第３の手法と呼ばれるコンピューターを用いた計算によるアプローチは、益々厳しくなる材料に関する社会からのニーズに応えるのみならず、社会へのシーズ提供を可能にしつつある。本研究室では、原子レベルから巨視的スケールまでの計算材料科学的手法を活用し、実験及び理論との有機的連携を通じて、既存の理論に囚われる必要のない新しい材料設計法の構築を通じて、新規材料開発を行っている。
高品位な薄膜作製を基盤技術として、次世代の電子デバイス（メモリ、記憶装置、演算素子など）に向けた新規ナノ材料の研究を行っています。自然界には存在しない材料を原子層レベルで設計し作製する、電子の電荷と磁気の融合など、ナノの世界ならではの材料を一緒に研究しませんか。
本研究室では、金属から半導体・セラミックスまでのあらゆる材料の特性を支配する内部構造を原子レベルで明らかにし、原子レベルで構造を精密に制御する「新しいものづくり」を目指して研究を進めています。本研究室の特長は、①陽電子消滅実験と理論計算を車の両輪のように両者が一組になって研究を進めていること、②実用材料を含めた幅広い材料を研究対象とし、企業や公的研究機関と共同研究を進め、基礎科学の分野だけでなく実学分野にも積極的に取り組んでいることにあります。陽電子消滅法は、電子顕微鏡では観察が難しい原子空孔や空孔-溶質原子複合体をはじめ、空孔集合体・転位などの格子欠陥、ナノクラスタ・微細析出物等を非破壊で敏感に検知できる材料評価技術です。しかし、陽電子消滅実験の結果だけでは、材料物性を支配する内部構造の詳細を定量的に議論することは難しいのが現状です。そこで、本研究室では、第一原理に基づいたコンピュータシミュレーション結果と組み合わせた検討を行い、新しい材料開発・材料設計に繋げられるよう努力しています。
極微構造と材料物性との関連性を、ナノメートルの空間スケールならびにナノ秒の時間スケールにて解析して得られる情報に基づいて究明しています。最新透過電子顕微鏡法・電子回折法と電子・X線分光法を活用して、結晶格子欠陥に代表される物質の不均一性、0～2次元の低次元物質、電子励起により創成した準安定構造などを対象として解明し、これらの成果に立脚してマテリアルデザインを進めています。材料科学の根幹に迫る普遍的な共通原理の解明に向けた教育と研究を行っています。
電子の反物質である陽電子（ポジトロン）を利用することにより、材料の内部構造を原子サイズオーダで観察することができます。量子機能材料設計分野では水素吸蔵合金、自動車用アルミニウム合金などの金属材料から、強特電体として利用されるペロブスカイト型酸化物などのセラミックス材料において、優れた特性が発現する機構を、主として陽電子を用いた実験およびコンピュータ・シミュレーションにより解明し、新しい材料を設計するための研究を行っています。
光触媒・界面光機能材料・環境触媒・ナノ触媒などのエコマテリアルの材料設計を中心として、クリーンエネルギーの開発、省エネプロセスでの環境浄化・快適生活空間の実現に向けての基礎・応用研究を展開している。たとえば、太陽光の高効率利用を可能にする酸化チタン光触媒やナノサイズ空間を利用する光機能材料をイオン工学手法やケミカル手法により開発している。そのため、超微粒子・クラスター・薄膜・多孔質などの特殊形状を有する酸化物・半導体・金属・炭素材料を、放射光による構造解析や量子化学計算などの支援により、原子・分子レベルからデザインしている。
持続可能社会の実現へ向け、鉄鋼や非鉄金属材料の製精錬プロセスの低炭素化や、省エネルギー技術を支える半導体材料やセラミックス材料のプロセス開発を目指し、熱力学・高温融体物性・速度論等冶金学を駆使したプロセス設計・評価と、先端の可視化技術を用いた各種反応プロセスの見える化に取り組んでいます。
