コラム - テクノフロント -

第27回「元素戦略プロジェクト<研究拠点形成型>の、今後の展望について」

新日鉄住金株式会社 技術開発企画部 上席主幹 本間穂高 氏

掲載日:2014年7月15日

新日鉄住金株式会社 技術開発企画部 上席主幹 本間穂高 氏
本間穂高 氏

 

1. 緒言、意気盛ん

文部科学省直轄事業として2012年に始動した元素戦略プロジェクト<研究拠点形成型>は、本年度で3年目に入っている[1]-[6]。これまでにない革新素材を社会ニーズに応えて創製するために、我が国の材料研究および物質研究に関わる最先端研究者を様々な分野を超えて集結させ新しい学問分野を開拓することが、本プロジェクトの根幹となるスキームの一つである。決して容易に実行できるものではないが、レアメタル危機などの社会情勢を背景に、この2年間で分野融合に向けた研究者のマインド合わせは十分でき上った。研究実施者らの間では発足時の高揚感は一向に衰えておらず、むしろ産みの苦しみを乗り越えてますます意気盛んといった感がある。その基盤の上で、これからはいよいよ形ある研究成果を社会に送り出さなければならない。本稿では最近の研究成果を交えながら、このプロジェクトが目指したコンセプトを振り返り、我が国の産業競争力の源泉である素材分野における学際研究の在り方を論じてみたい。

磁石材料、触媒・電池材料、電子材料、構造材料の4つの材料領域の選定は、現在我が国が強みとしていながら他国の追い上げが激しく優位性が損なわれつつあること、科学技術からの施策投入で強みを大きく飛躍させられること、そして我が国の本質的な構造である資源調達リスクに直接的にさらされていて、希少元素を代替できる新規材料の開発が極めて有効な戦略となり得ること、の3つの視点からなされた[1]。もちろんそれぞれの視点の軽重は4つの材料領域によって必ずしも同一ではない[7]-[10]。また領域を取り巻く科学技術および産業界の情勢は時々刻々と変わっている。しかし、その前提において、新しい学問分野の開拓という中長期的な視点が全ての材料領域で貫徹されることを期待している。

 

2. 各材料領域の成果

(1) 磁石材料領域

磁石材料領域では、30年以上前に発明された世界最高性能を誇るNd-Fe-B磁石が、ハイブリッド自動車など環境対応技術の発展によって市場が急激に増大し、原料となるレアアースの需要が増大した。とりわけ、実用上重要な耐熱性の向上に必須な添加元素であるDyが、甚大な調達リスクに襲われたことは記憶に新しい。磁性の分野は、材料開発も基礎物性も1世紀以上にわたって我が国が世界を牽引してきたのだから、基礎物性からDyの元素機能を解き明かし代替技術を見いだすことが、我が国の独自性を高めることにつながるはずである。

STXMによるNd-Fe-B磁石の磁区観察像。赤で囲った縞状磁区が傾いた結晶、青の迷図が立った結晶[11]
図1. STXMによるNd-Fe-B磁石の磁区観察像。
赤で囲った縞状磁区が傾いた結晶、青の迷図が立った結晶[11]
Dyには、磁石が逆磁場を受けても正方向に磁束を発生し続ける「抗磁力」または「保磁力」を高める効果がある。磁性体は、自由エネルギーを下げるために短範囲で整列した磁気モーメントをある空間距離で逆配列させ、微視的な交換相互エネルギーと巨視的な静磁エネルギーの最適条件を作り出す。つまり磁区の形成であり、保磁力とは外部磁場に対する磁区の応答を抑制する力である。希土類磁石の磁区は細かく、Dyの効果を磁区解析から検証することは困難を極める。図1は、STXM(走査型透過X線顕微鏡)を用いて、Nd-Fe-B磁石の磁区観察に成功した例である[11]。フレネルゾーンプレートレンズにより集光された放射光ビームによって、従来にない空間分解能を実現した。明部と暗部のコントラストで磁区が表わされ、縞状と迷図状のものが認められる。縞状は方位がc軸(紙面垂直)から傾いた結晶粒、迷図状は方位がc軸に沿った結晶粒で観察されていて、結晶方位や結晶組織を制御すれば、Dy量削減の可能性があることが理解できる。

 

