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戦略目標 |
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| １．名称 | ||
| 異種材料・異種物質状態間の高機能接合界面を実現する革新的ナノ界面技術の創出とその応用 | ||
| ２．具体的な達成目標 | ||
| 本戦略目標は、様々な材料・デバイス分野の発展に不可欠な異種材料・異種物質状態間の機能接合界面に着目する。ナノ界面に関する研究分野の融合によりナノ界面機能に関する横断的な知識を獲得し、これを基盤に異種接合界面におけるナノ構造制御による飛躍的な高機能化を達成する革新的なナノ界面技術を創出すること、及び次の応用例などを通して実証することを目的とする。 | ||
| （1） | 異種材料・異種物質状態間の接合界面として、ナノバイオ医療技術、エレクトロニクス技術、発電・蓄電エネルギー技術などに関連した、生体材料と人工物との接合界面、ソフト材料とハード材料との接合界面（有機物と金属・絶縁体など）、異なる機能材料の接合界面（半導体と金属・絶縁体など）、エネルギー変換と物質移動を伴う固液界面などの高機能化を実現すること。 | |
| （2） | 界面や表面の機能を積極的に利用し、新規反応場や新規プロセスなどの新機能の創製を行うこと。さらに、異種材料の接合の結果生じる分子反応場としての界面の機能を探索すること。 | |
| （3） | ナノ粒子の生体材料（細胞膜など）の界面上の挙動に関する知見を蓄積すること。 | |
| ３．目標設定の背景及び社会経済上の要請 | ||
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本戦略目標においては、ナノバイオ医療分野における生体材料と人工物との界面、エレクトロニクス分野における様々なデバイスに用いる異種材料間の界面、発電・蓄電エネルギー分野におけるエネルギー変換と物質移動を伴う固液界面など、多くの産業分野に共通の課題であると同時に新たな発展に不可欠である異種材料・異種物質状態間の機能接合界面に関して研究を行い、社会経済の持続的発展を支え競争力強化につながる材料・デバイスを実現する。 生体分子群は、省エネルギー型反応・物質変換、ソフトな認識・情報処理、高感度センシング、生体にやさしい物質構成などの優れた機能を持つ。一方、人工物質は、ナノ・分子レベルで精密に制御された機能材料およびその多様な物質群（ライブラリー）の創製が可能である。これら生体物質と人工物の融合は、長寿命社会における人に優しい新物質や新材料・デバイス創製の開発（病気の低コスト診断、代替組織・機能材料の提供、食品の安全性管理、環境モニタリングなど）につながり、高い価値を生み出すことが期待される。 エレクトロニクス分野では、例えば、有機デバイスの課題である動作安定性や寿命の克服には、ソフト材料（有機材料）とハード材料（金属電極など）の界面における、電子素過程の理解に基づき精密に制御されたナノ界面の実現が必要である。また、ワイドギャップ半導体のショットキー接合やpn接合、また、シリコン系における半導体・絶縁体・金属間界面の詳細な解明と制御も、高い競争力を持つ製品に必要な素子寿命、消費電力などの革新に重要である。 エネルギーや環境の分野でも、ナノ機能界面は重要である。例えば、エネルギー変換材料（燃料電池、リチウム電池、キャパシタ用材料等）では、ナノ領域からミクロ領域に及ぶ材料の構造、形状に関する制御により、エネルギー変換効率、耐久性、安全性、エネルギー密度、出力密度、設計の自由度などを向上した新規エネルギー変換デバイスの構築が期待され、持続的発展を可能とする経済社会の実現に資する。また、電気化学反応に必要不可欠な液体と接合した固液界面を用いる触媒電極・電解質機能界面、および環境浄化用触媒や機能制御膜等においても界面とそのナノ構造制御は重要であり、革新的な性能実現による高い競争力と低環境負荷が期待される。 ナノ粒子の細胞膜などの界面上での挙動に関する研究は、その特性、特徴を明らかにすることにより、ナノ粒子の安全性の基礎となる知見の蓄積はもとより、DDSや再生医療等にも幅広く応用できる成果が期待される。 これらの接合界面の革新的な制御・応用は、最新の分子工学、界面工学、精密材料創製化学、ナノメカニクス、精密分子操作、微細加工等の各分野を動員し、ナノスケールレベルの各種接合界面の観測・分析による横断的な知識の蓄積と界面のナノ構造制御技術の統合集約が不可欠であるため、本質的に分野融合が不可欠な基盤技術分野である。 |