望みの機能を発現する材料の設計とその生産プロセスの開発は、常にモノづくりの基盤となります。持続可能社会確立が課題である現代では、省エネルギー、CO2排出削減、資源循環等の環境負荷低減も、材料設計とプロセス開発における重要な要素です。一方、３Ｄプリンターに象徴されるモノづくりのデジタル化は、材料設計とプロセス開発に新たな可能性と課題の両方をもたらしており、その中には既存の科学では予測や説明ができない現象も含まれます。私達は、コンピュータシミュレーション等の計算手法とプロセスモニタリング等の実験的手法を融合した新しい材料設計とプロセスの開発に役立つ計算手法やデータ解析手法等の学術的基盤技術の構築を通じて、新材料創製による生活革新と資源循環による持続可能社会確立に貢献するとともに、その基礎となる科学的知見を新時代の冶金学として開拓・体系化して継承することを目指します。
第一原理計算による機能性材料のデザインと、その実証実験を行う研究グループです。電子の励起状態が関わる様々な物理現象（有限温度磁性、外場によるエントロピー変化、電気・熱・スピンの伝導現象など）を、色々な理論的方法を組み合わせて表現する量子シミュレーション手法の開発を行います。開発した方法を用いて、高効率エネルギー変換材料や省エネルギー材料のデザインを行い、実証実験を行います。シミュレーションおよび実験結果の統計的学習により、材料探索のためのガイドラインを提供します。
研究テーマ
第一原理量子シミュレーション手法の開発
太陽電池材料、発光材料、熱電材料、磁気冷凍材料など、高効率エネルギー変換材料のデザインとその実証実験
スピントロニクス材料、高耐熱・高強度材料、超伝導材料など、省エネルギー関連材料のデザインとその実証実験
多元合金の物理特性の予測モデル構築と材料探索への応用
航空宇宙分野、エネルギー分野の発展に欠かせない先進構造材料、高温耐熱材料について、転位を初めとする格子欠陥の運動を自由自在に制御することで、その高強度化、高延性化、高靭性化を達成するための教育と研究を行っています。最近では、3Dプリンタを初めとする新規製造プロセスや中性子回折を初めとする新規解析方法も積極的に活用し、革新的な材料の創製を行っています。さらに、構造材料の研究で培ったノウハウを活かして、形状記憶合金、永久磁石等の機能性材料の高性能化にも取り組んでいます。
環境に優しい大規模情報化社会の実現を視野に入れた新規量子機能材料の創製を目的として、半導体の物性・機能をミクロな構造の作製・制御により効果的に発現し、自然界に存在しない新しい量子機能材料を創り出す「ボトムアップ型機能制御」に取り組んでいます。たとえば、原子レベルで制御された薄膜結晶成長技術により量子サイズ効果を効果的に発現させることができ、様々な色のレーザ・発光ダイオードや超高速なトランジスタを作ることができます。また、それ自体が機能を有する機能性不純物を半導体の中で操ることにより、その機能を極限まで高めることができます。
多種多様な姿を示すプラズマを⾃在に用いることにより、医療・環境・エネルギー等、⼈類の抱える重要課題の解決をもたらすべく、プラズマの基礎研究から、物理と化学との融合が必要とされる各種応⽤研究までの研究を行っています。例えば、気相、液相、超臨界流体相雰囲気における新規プロセス用プラズマ源の開発・理解・制御や、新表面機能材料創成、機能性ナノ構造物質合成、バイオ・環境プロセス応用等の研究に取り組んでいます。
環境の多様化・過酷化に伴って、材料の劣化や損傷が社会問題となっています。水溶液および高温環境での金属材料の腐食・酸化過程とこれらの環境に耐える材料の開発に関する教育・研究を行っております。電気化学、表面分析機器や計算科学などを駆使して、材料表面機能を電子構造、光物性、生体適合性などからアプローチしています。一方、電気化学プロセスを用いた材料と環境の相互作用の制御による構造を規制した材料表面の創製とその応用に取り組んでおります。
グリーン／ライフイノベーションの実現に向けて、結晶学や結晶塑性学などの材料科学で培われた評価・解析・制御法により、生体組織の物性・機能解明とともに、それに基づく革新的な生体材料と航空宇宙材料の創製を目指した教育と研究に取り組んでいます。生体組織の特徴的な階層ごとの異方性配列・構造に学びつつ、金属3Dプリンタ（Additive Manufacturing: AM）と計算機シミュレーション技術を駆使することで、生体や超高温を含む極限環境下でさえも高機能発現を可能とする材料を創製するための“異方性材料科学”ともいうべき新たなジャンルの学問体系を築くことを目的としています。
