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6年度の研究活動内容及び成果

3Dプリンターを用いたマルチマテリアル技術を開発
～鉄鋼材料とアルミ合金の界面の接合強度を飛躍的に改善、自動車の車体軽量化に期待～

金属やプラスチックなど異なる材質の接合部分では脆化が生じやすく素材の強度が弱くなってしまう、という問題がありました。
東北大学金属材料研究所は、金属3Dプリンターを用いて鉄鋼材料とアルミ合金を組み合わせたマルチマテリアル構造を製造するための基盤技術を確立しました。課題であった異材接合界面における脆化相の抑制効果を実証し、接合強度を飛躍的に改善しました。本成果を用いて、トポロジー最適化を用いて設計された実物大の自動車部材の試作に成功しました。これにより、車体軽量化が期待されています。
“Multi-material additive manufacturing of steel/Al alloy by controlling the liquid/solid interface in laser beam powder bed fusion” , Additive Manufacturing, 2024, 96, 104529,
doi.org/10.1016/j.addma.2024.104529

L-PBF法により作製した炭素鋼/Al合金界面付近の組織観察結果

毒性ガス二硫化炭素の選択的・超高速発光検出を達成
～環境・健康問題を見据えた高感度ケミカルセンサーの応用に期待～

二硫化炭素（CS₂）は揮発性が高く毒性も強いため、環境・人体に有害な毒性物質です。
東北大学金属材料研究所は、二硫化炭素（CS₂）を選択的に吸着し、10秒以下の高速で発光検出可能な多孔性の分子格子を開発しました。さらに、CS₂吸着/脱着のサイクル実験から可逆的な発光の ON-OFFスイッチングが観測され、優れたリサイクル性も実証されました。これにより、発光検出技術を用いたケミカルセンサーへの応用展開が期待されています。
“Ultrafast Luminescence Detection with Selective Adsorption of Carbon Disulfide in a Gold(I) Metal−Organic Framework”, Angewandte Chemie International Edition, 2025, 64, 5, e202413830,
doi.org/10.1002/anie.202413830

金属イオン（Zn<sup>2+</sup>）と配位子（ピラジン、[Au(CN)<sub>2</sub>]<sup>-</sup>）から構築される発光性 MOF の知恵の輪（相互貫入型）構造(左)・紫外光励起下での発光スペクトル (右)

金属イオン（Zn²⁺）と配位子（ピラジン、[Au(CN)₂]^–）から構築される発光性 MOF の知恵の輪（相互貫入型）構造(左)・紫外光励起下での発光スペクトル (右)

社会との連携

新知創造学際ハブ形成を推進
～人文科学と材料科学が紡ぐ新知創造学際領域の形成を目指して～

創立から100年余り。広く材料科学分野の共同利用・共同研究拠点として自然科学・材料工学の発展に寄与してきた金属材料研究所（金研）は、近年学際領域へ向けた大きな挑戦を始めました。令和５年度開始の学際領域展開ハブ形成プログラム「人文科学と材料科学が紡ぐ新知創造学際領域の形成」です。この事業では、材料科学研究で培ってきた高度な分析技術やデータ解析技術を人文科学分野、特に文化財や考古学研究の分野に適用・展開して、共同で学際領域研究を実施します。

材料科学の知識と技術を人文科学に活かすだけではありません。新知創造学際ハブでは、分野の異なる研究者同士の議論や、資料・サンプルの共用・交換を通じて、研究者の知的好奇心を満たし、新しいアイデアが湧き起こる広い研究コミュニティの形成を目指します。新たな材料観、物質観を共有した新しい学術知の創造、つまり「新知創造」です。

既に若い芸術家との共同研究や国内外の多数の研究機関との連携が始まっています。
2023年には、新知創造学際ハブの共同研究第一号となった女子美術大学学部生（当時）松岡美穂氏の作品 “Connotation and extension of time” が発表されました。この作品は、金属結晶の成長で生み出された造形をそのまま彫刻として活かしたもので、金研の結晶物理学研究部門（藤原航三教授）との共同研究から生まれました。普段は均質で鏡のような表面を持った金属結晶を作り研究を進めている研究者が、この時ばかりは真逆の立体的な結晶成長を目指して試行錯誤を重ねました。

作品は現在、金研一号館ロビーに展示されています。美大生と物理の研究者の共同作業により生み出されたまるで花や葉のような美しさ、機会がありましたら是非お近くでご覧ください。