東北大学金属材料研究所

Institute for Materials Research, Tohoku University

第1部会
国際共同利用・共同研究拠点

研究所・センターの概要

所長
佐々木　孝彦
Sasaki, Takahiko

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。

令和4年度の研究活動内容及び成果

特定のレアメタルだけには依存しないリチウム蓄電池正極材料の合成に成功
～酸化物におけるハイエントロピー化の効果を浮き彫りに～

電気自動車のリチウム蓄電池の正極材料には、コバルトやニッケルなどのレアメタルが多く含まれていました。これは、適した結晶構造を持つ元素が限られていたためで、安価な元素を混ぜても相分離してしまうことが原因でした。
東北大学金属材料研究所は、従来の方法とは違い、多くの元素を同時に混ぜることで、エネルギー利得を高め、単一の相で構成される正極材料を合成することに成功しました。これにより、新たな物性が発現し、安全性が向上し、特定元素への依存による商業的リスクが低減される新材料の開発が可能になると期待されます。また、そのようにして得られた正極材料の充放電時における劣化機構の詳細を明らかにすることで、新規高性能材料の開発に指針を示しました。
“Influences of Enhanced Entropy in Layered Rocksalt Oxide Cathodes for Lithium-ion Batteries”, ACS Applied Energy Materials, doi.org/10.1021/acsaem.1c03968

数学の原理で高周波の新型音響導波路を開発
～超低エネルギー損失な次世代高周波フィルタやセンサへの応用目指す～

音波は空気や物質の振動が波として伝わる現象で、「表面弾性波」は物質表面を伝播します。圧電体の表面における電気信号と力学信号の変換を利用したデバイスである表面弾性波デバイスは、特定周波数の電気信号を通す特性があり、携帯電話の周波数フィルタやセンサに利用されていますが、エネルギー損失が問題でした。
東北大学金属材料研究所は、形を取り扱う数学の一分野であるトポロジーを応用し、特殊な音波の導波路を実現しました。この導波路は表面弾性波デバイスに組み込むことができ、エネルギー損失が抑制される特性を持ちます。これにより、超低消費電力のデバイスが期待でき、携帯電話のバッテリー寿命を延ばすなど高機能化への貢献が見込まれます。さらに、量子力学の原理を利用したコンピュータである量子コンピューティングの技術としても大いに有望と期待されています。
“Imaging an Acoustic Topological Edge Mode on a Patterned Substrate with Microwave Impedance Microscopy”, Physical Review Applied, doi.org/10.1103/PhysRevApplied.19.014001

鉄とマグネシウムの強固な機械接合に成功
～輸送機器の大幅な軽量化による環境影響低減に期待～

次世代輸送機器は、安全で効率的な輸送を低環境負荷で実現する必要があります。そこで、マグネシウム合金が新たな基幹材料として注目されています。マグネシウム合金は、燃焼性の問題を克服したものの、鋼板等の構造材料との接合技術が難しいという課題がありました。
東北大学金属材料研究所は、異種金属同士がナノ・ミクロンスケールで絡みあう特異な複合組織を利用し、鉄とマグネシウムの強固な接合を実現する“デアロイング接合技術”を確立しました。この技術は、さまざまな異種金属間の接合に応用が可能で、自動車や鉄道、航空機などの軽量化・低燃費化への貢献が期待されています。
“Dissimilar Joining of Immiscible Fe–Mg using Solid Metal Dealloying”, Scripta Materialia, doi.org/10.1016/j.scriptamat.2023.115404

社会との連携

報道・教養番組、文化・藝術分野への協力

金属材料研究所の大型研究施設や金属積層造形技術は、高い注目を集めています。令和4年度、NHKとミヤギテレビから取材を受け、25テスラ無冷媒超伝導マグネット研究や最先端金属積層造形技術を分かりやすく伝えました。さらに、9月公開の映画『沈黙のパレード』では、主人公の大学研究環境演出や専門事項の監修にも協力しました。このように、金属材料研究所が持つ独自の技術や研究が、多くの人々に興味を持ってもらえる機会を増やしています。