新たな素形材（高加工性材料、高強度材料、軽量材料、高エネルギー吸収材料など）を創製するための新たな加工プロセスを開発する研究と、加工プロセスにおける組織・物性の発現機構や変形・負荷特性およびトライボロジー現象を解明・予測する研究を行っています。
金属薄膜・多層膜・人工格子・ナノ磁性材料の高機能化を目指し、電子物性、特に磁気特性・電子輸送現象・トンネル物性に着目して、その基礎物性と応用について、表界面物性という観点から教育と研究を行っています。
レーザやプラズマを用いた材料加工プロセスに対して高度計測技術と数値シミュレーション技術を融合・駆使し、プロセスの物理に基づいて現象を解明・予測・コントロールするための研究を推進しています。得られた知見を活かし、これまでにない普遍の真理に基づくまったく新しいプロセス開発を目指します。
ナノスケールからの材料構造設計をメガスケール生産での実現を念頭に、マルチスケールで生じる多様な界面を制御して、実社会の要請に応えうる材料開発を目指します。特に”プラズマ材料工学”を駆使することで、高品質化と高機能化、低コストと環境負荷低減など半ば相反する特性も両立しうる次世代材料、次世代プロセスの提案に挑みます。主要な応用研究分野は、高容量と高サイクル安定性が求められる次世代全固体電池向けナノ材料の創製、高速高品質の両立を可能とするメゾプラズマ高速エピタキシャルAD技術開発、次世代エレクトロニクス実装に不可欠な低温焼結型ナノ接合技術の開発とその高機能界面設計、マルチマテリアル化の社会実装加速化を支える異種材料接合技術開発を対象として研究を推進しています。
溶接・接合材料科学研究の高度化・先進化として、(1)統合的可視化理解や原子論的アプローチを指向したマルチスケール連成材料挙動の解明、(2)新材料・新プロセス対応の材料科学研究を指向した界面接合研究の新規展開、(3)材料と力学・プロセスとの接点を生じる溶接・接合現象の理解と予測を目指した材料・力学・プロセスの連携研究の推進を行っています。 これにより、材料挙動の高度予測、プロセス最適化、メカニズム探求、健全性・信頼性検証を実現し、”プロセシングメタラジー”の体系化を図ることが目標です。
プロセスメタラジー領域
溶接・接合における材料科学研究の高度化のため、溶接・接合プロセス工学領域と連携し、(1) 溶接・接合プロセスにおけるメタラジーの解明、(2) モデル化による予測ならびに制御技術の探索、および(3) これらに基づく溶接・接合部の性能向上に関する研究を推進しています。これらの取り組みを通じて、溶接・接合プロセスメタラジーの体系化と溶接・接合部の信頼性向上に資する技術確立を目標としています。
低炭素未来社会のため、人類と自然が積み上げてきた「工学知」と「生物知」を紡ぐ生物規範の材料・生産プロセスを開拓します。データサイエンスによる省・創エネルギーを実現するナノ材料の開発とその応用、全く性質の異なる材料同士を「つなぐ・はずす」マルチマテリアル技術、エレクトロニクス材料の微細接合や先端半導体実装などを研究しています。原子・分子の結合からマルチマテリアル化までの生産プロセス理論・実験・シミュレーションを駆使し、将来のものづくりに変革をもたらすハイブリッド・マテリアル＆プロセス技術を進化させます。
当研究室では、革新的な半導体超微細加工技術やバイオ材料プロセス技術の開発を目指して、プラズマ物理学、プラズマ化学、プラズマ物質相互作用に関連する学術分野において、実験およびモデリング・数値シミュレーション研究を行っています。医学部等他の学術分野の研究機関や企業との連携・共同研究も多く、国際的な研究ネットワークを構築しています。
ものづくりに必要な溶接・接合、切断、切削などの加工プロセスは、残留応力や変形などの力学的な影響をもたらし、製品や構造物の性能や信頼性にも関わります。「プロセスメカニックス」は、このような加工プロセスにともなう力学現象を、材料科学・プロセス物理・力学設計の相互作用を考慮して明らかにする新たな学問分野です。加工プロセスシミュレーションモデルの開発とそれによる加工部特性予測や設計・構造健全性評価への展開を目指した教育と研究を行っています。