(2) 触媒・電池材料領域

触媒と二次電池で一つの拠点を作ることは、従来のプロジェクトでは見られなかったであろう。両者は化学の分野でも、材料研究が重要な位置付けにある。一方で、単一材料が機能を発現するものではなく、複数の部材から構成されるシステムが多段階の化学反応を織りなすことで性能を発揮する、という特徴がある。材料研究の視点からは、研究成果に多彩な階層があることを認識し、それぞれの重なり合いを認めながら連携の輪を広げていくことが肝要である。特に二つの分野では、界面における不均一系での反応を対象とする点が共通している。これらを有限系と無限系の間の反応と見なせば、頻度を持って発生する現象と考え、プロセスをイベントとして取り扱う必要がある。このような新しい試みについて、触媒と二次電池のそれぞれの領域で蓄積されてきた知見を相互に交換し理解しあって、双方にとって新たな研究アプローチが生まれることが期待されている。

図2に、「超高濃度リチウムイオン」を含んだ新しい電解液の研究結果を示す[12]。従来、リチウムとの反応で不安定化すると言われていたアセトニトリルに、逆転の発想でリチウムイオンを思いきり高濃度化したところ、反応が安定化するばかりでなく高電圧に耐えられるようになった。さらには実用上最も重要な高速充電が達成できた。この時の液体構造を、スーパーコンピューター「京(けい)」を用いて理論計算した結果、アニオンとして添加したTFSAがアセトニトリルを介さずにリチウムイオンと連鎖を構成するという、新しい構造を取ることが見いだされた。これが電極との間で新しい界面=電気二重層を形成する様子が極めて明瞭に記述できるようになっている。

(a)超高濃度リチウムイオンを含んだアセトニトリル/TFSA-電解液 (c)超高濃度リチウムイオンのインターカレ-ションの計算結果
(b)通常の電解液
図2. (a)超高濃度リチウムイオンを含んだアセトニトリル/TFSA-電解液。
      (b)通常の電解液。
      (c)超高濃度リチウムイオンのインターカレ-ションの計算結果。[12]
      黄色:リチウムイオン、青:アセトニトリル、緑:TFSA-

 

(3) 電子材料領域

電子材料という極めて広い領域をターゲットとする拠点ができた上で、材料目標の設定には明晰な戦略性が必要となる。エレクトロニクス市場はグローバルに果てしなく拡大すると同時に、完成品に求められる機能も限りなく向上している。それゆえ部材としてのデバイスのみならず、材料のステージにおいても絶えず斬新な性能を追求していかなければならない。一方、巨大なサプライチェーンの中で我が国の立ち位置を優位に確保し市場で勝ち残るためには、材料特性だけでなく、原料コストや資源調達リスクにまで戦略性を持って研究目標を立てることが重要である。タッチパネルやコンデンサーなどは、我が国が先導して市場を拡張してきたが、現時点では他国との競争が熾烈である。元素戦略を有効に働かせるべき状況にあるといえよう。

LaFeAsOH系超伝導相図。横軸は水素ドープ量、水色が超伝導相、赤色が反強磁性相、黄色が共存域。図中には副格子点における磁気モーメント秩序を示す。低水素側と高水素側で異なる秩序相である事が分かる。
図3. LaFeAsOH系超伝導相図。横軸は水素ドープ量、水色が超伝導相、赤色が反強磁性相、黄色が共存域。図中には副格子点における磁気モーメント秩序を示す。低水素側と高水素側で異なる秩序相である事が分かる。[13]


超伝導材料は臨界温度の高さで評価されがちだが、冷却技術が広まって数多くの実用化の例が挙げられる今日では、臨界電流や臨界磁場を高めることが材料開発上重要となる場合が多い。磁気応用が多数を占めながら、超伝導は磁性と相反する現象であると認識されている。これに対し、典型的な磁性元素であるFeを含む化合物で超伝導が発見された。この系では磁性と相反しない新たなメカニズムで超伝導が発生している可能性がある。図3は、最近発見されたLaFeAsO1-xHxの超伝導相図を示す[13]。横軸にHドーピング量を取ると、x=0.05を超えた辺りで超伝導相が現れ、更にはx=0.4以上で反強磁性相が現れる。図中黄色で示した所が、超伝導相と反強磁性相の共存域となる。我が国最先端の理論研究と解析研究をプロジェクト内で糾合することでこの研究をさらに進め、新しい超伝導機構の発見とともに、臨界磁場の抜本的な向上と実用化が展開されるよう切望する。

