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戦略的創造推進事業CREST研究領域 > 元素戦略を基軸とする物質・材料の革新的機能の創出

研究領域

戦略目標

「レアメタルフリー材料の実用化及び超高保磁力・超高靱性等の新規目的機能を目指した原子配列制御等のナノスケール物質構造制御技術による物質・材料の革新的機能の創出」

研究領域名

元素戦略を基軸とする物質・材料の革新的機能の創出
研究領域HP

研究総括

玉尾 皓平 ((独)理化学研究所 基幹研究所 所長/グリーン未来物質創成研究領域 領域長)

概要

 本研究領域は、持続可能な社会の構築のために解決すべき資源・エネルギー・環境問題に元素戦略を共通概念とする物質科学・物性科学の観点から取り組み、既存の延長線上にない物質・材料の革新的機能の創出を目指します。
 具体的には、「物質の特性・機能を決める特定元素の役割を理解し有効活用する」という元素戦略コンセプトの下、物質構造、界面、電子相関などの様々な機能発現に共通する問題点を多角的・系統的に解明・理解し、それらを制御することにより、物質・材料の革新的な特性や機能の創出に向けた研究開発に取り組みます。多様な元素の特性に着目して「電子状態」「原子配列」「分子構造」等の微視的な観点から目的機能を如何に発現させるかを検討すると共に、計測技術や計算科学も活用しつつ構造・機能・反応をデザインし、多様な課題解決に向けた物質・材料の革新的機能の創出を目指します。物理、化学、工学、材料科学といった分野の垣根にとらわれない異分野融合を強く意識した大胆かつチャレンジングな研究を推進します。

領域アドバイザー

射場 英紀 (トヨタ自動車(株)電池研究部 部長)
潮田 浩作 (新日本製鐵(株)技術開発本部 フェロー)
岡田 益男 (八戸工業高等専門学校 校長)
高尾 正敏 (大阪大学大学院基礎工学研究科 特任教授)
田島 節子 (大阪大学大学院理学研究科 教授)
徳永 雅亮 (明治大学理工学部 兼任講師)
中村 栄一 (東京大学大学院理学系研究科 教授 (平成22年11月〜平成23年9月))
細野 秀雄 (東京工業大学フロンティア研究センター/応用セラミックス研究所 教授)
前川 禎通 ((独)日本原子力研究開発機構先端基礎研究センター センター長)
三澤 弘明 (北海道大学 電子科学研究所 所長・教授)
森 初果 (東京大学物性研究所 教授)
村井 眞二 (立命館大学グローバルイノベーション機構 副総長)

領域運営アドバイザー

中山 智弘 (文部科学省ナノテクノロジー・材料を中心とした融合新興分野研究開発プログラム プログラムオフィサー
       /(独) 科学技術振興機構研究開発戦略センター エキスパート )

研究総括の募集・選考・研究領域運営にあたっての方針(平成24年度)

持続可能な環境調和型社会構築のために解決すべき課題が山積しています。直面する課題、長期にわたって解決すべき課題、いずれもその解決には機能性物質創成研究が中心的役割を担わねばなりません。物質科学が資源・エネルギー・環境分野はもとよりライフサイエンス分野や情報分野をも先導して課題解決にあたるのだ、との強い意志をもって研究に取り組みます。これを先ず第一の共通認識としましょう。

物質・材料科学の基盤を築くのが元素戦略です。元素の特性を再認識し機能性物質創成を行うサイエンス、すなわち「元素科学」、に戦略性を込めて課題解決型研究に転換するのが「元素戦略」です。しっかりしたサイエンスに裏づけされた戦略研究、革新技術でなければなりません。第二の共通認識です。

元素戦略には主に次の4つの戦略が考えられます。「代替戦略」「減量戦略」「循環戦略」「規制戦略」です。既存の物質・材料の希少元素や有害元素を豊富で安全な元素で置き換える代替戦略、機能を担う戦略元素の有効機能の高度活用によって既存の機能を維持あるいはそれを超える機能をもたらす減量戦略、希少元素の回収循環システムを構築する循環戦略、希少元素や環境劣化につながる恐れのある元素に対する規制戦略です。革新的機能性物質・材料創成研究では、これらの戦略をすべて考慮する必要があります。これが第三の共通認識です。