構造物や工業製品の機能・性能向上のための材料設計、さらに材料特性からみた新たな構造設計に展開するための「材料ミクロ構造」−「材料・溶接部特性」−「構造性能」を直結するマルチ階層相互評価／デザインシステムを構築するための研究を行っている。延性／脆性／疲労／環境破壊のメカニズムの解明を目的とした実験・観察に始まり、微視的な損傷・破壊モデルの構築、構造部材としての性能を評価するコンピュータシミューション手法の開発研究などを通じて、次世代の材料、接合技術の開発、ならびに斬新な構造設計への展開を目指している。
計測・検査工学領域
ものづくりの現場では様々な加工がなされますが、不可避かつ様々な外乱の結果、意図せず欠陥が発生することがあります。溶接・接合においては、外からは見えない内部欠陥が発生し、これは継手性能を低下させるため、検査が必須です。しかし、欠陥発見後に後戻り工程が生じ生産効率が低下することや、検査そのものが難しく欠陥が発見できない対象があることなどが問題になっています。従来、施工後に行われている内部欠陥等検査を、インプロセスで計測しその場で品質保証ができれば生産技術の革新が期待できます。計測・検査工学領域では、レーザ超音波法による動的・非接触なその場超音波探傷や溶融池モニタリングとAIを組み合わせた溶込み推定といった、インプロセスに適用できる先進的な高度計測法を研究・開発しています。
素材や構造物の設計での強度・安全性基準を考慮し、高信頼性発現に向けた先端材料設計や安全性評価のために信頼性工学に基づくシミュレーション及び新技術開発を目指し教育や研究指導を行っています。医工学、エネルギー・環境、エレクロトニクス、防災・リスク、工学教育など多岐の分野のものづくりを異分野連携・産学連携により推進しています。
高度情報化時代における安全・安心な社会構築のためには微細システムの創製が必要である。本領域では、ナノ-マイクロ異材接合プロセスの開発、異材界面の設計、電子デバイス用材料開発さらにはロボットAI検査や信頼性に至るまで電子デバイスの統合プロセス設計の視点から物理・化学現象に基づいた教育と研究を行っています。
当研究室では、ものづくりにおいて人間が行っている創造的な活動を、計算機を用いて知的に支援するための方法論の構築を目指しています。概念設計段階における製品使用時の不具合発生の予測、最小学習データによる機械部品の近似応力解析手法の構築、シミュレーションに基づいた柔軟構造物の設計およびハンドリング計画、全体最適な生産システムの構築と運用のための人工知能による支援等、創造性を要する作業を、経験の浅い作業者でも的確に行えるような計算機支援手法の開発を進めています。
ロボット、自動車、家電をはじめ、あらゆる科学・産業にはアクチュエータ・センサ技術が欠かせません。平田研究室では、１つのアクチュエータで多自由度の動作を実現できる多自由度アクチュエータや、人間の筋肉を模擬して構成したリニアアクチュエータ、非接触で動力の伝達を行う新しい磁気式伝達機構、磁性流体や超磁歪素子、感温磁性材料、ナノイオンデバイスなど新素材・新原理に注目した次世代アクチュエータ・センサデバイスの研究と教育を行っています。これらのデバイスの研究にあたり、複雑系物理現象メカニズムを解明するため、有限要素法や粒子法を用いて、電磁場を軸に応力場や温度場、流体場との連成解析手法の開発を行っています。更に、解析結果をもとに最適化設計を行い、創出した試作機をベースに最適な制御方法の検討を進めています。新しいデバイスの企画・提案から解析手法の開発、最適化設計、試作、制御手法の確立まで一貫して行うことができるのが我々の研究室の特徴です。
ナノ構造・ナノデバイスの生成プロセスや機能発現中(動作中)の評価は極めて重要です。当研究分野では、気体中のナノ構造を原子スケールで観察できる高分解能・環境制御型透過電子顕微鏡(ETEM)を開発してきました。このETEMを利用して、自分たちで新規なナノ材料の創製に取り組み、さらに創製したナノ材料の構造と物性を、実際に使用される環境(実環境)で原子スケールで観測・解析しています。世の中に役立つナノ材料工学を推進しています。
