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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
古原 忠
Furuhara, Tadashi 
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2年度の研究活動内容及び成果


電子スピン歳差運動の回転方向の観測に成功 スピントロニクスにおけるスピン流伝播機構の微視的解明

東北大学金属材料研究所は、東北大学材料科学高等研究所、東京大学及び英・仏・米の大学・研究機関との国際共同研究によって、電子スピンの歳差運動(スピンが円を描くように向きを変える運動)の回転方向(マグノン極性)を、中性子スピンの偏極を揃えた偏極中性子散乱によって初めて実験的に観測することに成功しました。
スピントロニクスではスピン自由度の流れ、つまりスピン流の生成・制御が重要な要素です。これまでは、生成されたスピン流を電圧の情報に変換して巨視的に観測するのが一般的で、ミクロな視点での理解は進んでいませんでした。特に、絶縁性の高い磁性体においては、電子スピンの歳差運動によってスピン流が伝播されることが知られていましたが、その歳差運動を顕わに観測した例はありませんでした。今回検出されたマグノン極性は、スピントロニクス物質の機構解明や物質開発の設計指針に欠かせない微視的情報です。今後、マグノン極性を活かしたデバイスの開発が期待されます。

水素が金属を弱くする仕組みを“見る”手法の開発 ―水素に弱い高強度金属の弱点克服に大きな一歩―

東北大学金属材料研究所は、米国マサチューセッツ工科大学との共同研究において、電子顕微鏡(走査型電子顕微鏡:SEM)を用いて、水素が金属の内部構造に影響を与えている様子の経時変化をナノスケールで観察する手法を開発しました。
 水素は金属を弱くします。特に高強度金属では水素の影響が顕著に現れ、例えば、金属部材が水素ガスに曝されて水素原子が金属中に侵入してしまうと、金属が壊れやすくなってしまいます。「水素が金属を弱く」するという特性は、水素エネルギー社会のインフラ用構造材料に高強度金属を応用するときのボトルネックとなっています。
この問題に取り組むためにも、水素が金属を壊れやすくするメカニズムの解明が強く求められています。しかし、このメカニズム解明を阻む大きな原因の一つが“見る”ことの難しさです。水素は最小の原子なので、金属中で動き回り、ときには金属の外に飛び出してしまうからです。このため、水素の動きに合わせて、刻一刻と変化していく金属の“内部構造”の様子を、“ナノスケール”で“時間”を気にしながら見る必要があります。
 本研究では、電子チャネリングコントラストイメージング法という手法を用いることによって、水素添加した金属の内部構造の経時変化をナノスケールで見ることに成功しました。その方法は、他の手法と比べて観察試料の形状に制約となる条件があまり無いこともあって、様々な形状の金属片中および負荷環境での水素の影響を見ることが可能となっています。より高強度かつ水素に強い材料を開発するため、本手法は水素関連研究全般に寄与することが期待されます。

水素導入後の金属内部構造の経時変化。上から1、2、3時間経過後の像。

水素導入後の金属内部構造の経時変化。上から1、2、3時間経過後の像。

社会との連携


東北大学と住友化学、アルミニウム負極の課題であった充放電時の劣化の回避につながる新しい機構を解明 ―リチウムイオン二次電池の高性能化につながる新しい負極の実現へ―

東北大学金属材料研究所は、住友化学株式会社との共同研究において、リチウムイオン二次電池の高容量化のための新しい負極の研究開発を行っています。その共同研究の成果として、このたび、負極の材料を高純度アルミニウム箔のみで、充放電時に起こる巨大体積ひずみを回避するという、新しい機構を解明いたしました。
リチウムイオン二次電池は、正極、負極、電解質およびセパレータで構成されており、リチウムイオンが正極と負極間を移動することで充放電が行われ、負極は、充電時に正極から移動してきたリチウムイオンを取り込む役割を果たしています。現在の負極は炭素系材料が主流ですが、電池の高容量化のためには、炭素系材料に比べて3~10倍のエネルギーを蓄えられるシリコン、あるいはスズやアルミニウムなどの金属系材料の使用が期待されています。しかし、それらは、大きなエネルギーを蓄えられる反面、充放電時に2~4倍も膨縮するため内部の電極構造が崩れやすい点が課題となっていました。今回、共同研究によって、高純度アルミニウム箔の硬さを最適化することにより、課題であった充放電時の体積膨縮の制御が可能なことを見いだしました。
本研究は、東北大学金属材料研究所の物質・材料に関する科学の力と、住友化学が長年にわたり高純度アルミニウム事業で培ってきた技術の融合により解明が出来たものです。一体型アルミニウム負極の実現により、従来のリチウムイオン二次電池に比べて、電池製造のプロセスを大幅に簡素化できることから、製造工程における環境負荷の低減とともに、高容量化や軽量化、低価格化なども期待できます。また、次世代電池として注目される全固体電池にも、本研究の成果を適用できる可能性があります。

 

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