物質創成科学に使える元素は80種余りです。元素は構造体となって初めて機能を発揮します。したがって、機能発現という観点からは、元素から構造体が生ずるときに自ずと発現する「異常原子価」「欠陥」「表面・界面」などの構造要素も元素の範疇に入れることにします。構造体中の「電子状態」「原子配列」「分子構造」を決定する多様な元素本来の特性に着目すると共に、これらの要素も加味して、目的機能を如何に発現させるかを検討し、計測技術や計算科学も活用して構造・機能・反応をデザインすることが肝要です。  

本研究領域では、このような共通認識の下、既存の物質・材料の元素代替や機能改良に取り組むだけではなく、多様な元素の特性を多角的に発掘し、斬新な発想に基づく革新的機能物質・材料を創出する研究を推進します。

具体的な研究対象としては、エネルギーを創る・運ぶ・貯める、そして環境を守るための物質・材料・反応設計として、たとえば、光・電子・磁性材料、超伝導材料、半導体、強相関電子材料、熱電変換材料、炭素ナノ材料、セラミックス、金属構造材料、複合材料、有機機能材料、有機構造材料、高機能触媒、など広範囲の物質・材料群と共に、新現象、新反応なども含みます。物理、化学、工学、材料科学、計測技術、計算科学など分野にとらわれることなく、大胆な連携・融合研究の提案を期待します。 

第1期と第2期では、完全レアメタルフリー鉄・コバルト磁石材料、レアメタルフリー鉄鋼材料設計原理、異常原子価や特異配位構造由来の遷移金属材料、有機系エレクトロニクス材料、炭素材料の新機能創出、元素間融合による新材料・新触媒、軽元素系電子材料、ネオジム磁石の高保磁力化、有機合成用鉄触媒、に関する9課題を採択しました。第3期は、理論的な物質機能デザイン、有機二次電池、フォトニクス材料、バイオ系材料、などを特に強化し、革新的機能創出を目指す本領域の目的に合致したバランスのとれた複合・連携研究体制を作り上げていきたいと考えています。 

平成23年度採択分

研究課題
元素間融合を基軸とする新機能性物質・材料の開発
研究代表者(所属)
北川 宏 (京都大学大学院理学研究科・化学専攻 教授)
概要
本研究では、バルク状態では相分離する多数の金属元素の組み合わせを原子レベルで固溶化させること (元素間融合)で、多くの新しい物質を創成すると共に、元素間融合による革新的な材料の開発を行います。この元素間融合を戦略基軸として、非平衡合成、ナノサイズ化、水素プロセスなどの手法により、天然では固溶しない金属元素同士を混和させ、新型触媒、新物質、新材料の探索を徹底的に行います。
研究課題
有機合成用鉄触媒の高機能化
研究代表者(所属)
永島 英夫 (九州大学先導物質化学研究所 教授)
概要
医農薬や機能性樹脂のような化学製品の合成・製造プロセスでは、触媒としてレアメタルが多用されていますが、今後は、鉄に代表される、環境に優しく、資源量が豊富で安価な金属で代替し、さらには、それらを完全回収再利用するプロセスが求められます。本研究は、「配位子場制御」や「媒体反応駆動」という触媒開発、プロセス開発に係わる新しい二つの考え方に基づいた触媒系基礎科学を確立することを目指します。さらに、活性、選択性、分離回収再利用性に優れた鉄触媒完全回収系を元素科学とプロセス化学の融合により実現します。
研究課題
軽元素を活用した機能性電子材料の創出
研究代表者(所属)
長谷川 哲也 (東京大学大学院理学系研究科 教授)
概要
本研究では、B、C、N、Fといった軽元素を有効に用いることで、酸化物材料の結晶構造やバンド構造を制御し、希少元素や毒性元素を使わない革新的電子材料の創出を目指します。ここでは、単なる元素代替にとどまらず、従来材料にはない新機能を付け加えることで、戦略的な元素代替を促します。具体的には、仕事関数や屈折率を制御した脱In系透明導電体、Pbや希土類元素を使わない可視光応答強誘電体(光電変換材料)等の開発を行います。
研究課題
ネオジム磁石の高保磁力化
研究代表者(所属)
宝野 和博 ((独)物質・材料研究機構磁性材料ユニット フェロー)
概要
ネオジム磁石のミクロから原子レベルまでのマルチスケール構造解析を行い、微細構造と保磁力の関係を実験的に解明します。同時に、第一原理計算とマイクロ磁気シミュレーションによるマルチスケール計算を行い、保磁力が理論限界の50%以上に到達し得る微細構造を予測します。その知見から、ネオジム磁石の界面構造・組成を最適化し、資源確保が困難になっているジスプロシウムを使わずにハイブリッド・電気自動車に使える高保磁力ネオジム磁石の実証を目指します。