セラミックスや金属などを中心とした材料のナノからマクロまでの構造設計・制御および融合技術をキーテクノロジーとして、多様な機能を獲得した機能共生型バルク材料やナノ材料の創製、構造や基礎物性・特性評価およびその機構解明を通じて、新規な構造特性や機能特性を有する先端機能性構造材料の研究開発を行っています。これらを通し、今日の社会が抱える重要な課題解決に資する次世代型基盤材料創出とその応用を指向しています。
本研究分野は、接合・溶接界面における諸現象を解析することで、種々の接合・溶接プロセスにおける界面の形成機構を明らかにすることで、新規界面制御技術を確立することを目的としています。 摩擦接合法（摩擦攪拌接合、摩擦圧接、線形摩擦接合、線形摩擦攪拌接合）や溶融溶接法を主軸とし、次世代接合＆改質プロセス技術を創出し、新たな学術基盤を体系化するとともに我が国の産業競争力向上による成長の一助となることを目指しています。
材料加工プロセスにおける加工エネルギー源（プラズマ、粒子ビーム）と材料との相互作用機序ならびにエネルギー変換付与機構を基軸に据えて、材料表界面の高機能化と高度制御に向けた基礎学理を追求するとともに、先進的な加工エネルギー源ならびにプロセス制御法の創成と診断評価を通じて、接合科学の高度化に資する基礎研究および応用技術開発を行っている。
特に、独自のプラズマ生成制御技術を活用して、メートル級の超大面積プラズマ源の開発ならびに機能性材料の低温かつ低ダメージでの高品位プロセスの実現に資する先進的な表界面制御プロセスの開発に関する研究を展開している。
溶融溶接、液相/ 固相接合、および固相接合された接合構造体が有する機能および力学的特性の支配機構を、材料科学的な視点による微細組織観察・構造解析に加え，観察・解析結果に基づくモデリングとシミュレーションを通じて明らかにする。これらを通して、欠陥がなくかつ優れた機能を有する接合界面を得るための材料設計の基礎の確立と、新しい接合法の開発、および接合構造体の特性評価へとつなげることを目指す。これら目的達成のため、接合・界面微細組織のX 線回折法を用いた構成相および組織の配向などの同定、走査型電子顕微鏡や透過型電子顕微鏡および付属機器による接合・界面構造のナノ微細組織観察、元素分析、結晶方位同定、数値シミュレーションなど種々の手法を用いて、その形成過程および接合構造体が有する機能および力学的特性との関連について材料科学的な視点で検討を加えていく。
高密度エネルギー源の特性と、その高度制御およびエネルギー輸送の最適化、さらには高密度エネルギー源と材料との相互作用について基礎的研究を行うことにより、高精度・高機能材料加工のための新しい高密度エネルギー源を探求する。特に、溶接、切断、加熱、高温反応、表面被覆、物質合成、複合微粒子創製などにおいて代表的な高密度エネルギー源として幅広く応用され、新しく熱プラズマによる材料プロセスという概念を生み出しつつあるアークプラズマの発生、制御および熱輸送現象に関して物理的化学的検討を加える。
エレクトロニクス実装分野での新規接合材料の開発から先進的な接合プロセスの構築・機構解明まで広く微細接合に関する研究に取り組む。特に、優れた機能と高い信頼性を有する機能性接合材料の創出、各種エネルギー源を利用した新たな先進微細接合プロセスの構築、さらにはナノ・マイクロスケールでの界面現象解明、界面構造・機能制御による微細接合部の高信頼性化などに関する研究を推進しながら、関連する基礎学理の構築と実用化に向けた応用技術開発を行う。
材料の特性や機能を最大限に活用するため、材料科学的な観点から、溶接・接合部の特性の高精度な評価，支配因子の解明ならびにその制御・予測技術を構築することを目指した教育・研究を行っています。
特に、材料の凝固・変態挙動の理解、材料科学に立脚した溶接・接合部の組織形成機構の解明や、溶接・接合部の耐食性や機械的特性等の信頼性や寿命の評価・予測を目指し、実験とシミュレーションを用いた研究を推進し、社会に還元できる新たな溶接・接合技術の創出を目指しています。
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