拓した。物性理論においては、配列ナノ空間幾何の構成単位を一つの巨大な原子とみなす超原子モデルを基本とする物性理論を構築して、統一的な解釈ならびに新物質設計を提言をする事ができた。応用研究としては、エレクトライドを適用した有機ELの電子注入源としての応用ならびに陽酸素イオン発生源としての応用への道が開かれた。本研究において創出された配列ナノ空間物質ならびに新物質科学研究は「新しい物質相に基礎を置く特徴のある物性研究」として将来に向けて更に発展する事が期待される。

審査部会における所見

 A (研究領域の設定目的に照らして、期待どおりの成果があった)

1.総合所見

 本研究領域は、ありふれた元素を構築材料としつつ配列ナノ空間を利用することで新物質を開拓し、さらに開拓された物質が示す新しい物性をもとに新たな物質科学を展開することを目指している。配列ナノ空間をキーワードに研究が展開し、全体として、表面・界面や微細空間の量子効果が重要となるナノ構造を持つ物質群の研究が本研究領域によって着実に進展した。元々高いレベルにあった研究が、領域形成によって更に活性化したことも評価できる。また、特に新物質の創成、新物性の多様さについては特筆しうる成果を得ており、一部で世界最先端の成果が認められる。さらに実用価値の可能性がある物質も得られ、全体として十分な成果が出ていると評価できる。

2.評価の着目点毎の所見

(1)研究領域の設定目的の達成度

 「研究の発展段階の観点からみて成長期にあり、研究の一層の発展が期待される研究領域」としては、配列ナノ構造を持つ新物質を開拓する新たな方法論の樹立を目指し、物質創製を柱として新しい物質科学を構築しようとする目的は、十分に達したと評価できる。また「その領域の研究の発展が他の研究領域の研究の発展に大きな波及効果をもたらす等、学術研究における先導的または基盤的意義を有する研究領域」としては、一定の進展は認められるが、他分野への大きな波及効果については必ずしも明らかではなく、新物質応用や新デバイスを展望する応用の観点からするとまだ距離があると思われる。

(2)研究成果

 「研究の発展段階の観点から見て成長期にあり、研究の一層の発展が期待される研究領域」としては、配列ナノ空間というキーワードのもとで新物質・新現象を探索するという視点で研究が進められ、個々の研究成果に関しては、いくつかの物質の集中的な研究も含め、基本的には目的に沿った新規性の高い十分な成果が得られたと認められる。具体的には5つの計画研究 (「物質創生」「物性探索」「構造・電子状態」「物性理論」「応用展開」)に分かれ、それぞれ研究が進行して成果が得られた。特に、「物質創生」と「物性探索」では、高温高圧合成により種々の新規クラスレートの合成に成功し、そこでの物性を明らかにすると共に、熱伝材料としての可能性を示した。またα菱面体ボロンへのLiドープによって比較的高い転移温度(7K)を持つ超伝導の発現に成功している。他に、内部空間を有する種々の物質を合成し、そこに閉じ込められた水の特徴的物性について有用な知見が得られているが、これはバイオにおける細胞水の問題にも繋がる興味深い結果である。また「構造・電子状態」では他の領域にも普遍的に他分野にも応用可能な計測技術が磨かれた。特に、Spring-8の高品質X線を用いることで高解像度・高精度を実現し、Liを内包したC60の構造を世界で初めて決定する成果を得ている。「物性理論」の研究は順当である。「応用展開」ではエレクトライドを用いた新しい有機ELの応用が示された。またゼオライトを鋳型として炭素原子が配列するゼオライト鋳型炭素(ZTC)の分子レベルでの構造を明らかにし、燃料電池の電極材料、水素吸蔵、電気二重層キャパシタなどへの応用可能性を示すなど、「その領域の研究の発展が他の研究領域の研究の発展に大きな波及効果をもたらすなど、学術研究における先導的または基盤的意義を有する研究領域」としては評価できる。

(3)研究組織

 配列ナノ空間という切り口で多彩な分野の研究者が共同研究を行い、合成、分析、有機、無機の幅広い研究分野の融合が行われ、一定のシナジー効果が得られたと判断できる。

(4)研究費の使用

 特に問題点はなかった。

(5)当該学問分野、関連学問分野への貢献度

 材料分野への貢献と共に、他分野(カーボンナノチューブ)などとの交流が積極的になされた点が評価できる。

(6)若手研究者育成への貢献度

 研究者育成は十分になされており、若手研究者の成長は当領域の特筆すべき成果の1つと評価できる。

お問合せ先

研究振興局学術研究助成課

-- 登録:平成24年12月 --