 

(4) 構造材料領域

構造材料は長い歴史の中で膨大な技術体系を蓄積してきた。今日では更に、成形、加工などの要求が高度化し、軽量化、安心安全の確保などの観点も交えた高性能材料の市場は拡大し続けている。機能の限界現象である破壊や変形は、多数の格子欠陥の動的な協働によってもたらされる。一方、従来の格子欠陥研究は単純化された幾何学モデルに基づいていて、新規材料開発に十分適用できなかった。京大におかれた元素戦略拠点では格子欠陥の集団運動について体積要素の考え方を織り込み、「プラストン」と名付けた新しい上位概念を提唱している。元素機能と格子欠陥の相互作用を記述する上で、必須のアプローチである。我が国の産業界が大きく先行している構造材料開発では、諸現象のより深い理解を得ることが開発を大きく加速し、産業競争力をさらに高めることにつながる。

構造材料拠点では、電子論に基づいた最新の計算手法を駆使して原子に加わる力を計算し、物質の格子振動状態や動的挙動を定量的に算出するプログラムを開発している。この手法を「プラストン」の記述に適用することで、構造相転移や格子欠陥の動的挙動の評価を試みている。計算結果の一例として、図4にCuの様々な結晶構造の系統図を示した[14]。Cuの場合、BCC構造は動的に不安定で自発的にHCP構造になる、あるいはΩという小さい活性化障壁を与える構造を経由してFCC構造になることが見てとられる。同様の計算を、応力下や他の様々な物質について実施することで、塑性変形や破断を原子の集団運動という観点からの解析への展開が期待される。

(a)縦軸は、CuのHCP/FCC構造相転移に際しての活性化障壁。単純立方格子(SC)、単純斜方格子(SH)に比べ、ω相を経由すると大幅に低下する。 (b)赤で示したω相から、黄色で示した(b)BCCに構造相転移する際の格子変位。不安定なBCCは直ちにHCPに相転移する。
(c)赤で示したω相から、黄色で示した(c)FCCに構造相転移する際の格子変位。不安定なBCCは直ちにHCPに相転移する。
図4. (a) 縦軸は、CuのHCP/FCC構造相転移に際しての活性化障壁。単純立方格子(SC)、単純斜方格子(SH)に比べ、ω相を経由すると大幅に低下する。[14]       (b),(c) 赤で示したω相から、黄色で示した(b)BCC、(c)FCCに構造相転移する際の格子変位。不安定なBCCは直ちにHCPに相転移する。

 

3. 我が国の材料研究の位置付けと戦略性

科学技術における材料分野の位置付けは一様ではない。というのも、材料を構成する物質の特性=character は、使用する側の要求性能に合致させなければ、材料の性能= performance に反映されないからである。そもそも材料から構成される部材やデバイスですら、最終製品に向けた構造化の段階で十分な性能を発揮できなくなることもある。エンドユーザーからの要求が材料のレベルに届くまでに多くの過程を経るので、研究目標も丹念なニーズ分析に基づいて設定する必要がある。同様に、元素機能にまで立ち返った物質探索、創製においても、材料性能に一元的にひも付けた物性指標にとらわれることなく、多彩な特性への対応を検討する必要がある。

元素機能、基礎物理・化学から物質創製、材料開発を経て、部材化、構造化に至るプロセスを、仮にそれぞれの学問領域についてのサプライチェーンに見立ててみると、各材料分野の位置付けが理解しやすい。図5に、サプライチェーン上での材料研究のカバーする範囲を材料ごとに示した。このように描くと、基礎研究と言われるものはその左側に伸びる鎖線の範囲であり、応用研究は右側の鎖線で示されることになる。

