工学部 > 応用理工学科 > マテリアル生産科学科目

量子材料物性学領域

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。

表界面物性学領域

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る。また、材料の表界面構造を原子スケールの情報を与える顕微鏡により調べる手法を開発している。

材料評価学領域

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。

材料極微プロセス工学領域

構造と物性の関連性を、極微構造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で解析して得られる情報に基づいて究明しています。透過電子顕微鏡、電子分光等を総合的に援用して、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非平衡相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。

材料理化学領域

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。

界面制御工学領域

当研究室では、未来社会デザインのためのメタラジー構築を目指して、表面・界面が関わる様々な物理現象の理解と、それらの現象を利用した高付加価値材料・プロセス創製の研究を行っています。例えば、鉄鋼を中心とする素材創製プロセスに深く関わりのある高温液体物性と界面現象の理解のために、溶融スラグ中に晶出する2CaO・SiO2固溶体の高温X線回折による構造解析、溶融スラグ表面物性の理解のために、放射光施設を利用して表面イオン緩和構造の解析を行っています。また、溶鉄中介在物の焼結挙動の高温その場観察や、スラグフォーミングなどの高温界面現象のその場観察の研究を行っています。また、鉄鋼プロセス等から生じる中温域の廃熱の有効利用を目指した熱電発電モジュールの創製に関する研究も行っています。ただし、熱力学は我々の研究の基礎となる学問であり、我々が扱う全ての研究課題に対して、熱力学に基づいた考察を行っています。なお、日本製鉄材料基礎協働研究所と連携して、研究活動を行っています。

材料設計・プロセス工学領域

招へい教授 小野 英樹

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。

計算材料設計学領域

准教授 福田 隆

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

結晶塑性工学領域

金属・セラミックスといった結晶性材料の力学特性は、「転位」と呼ばれる格子欠陥の振る舞いに強く依存します。本領域では、材料の変形挙動を最先端電子顕微鏡法、中性子回折法、局所力学特性評価法等により捉えるとともに、転位の運動挙動を微視的な視点で自由自在に制御することで、航空宇宙分野・エネルギー分野で使用される先進構造材料の高強度化、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。さらに、構造材料の研究で培ったノウハウを活かして、永久磁石を初めとする機能性材料の高性能化にも取り組んでいます。

結晶成長工学領域

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。

材料組織制御工学領域

我々の社会を支える基盤的材料から次世代先進材料に至るまで、各種金属系構造材料の新規開発、特性向上を、格子欠陥・転位・結晶構造・相安定性・組織形態といったナノ、メゾ、ミクロ各視点からの制御により実現すべく研究を行っています。現代社会が求める多様なニーズ、過酷な要求に応えるべく、本研究室では軽量、高強度、高耐熱性、生体適合性、高耐食性といった、複数の機能を同時に高度に併せ持つ、先進的・multi-functionalな「機能性構造材料」の創製を目指しています。現在特に、低炭素社会の実現を目指した次世代超高温構造材料の開発、軽量高強度を有するシンクロ型マグネシウムLPSO合金開発、ならびに生体内で溶解する金属インプラント材料の開発プロジェクト等を進めています。

環境材料学領域

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。

生体材料学領域

結晶学や結晶塑性学などの材料工学で培われた評価・解析・制御法を、生体組織ならびにそれを代替もしくは誘導する生体材料の構造・機能特性の解明に適用し、生体物性の評価、生体組織再生技術の開発、生体材料の創製を目指した研究を行っています。とりわけ生体組織に特徴的な階層ごとの異方性配列・構造に注目し、生体内を含む特殊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 “異方性の材料科学” 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。

材質形態制御学領域

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。

機能化プロセス工学領域

ものづくりでは,目的とする構造物や製品に適した特性の材料への付与および構造化が重要です。このためには,材料の機能化,加工の知能化による知識融合型の知的プロセシング工学が必要であり,本研究室では材料科学と加工物理学を基礎として体系化するための研究を行っています。対象は,電子部品から自動車まで多岐に渡りますが,表面や界面のナノスケールでの組織解析や組織制御を行うことで,構造体のサイズに関わらず特性の最適化を行っています。

複合化プロセス工学領域

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。

加工物理学領域

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。

ノベル・ジョイニング領域

エコロジー指向の未来社会のため、人類が積み上げてきた従来「工学知」と「生物知」を紡ぐ生物規範のハイブリッド生産プロセスを開拓します。全く性質の異なる材料同士を「つなぐ」テクノロジー、高度に材料の機能・構造をインテグレートする異種材料接合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ノベル・ジョイニング技術を進化させます。

プロセスメカニックス領域

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。

構造化評価学領域

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。

生産システムインテグレーション領域

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。

電子システムインテグレーション領域

電子デバイス、マイクロマシン、極微センサなどの微細システム創成に必要 な機能設計から、微細加工プロセス、実装プロセス、知的センシング・制御、 更には評価・信頼性に至るまで電子システムのインテグレーションを目指した 教育・研究を行っています。

システムデザイン領域

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。

生命科学研究分野

我々は、電子顕微鏡を用いて、生体高分子複合体などの高分解能構造を決定することで、その生体高分子などの機能を分子・原子レベルで理解し、その応用につなげることを目指して研究しています。そして、電子顕微鏡による構造解析をより多くの研究者に利用してもらえるよう、高分解能構造解析のための超高圧や低温電子顕微鏡を用いた構造解析法の開発・改良を行っています。

ナノ構造・機能評価研究分野[産業科学研究所]

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。

先端ハード材料研究分野[産業科学研究所]

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。

接合デザイン講座[接合科学研究所]

本研究分野は、溶接・接合で組み立てられる構造物や工業製品の耐破壊安全性評価を担い、材料強度/継手強度から構造全体の健全性を評価できる手法を構築することを目指した教育研究に取り組んでいる。

接合界面機構学分野[接合科学研究所]

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。

プラズマ工学講座[接合科学研究所]

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。

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