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| ４．目標設定の科学的裏付け | ||
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接合界面における革新的な機能創出には、ナノスケールレベルの蓄積された知識と実験技術を動員・統合して、新しいナノ構造制御を図ることが必要である。ナノテクノロジーの進展により、人工物質やナノ構造の形成など、個別技術は進展したが、その応用には横断的な知識と技術による基盤構築が必要である。このようなナノ構造制御により高機能化が実現できる具体例を示す。 遺伝子やタンパク質を生体類似環境に固定化可能なナノ界面の設計・創出・評価技術の研究開発により、食品安全保証やテーラーメイド医療のためのバイオチップの高集積化・高機能化が可能と期待される。さらに、細胞界面を分子レベルで精密に制御できる新手法や新材料の研究により、再生医療に必要な高効率な細胞増殖を支える基盤技術の構築が可能となる。特定の細胞表層を選択的に見分けて結合する界面認識の制御技術は、標的指向性の遺伝子・ドラッグデリバリーの精度を格段に向上させ、ナノメディシンの実現を加速する。 ソフト材料とハード材料のナノ機能界面に関しては、これまでも有機・高分子と金属・絶縁体など異種材料間の界面は重要な研究課題であったが、異種材料同士の界面におけるマクロ構造、機械的特性などに関わる研究に限られていた。ソフト材料とハード材料の界面をナノレベルで制御し、異種の電子構造を持った物質同士を電子素過程の面から精緻に解析、設計することが、革新的機能（高寿命素子、低消費電力、高速動作など）に必要である。接合技術や機能制御手法およびこれらの精密評価手法の確立は、有機デバイスだけではなく、シリコン系などの半導体デバイスの大幅な特性向上や新しいナノデバイス創製にもつながるものである。 エネルギー変換と物質移動を伴う固液界面に関しては、燃料電池、二次電池、湿式太陽電池などにおいて、従来、現象論的な取り扱いが中心であった。これらのエネルギーデバイスの飛躍的性能向上には、電極と電解液などのナノレベル固液界面を科学的に解明し、得られた知見に基づく構造をナノレベルで設計し制御する技術を構築することが必要である。例えば、自己集積化・自己組織化によるナノサイズの電極触媒構造の創製とその界面制御は、高機能エネルギーデバイスを実現する手法として期待される。 無機系および有機系の物質、あるいはそのハイブリッド材料の生成プロセスを利用して、精密に設計・制御されたナノ構造体を生成する技術もナノ機能界面制御技術として重要である。また、ソフトな構造体を鋳型とした化学反応により、金属・無機系物質のナノ構造の設計・制御とプログラミングを行う技術は、ナノ機能界面形成の重要な研究領域であると考えられる。 以上のように、ナノ機能界面構築では、設計、制御、形成それぞれの段階で十分な技術が確立されておらず、多面的な原理的ブレークスルーが必要である。例示した各分野における個別の課題の研究開発として取組むだけでは、目標の達成は困難と考えられ、異なる専門領域間での高度な共同作業による独創的な着想に基づく融合研究が必要である。 |
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| 研究領域 | 研究総括 |
| 「ナノ界面技術の基盤構築」 |
新海 征治 （九州大学大学院工学研究院 教授） |
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本研究領域は、異種材料・異種物質状態間の界面をナノスケールの視点で扱う研究分野が集結することによりナノ界面機能に関する横断的な知識を獲得するとともに、これを基盤としたナノレベルでの理論解析や構造制御により飛躍的な高機能を有する革新的材料、デバイス、技術の創出を目指すものです。 （所属・役職は、平成20年3月時点のものです。）
□稲垣 伸二 （(株)豊田中央研究所先端研究センター 主席研究員）
□尾嶋 正治 （東京大学大学院工学系研究科 教授）
□川崎 雅司 （東北大学 原子分子材料科学高等研究機構 教授）
□北川 宏 （九州大学大学院理学研究院 教授）
□春田 正毅 （首都大学東京大学院都市環境科学研究科 教授）
□有賀 哲也 （京都大学大学院理学研究科 教授）
□君塚 信夫 （九州大学大学院工学研究院 教授）
□平川 一彦 （東京大学生産技術研究所 教授）
□藤田 誠 （東京大学大学院工学系研究科 教授）
□由井 伸彦 （北陸先端科学技術大学院大学マテリアルサイエンス研究科 教授） |
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