例えば永久磁石であれば、材料研究のかなりの部分を物質創製がカバーする。結晶方位制御や粒界組織制御なども物性物理学に基づいて設計されることが多い。歴史的に基礎学理と材料研究が結ばれやすい分野である。一方で、応用研究への展開はさほど込み入っていない。二次電池の場合は、電極物質の探索からフルセルでの性能評価まで材料研究のカバーする範囲は広い。ただし、材料の機能は正負電極と電解質における複雑な化学反応を通して発揮されるので、個々の要素として基礎学理の研究目標を抽出するのは容易ではない。電子材料の分野はまさに現代の物性物理を構築してきた分野であり、材料開発そのものが基礎物理をよりどころにして進められている。材料からみた応用分野は、システム化が進んでいるとはいえ、デバイスから回路、電子部品を経て最終製品に至る工程は極めて長く煩雑である。また嗜好(しこう)性の高い市場なので、材料への要求性能は短期間で変遷しやすい。構造材料は、基礎側にも応用側にも狭い範囲でスコープされがちである。鉄鋼、非鉄金属、セラミックス、炭素繊維など多彩な材料について、応用側から見た機能のすみ分けが進んでいて、個々の材料に対する要求特性の幅を大幅に広げたり、新規物質の創製で市場競争を激化したりすることよりも、機能の根源をより正しく理解し、構造化に際して最適化を図る中で、より高い研究目標が生まれることが多い。

繰り返しになるが、材料研究の多様さはそれぞれが活用される産業界の状況に影響されている。それぞれの完成品市場におけるサプライチェーン化は国内産業においても顕在化していて、原料を起点とする製造工程ごとに明瞭な技術ドメインが認められる。図5の各階層にずれが生じているのも、これらに結びついた学問分野の位置付けが材料領域によって一様でないことに起因している。

元素戦略プロジェクト<研究拠点形成型>は、数多くの材料分野で優位性を持つ我が国の研究ポテンシャルに横串を差して、図5の横軸方向に伸びる基礎と応用の幅を広げることを目指している。例えば基礎物理、基礎化学のレベルで見た縦軸で連携を進められないだろうか。分野によっては、材料研究そのものにかぶさるものもあれば、材料からみた基礎にすら届かないものもある。それは、基礎への深掘りや応用への展開が大きくない材料分野でも、他材料との横展開を図れば、横軸を広げる機会が得られる可能性があるということを意味する。冒頭に述べたように、これは決して容易な試みではない。既存の科学技術体系は多大な蓄積の上に成立していて、次の世代を作り上げるには、その上に新たな知見を積み上げなければならないからである。昨年8月に開催した元素戦略シンポジウム(非公開)では、4つの材料領域から若手研究者を40人招集し、あえて他分野の研究者と議論を闘わせて新分野開拓への気運を高めることを試みた。3時間半にわたるポスターセッション形式で実施し、熱気の冷める間もなく閉会した。ここで生まれた数多くの出会いから、新しい研究成果がすでに生まれ始めている。今後それがさらに継続発展していくことを期待している。

材料研究に関わる学問分野の連携図
図5. 材料研究に関わる学問分野の連携図

 

4. 総括、結集し発展へ

筆者は、平成23年4月から平成26年3月まで、文部科学省研究振興局基盤研究課ナノテクノロジー・材料開発推進室(現:研究振興局参事官ナノテクノロジー・物質・材料担当付)に文部科学省調査員として奉職する機会を得た。この間、東日本大震災からの復旧、復興に関わる中でレアメタル問題に直面し、経済産業省、NEDO、JSTなどの他府省、機関と緊密な連携チームを作って、対応に奔走した。レアメタル危機の中で、我が国の科学技術における潜在能力を最大限に掘り起こして施策化を試みた元素戦略プロジェクト<研究拠点形成型>だったが、実際に活動を開始することで初めて見いだすことのできた研究アプローチも数多くあった。例えば前述のように、それぞれの分野発展のために他分野と対話を試みる際に、基礎、応用、理論、現象論などの目線を一致させようとしても、お互いの認識レベルが必ずしも同一でないので、すりあわせに多大な労力を費やした。しかし、振り返ってみると、その作業自体が実は異分野協働によって各分野に刺激を与え、新たな視点を植え付けてきたともいえる。また、「理論と実験の対話」を主眼とした議論を何度も重ねた結果、あらゆる材料領域において、両者の間にあるのは一元的な対照構造ではなく、幾つもの中間段階を持って仮説と検証を繰り返す層状構造であることがよく理解できた。そして、それぞれの材料領域は完全に独立した学問体系を成しているのではなく、様々なチャンネルでつながり合えるのである。

