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「研究成果」一覧

2021年度助成金交付対象の「研究成果」概要     


※ 2022年7月頃掲載を予定しています。

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2020度助成金交付対象の「研究成果」概要

京都大学 大学院工学研究科 高分子化学専攻 助教 西川 剛 様

「ポリマー材料の自在分子設計を志向したアルケニルボロン酸エステルの触媒的精密重合」

 

目的:本研究では、適切な触媒・連鎖移動剤を用いた重合によるポリ(アルケニルボロン酸エステル) の精密合成を行う。得られたポリマーの側鎖は幅広い官能基へと置き換えることができるため、循環型社会に適するビニルポリマーの迅速な設計・開発につながる。

 

研究成果:ホウ素がビニル基に直接結合した構造を持つアルケニルボロン酸エステルをモノマーとして用いた制御重合に関して詳細な検討を行なった。チオエステル系の連鎖移動剤を用いた可逆的付加-開裂連鎖移動による制御重合を行ったところ、用いる連鎖移動剤の分子構造に依存して重合挙動が大きく変化し、メタ・クリレートやスチレン等の重合制御に適したトリチオカーボネート型の連鎖移動剤を用いた場合に効率良く制御ラジカル重合が進行した。この結果を量子化学計算により検証したところ、ホウ素の空のp軌道による成長ラジカル安定化が鍵となり、アルケニルボロン酸エステルは共役モノマーに類似した振る舞いを示すことが明らかとなった。

 

 

大阪市立大学 大学院理学研究科 光物理化学講座 八ッ橋 知幸 教授

「地球環境の保全に努める希土類元素リサイクル技術の基礎研究」

 

目的:レアメタルのひとつであり、省エネルギー社会を支える必須元素であるユウロピウムの回収技術を開発する。地球環境への影響を最小限に抑えるため、溶媒に水を用い、空気下、常温常圧下、非接触での回収によって循環型社会の実現に貢献する。

 

研究成果:重元素やレアメタルのリサイクルは社会の重要課題である。本研究は近赤外フエムト秒レーザーを用いてランタノイド元素の一つであるユウロピウムを水溶液中、空気下、そして常温常圧下において非接触で還元することに成功した。還元はレーザーエネルギーの3次に依存し,水の多光子過程で生じる水和電子によって進行すると結論した。さらに硫酸イオンの添加によってユウロピウムを硫酸塩として分離することに成功した。これまでの紫外ランプを用いた沈殿生成の誘導期間は最短でも数時間であったが、これを数分に短縮することができた。

 

 

京都大学 大学院工学研究科 材料化学専攻応用固体化学講座 村井 俊介 助教

「ナノアンテナによる省エネルギー光源の開発」

 

目的:申請者らは近年、アルミニウムのナノ粒子の周期アレイ構造( =ナノアンテナ)を発光層と組合せ、桁違いの発光強度の増強を見出した。本申請では、実験事実とシミュレーションを組合せ、ナノアンテナ構造による光取出しの高効率化に関する方法論を確立する。

 

研究成果:本研究では、3次元ナノアンテナを作製する新手法の開発に成功しました。この技術を発光素子に応用すると、発光をより明るくすることができます。ナノアンテナはナノ粒子を平面上に周期的に敷き詰めた構造で、例えば蛍光体基板の上にナノアンテナを作製すると発光の増大と指向性の付与が実現します。ナノアンテナを上下に重ねた3次元ナノアンテナができると、さらに大きな効果が期待できるのですが、これまで作製の困難さから研究が進んできませんでした。研究代表者らは最近開発したナノアンテナシール技術を応用し、簡単に2層のナノアンテナが積層した3次元ナノアンテナ構造を作製する手法を開発しました。2層の間に発光層を挟むことで、両層のナノアンテナ効果を同時に受けた発光の増大と指向性の付与ができることを実証しました。

 

 

大阪工業大学 工学部機械工学科 マイクロ流体力学研究室 横山 奨 特任講師

「海洋マイクロプラスチックを効率的に回収可能な完全3次元マイクロ流体デバイスの開発」

 