平成22年度採択分

研究課題
革新的環境改善材料としての導電性ダイヤモンドの機能開発
研究代表者(所属)
栄長 泰明 (慶應義塾大学理工学部 教授)
概要
本研究では、レアメタルフリーである炭素材料「導電性ダイヤモンド」に着目し、環境問題を解決する次世代の革新的環境改善材料としての機能開発、機能解明からデバイス創製までを目指します。材料の界面物性を含む基礎物性・極限性能を明らかにするとともに「環境汚染物質センシング」「高効率水処理・汚水浄化」「高効率CO2還元」などの環境改善デバイス創製を行い、次世代グリーンイノベーション推進に広く貢献できる技術を確立します。
研究課題
異常原子価および特異配位構造を有する新物質の探索と新機能の探求
研究代表者(所属)
島川 祐一 (京都大学 化学研究所 教授)
概要
本研究では、高度情報化社会を支え、未来へ向けた持続可能な社会の構築に向けて、電子デバイス材料のみならず、資源・エネルギー・環境問題の解決に寄与する新しい機能特性を示す材料の開発を中心とした物質創製研究を推進します。特に、ユニークな物質合成手法を駆使することにより、ありふれた3d遷移金属元素を中心に、異常原子価状態と特異な配位構造をもつ新物質の「ものづくり」による革新的機能の開拓を目指した「元素戦略」研究を展開します。
研究課題
結晶構造制御によるFe基新規磁性化合物の探索
研究代表者(所属)
杉本 諭 (東北大学大学院工学研究科 教授)
概要
本研究では、Fe、Coなどの遷移金属基材料を中心に、高い結晶磁気異方性を有した新規磁性材料の探索を行い、永久磁石材料へ応用することにより、レアアース使用量削減を目指します。その目的達成のために、「基板制御などによる薄膜技術」「元素置換または侵入型原子の導入または複合化などの微粒子・粉末技術」「超高圧技術」などの材料科学的手法、および計算科学を連携させた研究を推進します。
研究課題
軽元素戦略に基づく鉄鋼材料のマルチスケール設計原理の創出
研究代表者(所属)
古原 忠 (東北大学金属材料研究所 教授)
概要
軽元素は微量添加でも鉄鋼材料の著しい機能向上あるいは機能劣化をもたらすことが知られています。本研究では、最先端実験解析と計算材料科学を駆使して、社会を支える最重要金属材料である鉄のナノ構造と軽元素との相互作用を解明します。軽元素や他の合金元素の機能の本質的理解に基づいて、力学特性制御のブレークスルーにつながるナノ−メゾ−ミクロにわたるマルチスケールでの材料設計原理を体系化し、限りなくレアメタルフリーで優れた機能をもつ鉄鋼材料の創製を目指します。
研究課題
有機材料を用いた次世代強誘電物質科学の創成
研究代表者(所属)
堀内 佐智雄 ((独)産業技術総合研究所フレキシブルエレクトロニクス研究センター 研究チーム長)
概要
有毒な鉛や希少金属を含まない強誘電体の開発は、元素戦略上の最重点課題でありながら、解決の見通しはいまだ得られていません。本研究では、有機材料による強誘電体のパラダイムシフト実現を目指し、研究代表者らが近年見出したC、H、O、N元素からなる有機強誘電体を基盤に、分子系特有の強誘電性発現機構の微視的解明と、耐久性・動作性向上・薄膜化・印刷化を目指した新物質・プロセス開発を推進し、次世代強誘電物質科学の創成を図ります。
(*研究者の所属は2011年4月現在のものです)