これら数例を挙げただけでも、元素戦略プロジェクト<研究拠点形成型>は、それ自体が壮大な実験といえよう。ある海外の施策担当者と対話した時に、「日本ではどうしてそのようなことが実現できるのか。他国ではなかなか実現困難だ」と言われたことがある。もちろん我が国においても決して実行容易な施策ではない。社会的な危機に直面して気概ある研究者が集結するタイミングを得た、ということかも知れない。その意味で、我が国がせっかく得たこのチャンスを、皆で守り育て、大きく発展させることが重要であると強く思う。

本プロジェクトが果たすべき課題はまだまだ数多くある。イノベーティブな研究成果創出に分野間の強い協働が決定的に重要であることの実証、経済産業省などとの連携で研究成果を確実に社会還元し産業競争力強化に資する研究スキームの確立、若手研究者が分野の垣根を超える経験を積んで次世代に向けた新分野開拓の気概の育成などである。本稿では、プロジェクトが発足し、活動が軌道に乗るまでの経緯を踏まえて、ここで再認識できた事柄を中心に述べた。これまで私たちが独自に築き上げてきた研究アプローチは、さらに大きなターゲットに向けて今まで以上に新たな研究視点を探索し続けなければならない。引き続き、関係者からの忌憚(きたん)ないご指導、ご支援を受け、我が国の材料科学の潜在能力を存分に発揮して、「成果を生み出し続けるシステム」の構築を確実に成し遂げていただくことを切に願っている。

 

    参考文献
  • [1] 文部科学省 第6期ナノテクノロジー・材料科学技術委員会(第4回) 配付資料
    資料1-2-2 元素戦略の新展開について(元素戦略検討会報告書) 2011.7.28
  • [2] 坂本修一:工業材料, 60, No.5, p1(2012)
  • [3] 本間穂高, 馬場大輔, 金井沙織, 永井雅規:日本磁気学会第185回研究会資料, p1(2012)
  • [4] 中山智弘:元素戦略 科学と産業に革命を起こす現代の錬金術;ダイヤモンド社,2013.11
  • [5] 本間穂高:表面科学, 35, No.1, p58(2014)
  • [6] 本間穂高:ぶんせき, No.5, p274(2013)
  • [7] 宝野和博:ぶんせき, No.5, p278(2013)
  • [8] 田中庸裕, 山田淳夫, 江原正博:ぶんせき, No.5, p278(2013)
  • [9] 真島豊, 雲見日出也, 大橋直樹, 村上洋一, 細野秀雄:ぶんせき, No.5, p278(2013)
  • [10] 田中功, 大沼正人, 乾晴行, 幾原雄一:ぶんせき, No.5, p278(2013)
  • [11] 小野寛太, 荒木暢, 矢野正雄, 宮本典孝:まてりあ, 50, No.9, p379(2011)
  • [12]Y.Yamada, K.Furukawa, K.Sodeyama, K.Kikuchi, M.Yaegashi, Y.Tateyama, A.Yamada:J.Amer.Chem.Soc., 136, p5039(2014)
  • [13]M.Hiraichi, S.Iimura, K.M.Kojima, J.Yamaura, H.Hiraka, K.Ikeda, P.Miao, Y.Ishikawa, S.Torii, M.Miyazaki, I.Yamauchi, A.Koda, K.Ishii, M.Yoshida, J.Mizuki, R.Kadono, R.Kumai, T.Kamiyama, T.Otomo, Y.Murakami, S.Matsuichi, H.Hosono:Nature Physics, 10, No.4, p300(2014)
  • [14]A.Togo, I.Tanaka:Phys. Rev. B, 87, 184104(2013)

 

本間穂高 氏
本間穂高 氏
(ほんま ほたか)

本間 穂高(ほんま ほたか) 氏 プロフィール

1962年 群馬県生まれ。新日鉄住金株式会社技術開発企画部上席主幹。新日本製鉄株株式会社(現新日鉄住金株式会社)にて電磁鋼板の研究開発に従事(1987~2011)。この間、スウェーデン金属研究所客員研究員(1997~1999)。文部科学省にて、ナノテクノロジー、物質、材料科学に関する施策業務に従事(2011~2014)。2014.4月より現職。日本金属学会会員、日本鉄鋼協会会員、工学博士。

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