機能物性工学研究分野

エネルギー機能変換研究部門 機能物性工学研究分野
教授:宮内雄平 助教:西原大志

持続可能なエネルギー社会実現に資する新しい太陽光・熱エネルギー高効率利活用技術の創成を目指して、カーボンナノチューブをはじめとするナノスケール・量子物質の物性・機能とそのエネルギー応用に焦点を当てた研究を行っています。

ナノスケール・量子物質の機能物性を基盤とするエネルギー理工学の開拓

持続可能なエネルギー社会の実現に資する新しい太陽光・熱エネルギー高効率利活用技術の創成を目指して、カーボンナノチューブをはじめとするナノスケール物質や近年発見されたトポロジカル量子物質などの、量子力学的な効果が顕著に発現する物質系の物性・機能とそのエネルギー応用に焦点を当てた研究を行っています。これらの物質の特異な物性を根本原理に立ち戻って理解し、さらにそれを基礎として従来の物質・材料の限界を超える優れたエネルギー機能を引き出す学理を確立するために、物性物理学や物質合成に関する基礎科学から、熱・機械・電子・光工学とそれらに資する材料創成までを対象とした学際研究を推進しています。

1)カーボンナノチューブ量子熱光物性の高効率太陽エネルギー変換応用

多くの工学分野において、実装可能な機能の工学的限界は、利用可能な物質(材料)の特性(物性)によって制限されています。したがって、従来にない特異な物性を持つ新しい物質系の出現は、エネルギー分野を含む広範な科学・技術体系にイノベーションをもたらす可能性があります。そうしたイノベーションの種を見出すために新奇物性を追究する基礎研究を積み重ね、その成果を今後のエネルギー利活用技術の発展につなげていくことは、物質科学に軸足を置くエネルギー理工学研究の重要な使命の1つです。そのような取り組みの一環として、当分野では、最近私たちがカーボンナノチューブにおいて見出した量子物性科学の成果(1000℃以上の高温のカーボンナノチューブにおける狭帯域熱励起子放射の発生)を熱ふく射制御の工学に応用することで、革新的な太陽光量子スペクトル変換装置(広帯域→狭帯域スペクトル変換器)を実現し、それを高効率な太陽熱発電、太陽熱蒸気発生、太陽熱物質合成などの未来の太陽エネルギー利活用技術へと展開することを目指した研究を進めています。

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カーボンナノチューブの量子熱光物性とその応用
約1500K の半導体型カーボンナノチューブの狭帯域熱励起子放射スペクトル( 左) とそれを応用した太陽光スペクトル変換のコンセプト(右)。

2)ナノ物質集積機能材料

カーボンナノチューブのようなナノスケール物質(ナノ物質)をマクロスケールの工学で利用するために集積すると、物質間の相互作用に由来する大きな物性の変化が生じます。したがって、ナノ物質単体の物性のみならず、ナノ物質を集積したマクロな物質システムにおいて初めて創発する物性と機能を徹底的に明らかにし、ナノ物質をビルディングブロックとしたマクロな人工物質・材料システムの設計・物性制御学理を確立することが重要です。当分野では、優れた光・熱・電子・機械特性等を有する単一構造ナノチューブ集積膜やナノチューブ複合材料などの、高機能・高付加価値ナノカーボン集積材料の創製に向けた研究に取り組んでいます。これらの研究は、高効率太陽エネルギー利活用技術への応用をはじめ、高性能サーマルマネージメント材料や、自動車や航空機などの輸送機械の極限的な低燃費化をもたらす超高比強度材料の実現等をターゲットとしています。また、未だ高価な高機能ナノカーボン物質を地球規模でユビキタスに利用可能な低コスト材料へと展開していくために、合成に必要な原料・エネルギーの持続可能な確保に向けた技術開発までを含めた包括的な研究を進めていきます。

3)量子物質を用いた非従来型赤外光電変換学理の開拓

最先端の物性科学の成果を、従来の物理的限界を超える高効率なエネルギー変換技術の実現につなげるため、新たな量子物質の作製方法や新奇な物性物理・物質機能を追究しています。そのための研究インフラとして、当分野では、各種量子物質の合成装置や、高性能ソーラシミュレータ、微小な試料に対して紫外から赤外までの広帯域で様々な分光計測(温度可変、時間領域、周波数領域、空間分解、偏光分解)や微小電流計測を行うことができる広帯域光物性計測設備の構築・整備を進めています。そうした設備を利用した研究の一環として、トポロジカル量子物質における非従来型機構に基づく赤外光電変換の研究を開始しています。最終的には、熱源(工業排熱, 地熱, 家庭排熱等)からの中赤外熱ふく射の高効率な直接光電変換技術につなげることを目指しています。

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量子物質の合成と集積材料の創成

2021Functional_Materials_03.png広帯域光物性計測設備

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