東北大学金属材料研究所

Institute for Materials Research, Tohoku University

第1部会
共同利用・共同研究拠点

研究所・センターの概要

所長
高梨　弘毅
Takanshi, Kokia　

キーワード: 材料物性、材料設計、物質創製、材料プロセス・評価、エネルギー材料、社会基盤材料、エレクトロニクス材料
住所: 〒980-8577
宮城県仙台市青葉区片平2-1-1

物質・材料研究の世界的中核拠点として

本研究所すなわち“金研”は、1916年、本多光太郎博士により、鉄鋼材料の自給という当時の社会的命題に答えるために設立され、2016年に創立百周年を迎えました。その100年の間、鉄鋼から金属全般、そして非金属へと研究領域を広げ、物質・材料の学術・応用研究の世界的中核拠点に発展しました。1987年には東北大学に附置したままで全国共同利用型の研究所に生まれ変わり、2009年には「材料科学共同利用・共同研究拠点」に認定されました。さらに、2018年11月には、「国際共同利用・共同研究拠点」に新たに認定され、材料科学分野の国際共同利用研究の一層の強化に取り組むとともに、環境・エネルギー､情報・通信、生体、高度安全空間など、最先端の科学・工学の基盤となる材料科学の学理の探求と応用を目的として、研究活動を推進しています。

平成30年度の研究活動内容及び成果

ナノクラスターを利用した鉄鋼高強度化の原理解明

本研究所金属組織制御学研究部門（古原研究室）では、輸送機器や産業機械に用いられる機械部品の小型化・長寿命化を目指してナノクラスターを利用した鉄鋼材料の高強度化に取り組んでおり、これまでに溶質元素間の相互作用に起因したナノクラスター生成が鉄鋼材料の表面強度を著しく増加させることを見出しています。本研究はJSTによる評価において、窒化表面処理に関して、窒素‐置換型元素間の相互作用に基づくこれまでにない深い理解と学理を得つつある優れた研究である、というコメントを得ています。

鉄鋼材料中のTi-N間の強い引力相互作用に起因して，二相分離により一原子層のTi-Nクラスターが微細分散する。熱処理中に部材表層部でTi-Nクラスターが生成して高強度化されることにより、耐摩耗性向上に重要な表層が硬化される。

酸素分子の電子スピンを見分ける多孔性磁石　酸素ガスの吸脱着による磁石のON-OFF制御に成功

本研究所錯体物性化学研究部門（宮坂研究室）では、酸素ガスを吸脱着させることで、磁化のON–OFFが可能な新たな多孔性分子磁石の開発に成功しました。
今回開発された分子磁石は層状構造になっており、その層の間にガスなどの小分子を出し入れできるのが特徴で、分子性多孔性材料の一種でもあります。本研究では、この磁石分子に酸素が吸着すると磁化が消失、酸素を取り除くと回復することを確認し、酸素吸脱着による磁化のON–OFFスイッチが可能であることを証明しました。
本現象は、磁石の性質を持つ酸素分子が磁石層間に吸着されることで層間の磁気相互作用を媒介し、新たな磁気秩序（反強磁性磁気秩序）が誘起されて生じたものです。すなわち、本材料は酸素の持つ電子スピンを感知できる新しい多孔性磁石です。吸着酸素の持つ電子スピンを利用した材料物性の制御はこれまでに例がなく、新しい磁気秩序機構に基づく分子デバイス創製など、イノベーション創出の鍵になると期待されます。

何も吸着していない、または窒素が吸着されると磁石の性質を保つ。磁石の性質を持つ酸素が吸着すると磁石の性質を失う。

社会との連携

共同研究部門２部門の設置

金属積層造形に関わる共同研究部門「最先端金属積層造形技術（担当教員：千葉晶彦教授他）」と「東京エレクトロン３Dプリンティング材料加工プロセス工学（担当教授：千葉晶彦教授他）」を設置しました。これら２部門では企業から資金のほかに研究者などを受け入れて、大学教員と企業研究者が共通の課題について目的を共有し、研究成果の実用化等を見据えた共同研究を行っています。「最先端金属積層造形技術」においては、金属積層造形技術の普及に資する材料技術開発とそれによる新規な合金開発手法の開発に取り組みます。「東京エレクトロン３Dプリンティング材料加工プロセス工学」では、エッチング装置向けセラミックス材料の造形技術及びセラミックスと金属の複層化技術の確立を図るものです。これら２つの共同研究部門の取り組みを通じて、金属積層造形の一層の発展に貢献しています。

プラズマ回転電極法（PREP）装置（日本積層造形株式会社）

電子ビーム積層造形（EBM）装置（東京エレクトロン株式会社）

LiCAFの実用化

「LiCAF」は本所の先端結晶工学研究部（吉川研究室）が開発した中性子用シンチレータ（Ce:LiCaAlF₆、Eu:LiCaAlF₆）であり、（株）トクヤマで製造されています。これまで中性子検出器には³Heが利用されていましたが、昨今のHeの枯渇問題により、高い中性子吸収断面積を持つ⁶Liを含んだシンチレータがその代替候補に挙がりました。2018年度からホウ素中性子捕捉療法(BNCT)向け中性子モニターや原子炉モニターに利用され始めています。

シート型LiCAFシンチレータ

³He代替LiCAFモジュール

Ce:GAGGの実用化

「GAGG」は本所の先端結晶工学研究部（吉川研究室）が開発したX線・ガンマ線用シンチレータ（Ce:Gd₃(Al,Ga)₅O₁₂）であり、金研発ベンチャーの（株）C&Aで製造されています。GAGGは発光量とエネルギー分解能に優れているため、コンプトンカメラ用シンチレータとして期待されています。環境モニタの他、2018年度から福島原発のデブリ取り出し用のガンマカメラのセンサーなどにも利用され始めています。