目的:海洋マイクロプラスチックが重大な環境リスク要因であることは、様々な報告書により認知されてきた。本研究では、「完全3次元」マイクロ流体デバイスを実現することで、連続的に海洋マイクロプラスチックを効率的に回収可能な手法の開発を目的としている。

 

研究成果:マイクロ流体デバイスは、その名前の通りマイクロメートルオーダの流路を有するデバイスであり、その内部では流体の乱れが抑制され決して乱流になることはない。この特性と遠心分離を組み合わせ、連続的な成分分離・回収が可能な螺旋型流路を有するマイクロ流体デバイスが提案されている。しかし、従来のデバイスは形状的制約により内周側のみ回収効率が良く、流路長が担保される外周に行くほど回収効率が悪化するという構造的欠陥が存在する。本研究では「2 . 5次元」形状を脱した「完全3次元」マイクロ流体デバイスを開発し、回収効率の大幅な改善を実現した。

開発したマイクロ流体デバイスを用い、マイクロプラスチックを模擬したマイクロビーズを回収することで、機能評価とデバイスの最適化を実施した。最適化の結果、マイクロビーズ濃度が回収口内側で69.9%、外側で112.1 %となり、差分にして422%の回収率を実現した。

 

 

京都大学 大学院理学研究科 化学専攻分子性材料分科 中野 義明 助教

「ハロゲン結合有機構造体の開発と熱電材料への応用」

 

目的:実用レベルの熱電材料は無機材料であり、希少・毒性元素を含有しているため熱電発電の普及を妨げている。そこで本研究では、豊富な元素から構成され、廃棄処理も容易で環境負荷が小さい有機材料からなる超分子結合有機構造体を開発し、熱電材料へ応用する。

 

研究成果:超分子結合有機構造体を開発し、それを熱電材料へ応用するため以下の研究を行った。 (1)Dハロゲン結合が期待されるヨードエチニル基を有するハロゲン結合ドナー分子の開発を目的として、1,2,4,5-テトラヨード-3 ,6-ジフルオロべンゼンとトリメチルシリルアセチレンとの薗頭カップリング反応、硝酸銀とMSによるヨウ素化を経て、1 ,2 ,4,5-テトラョードエチニル-3 ,6-ジフルオロべンゼンを新規に合成した。 (2 )ピリジルメチル基、ピリジルエチル基を有するナフタレンジイミド誘導体(PyCn) NDI(n = 1,2)と様々な超分子結合ドナー分子との錯体を作製し、超分子結合ネットワークが形成されることを明らかにした。 ( 3 )N-メチル化、エチル化DABCOTCNQ、または、F4TCNQとの錯体を作製し、構造解析、電気伝導度測定を行い、半導体的特性を示すことを明らかにした。また、バンド計算を行い、それらの絶縁化機構を示した。

 

 

京都大学 大学院工学研究科 分子工学専攻光有機化学分野  東野 智洋 助教

「ヘテロール縮環ポルフィリン誘導体の開発と有機太陽電池への応用」

 

目的:へテロ元素を含む兀共役分子であるヘテロールとポルフィリンを組み合わせたへテロール縮環ポルフィリン誘導体を合成し、その構造-物性相関について詳細に調べる。また合成した分子を有機太陽電池へと応用し、高いエネルギー変換効率を実現することを目指す。

 

研究成果:新規へテロール縮環ポルフィリンとして、フラン縮環ポルフィリンの合成検討を行ったところ、得られた分子は不安定であり、単離することができなかった。一方で、チェノチオフェン縮環ポルフィリンについても合成検討を行ったところ、得られた分子は安定な分子として単離することに成功した。チェノチオフェン縮環ポルフィリンは、チオフェン縮環ポルフィリンよりも長波長化した吸収を有しており、光吸収特性を向上させることができた。また、エチニルポルフィリンに対する[2+2+1]付加環化反応により、ピロール縮環ポルフィリン・ホスホール縮環ポルフィリンの合成に成功した。さらに、典型元素の種類・酸化状態によってへテロール誘導体の性質を制御できることを活用し、ポルフィリンの芳香族性と基礎物性の制御を実現した。

 

 

京都大学 大学院理学研究科 化学専攻量子化学研究室 金 賢得 助教

「効果的ナノ空間によるパラーオルソ水素の選択分離法の先導的提案」

 

目的:エネルギー源としての水素にはパラ水素とオルソ水素が不可避に混在している。本研究では、独自開発したの量子分子動力学法を用い、低予算・低エネルギー・短時間で選択的にパラーオルソ水素を分離し得る革新的ナノ空間を先導的に提示する。

 

研究成果:「核と電子を同時に波束化することで、孤立水素分子から固体水素まで広範なパラ水素系に適用可能な、量子分子動力学法と呼べる新手法を世界に先駆けて開発してきた。本手法では、モデルポテンシャルや経験的パラメータの導入が一切不要であり、多くの経験的パラメータを含むモデルポテンシャルに基づいた従来の経路積分法とは一線を画す。他にも本手法は、水素分子の微視的ダイナミクスが実時間で追え、非平衡系など広範囲な熱力学状態に適用できるなど、多くのアドバンテージを持つ。

本研究では、オルソ水素分子の量子分子動力学法の開発に成功した。パラ水素とオルソ水素の全エネルギーの最安定点におけるエネルギー差は171.8Kとなり、実験値(170.5K)に非常に近い値を再現することができた。オルソ水素が回転していることを反映し、分子結合長はパラ水素(0.743Å)よりもオルソ水素(0.744Å)が遠心力によりわずかに伸長して分子形状が変化していることも分かった。」

 

 

京都大学 工学研究科 附属流域圏総合環境質研究センター 環境質予見分野 竹内 悠 助教

「光触媒付加型磁性ナノ複合材料による消毒副生成物および前駆物質の除去特性の解明と管理手法の提案」

 

目的:本研究の目的は、吸着作用ならびに酸化分解作用を有する新素材の磁性ナノ複合材料

(FeS2/C3N4)とそれを用いた新規の浄水処理プロセスを開発することである。発がん性を有する消毒副生成物(Vnitrosomorpholine; NMOR)およびその前駆物質(Morpho A ne ; MOR)の浄水処理過程における除去の向上に資するものである。

 

研究成果:モルホリン(MOR)は、浄水場や下水処理場でのクロラミン消毒によって有害なWーニトロソモルホリン(NMOR)を生成する。本研究では、有望な光触媒であるFeS2℃3N4複合材料と太陽光照射を組み合わせた促進酸化処理に着目し、下水処理水中のMORの除去性能を評価した。

下水二次処理水にMORFeS2℃3N4複合材料を添加し、疑似太陽光ランプによる光照射条件下で回分式実験を行った。ランプの照射強度はUV-A : 15.1 mW/cm2UV-B : 0.90 mW/cm2とした。MORの除去率は、暗条件下では30分間で1 ~ 8 %にとどまったのに対し、光照射下では60分間で92 %に及んだ。このように、FeS2℃3N4は光照射下でMORの除去率を向上させる働きがあることがわかった。FeS2/C3N4複合材料を用いた促進酸化処理を下水処理へ導入することで、下水処理場におけるMORの除去率を向上でき、放流先河川へのMORの排出を抑制できる可能性が示唆された。

 

 

大阪大学 大学院工学研究科 地球総合工学専攻地盤工学領域 緒方 奨 助教

「地熱生産効率増進のための水圧破砕による亀裂発生メカニズムの解明」

 

目的:本研究では,鉱物分布に基づき岩石の不均質性を考慮した高精度水圧破砕シミュレータを開発し,実験とシミュレーションにより従来未解明であった水圧破砕による亀裂発生メカニズムを解明し効果的な地熱増産システム確立に資する成果を明示する.

 

研究成果:本研究では,対象岩石の鉱物分布・組成が水圧破砕時の亀裂発生・進展挙動に与える影響について実験と数値解析の両面から精査し,その具体的メカニズムを明らかにした。(しかし,今回実施した実験は, 常温下で1ケースのみの拘東圧条件で実施したものである。したがって,本研究の発展的課題として, より実環境を想定した,超高温条件での様々な拘束圧設定の下,水圧破砕実験を実施し環境条件を包含した亀裂発生・進展メカニズムを精査していく必要がある。)

 

 

京都大学 大学院横断教育プログラム推進センター 田中 一 特定助教

「低損失パワーデバイスに向けたSiC MOS界面における電子輸送の理論研究」

 

目的:炭化ケイ素(SiC)MOSFETは、電力変換時の損失を低減できる次世代パワーデバイスとして期待されている。本研究では、SiC MOSFETにおける電子輸送を記述する理論モデルを構築し、学理に基づく特性予測・性能向上を可能とすることを目的とする。

 

研究成果:本研究では, SiC MOS反転層での電子状態計算,およびキャリア散乱レートのモデル構築・計算を行い,可動電子のHall移動度の解析を行った.考慮した散乱過程のうち,電気的に中性な欠陥による散乱に関して,欠陥の空間的な分布を表現するパラメータのフィッティングを行うことで,実験的に報告されているSiC MOSFETにおけるHaU移動度の振る舞いを,ある程度再現することに成功した.このモデルを用い, Hall移動度だけでなく,ドリフト移動度,およびデバイスとしてのドレイン電流の特性を記述する実効移動度の計算も行った.その結果,実効移動度の振る舞いについても,実験結果と矛盾しない結果が得られた.本成果は, SiC MOS反転層における移動度律速要因の解明や,移動度向上指針の提示の基礎となるものであると言える。

 

 

京都大学 大学院人間・環境学研究科相関環境学専攻 物質相関論講座 吉田 寿雄 教授

「二酸化炭素の有効利用のためのチタン酸塩微結晶光触媒の開発」

 

目的:地球温暖化の原因とされる二酸化炭素の排出を減らしかっ有効に利用するために、太陽エネルギーと水を使って 二酸化炭素を工業的にも有用な一酸化炭素に変換するためのチタン酸塩光触媒を微結晶化し、助触媒を用いて高性能化することを目的とする。

 

研究成果:本系の研究では、銀助触媒の構造と機能についての知見について新たに得ることができた。この結果は学会で発表するに至った。チタン酸カルシウム光触媒の微結晶をフラックス法で調製し,そこに添加する二元助触媒の検討を銀と遷移金属酸化物の組み合わせで行った結果、遷移金属の種類によって還元生成物の選択性が大きく異なることを見出した。この結果は学術論文として公表した。

光触媒反応装置のスケールアップを検討したところ、大きく生成物選択性が変わってしまったので、反応条件について詳しく検討した。光触媒を水中にうまく懸濁させることと、二酸化炭素をよく水溶液中に溶け込ませることが思いのほか重要であることを見出した。結果として,光触媒反応装置の大型化に成功した。この結果は学会で発表するに至った。

 

 

大阪府立大学 理学系研究科分子科学専攻 亀尾 肇 准教授

「窒素分子からの直接的有機アミン合成」

 

目的:有機アミンは,化石燃料依存型のハーバー・ボッシュ法で得たアンモニアを用いて, 多段階のプロセスで合成されている。本研究では,窒素分子から有機アミンの直接合成法を実現し,エネルギー問題や地球温暖化などの環境問題に資する触媒反応の開発に取り組む。

 

研究成果:本研究では、σ文字電子受容性(Z)配位子の性質に注目した触媒設計に基づいて、窒素固定の新しい展開を実現すべく研究を実施した。σ電子受容性配位子は、金属M→ z配位子間多電子の蓄積および窒素分子への多電子移動を行うことで、ニトロゲナーゼの機能モデルとしての機能が期待される。そこで、本研究では。電子受容性配位子を有する新規金属錯体の創製と、それらを用いた窒素還元反応の開発に取り組んだ。その結果、σ電子受容性配位子を鍵とすることで、極めて電子豊富なコバルト(-I)窒素錯体の合成を達成し、それらが窒素分子のシリル化に良好な触媒活性を示すことを見出した。

 

 

京都大学 大学院工学研究科物質エネルギー化学専攻 合成反応設計分野 高谷 光 准教授

「マイクロ波感応型人工酵素による木質バイオマスの循環資源化」

 

目的:マイクロ波照射によって未活用の木質バイオマスを高効率・低エネルギーで分解・変換できる人工酵素を開発し,これを用いて廃棄木材,間伐材,古紙,パルプ黒液を原料として,芳香族化合物,機能性セルロースを製造できる環境調和型化学プロセスを開拓する。

 

研究成果:マイクロ波照射によって未活用の木質バイオマスを高効率・低エネルギーで分解・変換できる触媒および半導体発振型マイクロ波反応装置の開発に成功した。これらを用いることによって,廃棄木材、間伐材、パルプ黒液を原料とするリグニンの直截的な分解反応が可能であり、木材からの他官能基性フェノール化合物の生産と得られてくるフェノール類を単離することなく one-potで発光性分子に変換できるバイオマス基盤環境調和型化学プロセスの開発に成功した。

 

 

京都工芸繊維大学 分子化学系 天然高分子材料学講座 池田 裕子 教授

「低炭素社会に役立つリグニン充てん天然ゴム系コンポジット材料の創生」

 

目的:低炭素社会構築への貢献を目指して廃棄物リグニンをゴム系補強充てん材として利用するために、申請者らが世界初で見出した新規加硫反応機構に基づいて不均一ゴム網目構造制御技術の確立を行い、高性能オールバイオマスゴム系コンポジット創生技術を確立する。

 

研究成果:低炭素社会構築への貢献を目指して、廃棄物リグニンをゴム系補強充てん材として利用するために、天然ゴムとリグニンから高性能オールバイオマスゴム系コンポジットの創生に役立つ研究に挑戦した。その結果、バイオフィラーリグニンの高補強性フィラーとしての活用には、加硫ゴム網目構造の制御が鍵になることが判った。また、ゴムの配合設計とともに加工設計が極めて重要になることも明らかとなった。そして、リグニン充てん天然ゴム試料間でヤングモジュラスの比較が可能となる原子間カ顕微鏡観察のフォースポリューム測定が、材料設計の指針提出に際して非常に有効な手法になることも判った。

 

 

京都大学 大学院理学研究科化学専攻 集合有機分子機能講座 齊藤 尚平 准教授

「環境応答性の「羽ばたく蛍光プローブ」を用いた有機汚染水の新しい分析法の開発」

 

目的:開発した「羽ばたく蛍光分子」を微量添加剤として用い、水の局所粘度や有機不純物の分布を可視化・定量する新しい分析法の確立を目指した。これにより、有機物の存在比だけでなく、目には見えない不均一性についても有機汚染水の情報が得られると期待される。

 

研究成果:今回、アルカン系有機溶媒中において0.3100 cpという極めて低い粘度領域においても、わずかな粘度の違いを判別・定量できる独自の「羽ばたく蛍光分子FLAP」を開発した( cpは粘度の単位でセンチボアズ。室温で水は1 cp ,サラダ油は65 cp )。さらに、この局所粘度プロープを水溶性にすることで、水中において有機物の存在を敏感に感じとる蛍光プロープを開発した。今後、研究で得られた基礎物性の知見をもとに、実際の汚染水や、処理済みとされる浄化後の水に対して水溶性FLAPを添加し、共焦点顕微鏡法および蛍光寿命イメージング顕微鏡(FLIM)で空間的なばらつきを観察して定量的に解析する予定である。将来的には、有機不純物の不均一分布に関する情報をもとに、排水処理法の妥当性の検証や、別の有効な処理法などを提案していきたい。


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その他
・ その他、必要に応じて掲示いたします。