東京工業大学が、スパコンと化学合成技術を融合した世界初となる中分子IT創薬研究拠点を、キング スカイフロントに設立
―東京工業大学・川崎市の提案事業が、文部科学省「平成29年度地域イノベーション・エコシステム形成プログラム」支援対象に採択―

要点

• 国立大学法人東京工業大学（以下、東工大）と川崎市が共同提案した事業プログラム「IT創薬^[用語1]技術と化学合成技術の融合による革新的な中分子^[用語2]創薬フローの事業化」が、文部科学省「平成29年度地域イノベーション・エコシステム形成プログラム」支援対象に採択されました（全国で10件採択。補助額は年1億5,500万円）。
• 本プログラムでは、スパコンや機械学習を駆使したIT創薬技術と、人工ペプチド・人工核酸などの独自の化学合成技術を融合して、中分子創薬の開発効率の大幅な改善を目指します。
• 東工大の学内に異分野の教員が集結する研究体制を構築するほか、川崎市の殿町国際戦略拠点「キング スカイフロント」（以下、キングスカイフロント^[用語3]）内に整備予定の東工大拠点について、さらに中分子に関する研究機能を強化した「中分子IT創薬研究拠点（MIDL）^[用語4]」として今年度内に設立予定です。中分子創薬分野にIT創薬の手法を導入する試みは独自性が高く、専門施設としては世界初となる見込みです。

概要

東工大と川崎市は共同で、中分子IT創薬に関する事業化プロジェクトを含む、イノベーション・エコシステム形成に向けた研究開発プログラムを実施する。「IT創薬技術と化学合成技術の融合による革新的な中分子創薬フローの事業化」と題する事業プログラムは、このたび文部科学省による「平成29年度地域イノベーション・エコシステム形成プログラム」支援対象に選定された（2017年7月31日（月）文部科学省プレスリリース）。支援期間は、2022年3月までの5年間の予定。

研究の内容

東工大の情報理工学および生命理工学の学問的蓄積とスパコン技術を活かして、IT創薬技術、人工ペプチド・人工核酸合成技術等のコア技術の融合による革新的な中分子創薬事業フローを構築する。

研究の体制

同プログラムは、東工大のキャンパス内で実施されるだけでなく、川崎市の殿町国際戦略拠点「キングスカイフロント」内に、中分子IT創薬研究拠点（MIDL）を設立し、川崎市内企業等^[用語5]が参加する大型の産学官連携事業として展開する。設立予定場所は、大和ハウス工業株式会社が開発・設計・施工する殿町3丁目A地区内のIIA棟1階。

研究の拠点

東工大では、かねてよりキングスカイフロントへの研究拠点の新設を計画しており、当事業の支援採択を受けて、さらに研究機能を強化した中分子IT創薬研究拠点（MIDL）として施設を設置する。中分子創薬分野にIT創薬の手法を導入する試みは独自性が高く、専門施設としては世界初となる見込み。

川崎市内の企業等との産学官連携により、基礎・基盤研究と創薬事業を橋渡しするイノベーション・エコシステムを形成することで、中分子創薬の開発効率の大幅な向上を目指す。

• プレスリリース 東京工業大学が、スパコンと化学合成技術を融合した世界初となる中分子IT創薬研究拠点を、キング スカイフロントに設立します ―東京工業大学・川崎市の提案事業が、文部科学省「平成29年度地域イノベーション・エコシステム形成プログラム」支援対象に採択されました―
• 平成29年度地域イノベーション・エコシステム形成プログラム支援対象地域の決定について｜文部科学省
• スマート創薬手法で4個のヒット化合物を発見 ―顧みられない熱帯病（NTDs）制圧に期待―｜東工大ニュース
• ぺプチドリーム社と特殊ペプチド創薬向けインシリコ技術の共同研究契約を締結｜東工大ニュース
• 第2回オープン創薬コンテストで13個のヒット化合物を発見｜東工大ニュース
• 秋山研究室
• 研究者詳細情報（STAR Search） - 秋山泰 Yutaka Akiyama
• 科学技術創成研究院 スマート創薬研究ユニット
• スマート創薬研究ユニット｜研究ユニット｜科学技術創成研究院
• 情報理工学院 情報工学系
• 研究成果一覧

東京工業大学（以下、東工大）と日本体育大学（以下、日体大）は、7月21日、日体大世田谷キャンパスにおいて、連携協定の締結式を行いました。

今回の連携協定は、世界最高の理工系総合大学の実現を目指している東工大と世界トップレベルのアスリートを有する日体大の強みを生かし、互いの教育資源、人的資源の活用を図るのが大きな狙いです。東京2020年オリンピック・パラリンピック競技大会開催に向けて「世界最高水準の科学技術×アスリートの育成」のコラボレーションによる“強い日本をつくる”ことの実現に向けて連携が期待されています。

東工大からは、三島良直学長、安藤真理事・副学長（研究担当）、梶原将生命理工学院教授、中島求工学院教授が、日体大からは、具志堅幸司学長、今村裕常務理事、松井幸嗣副学長（企画・管理・運営担当）、山本博アスレティックデパートメント長が出席しました。

具志堅学長からは「今回の連携協定は、東工大と日体大双方にメリットのある協定で、お互いの強みをさらに推し進めるものでなくてはなりません。共通の目標は“強い日本をつくる”ということです。日体大のアスリートがさらに躍進するために、東工大が培ってきた世界最高峰の科学・技術を融合することで、これまで成し遂げられなかった競技力の向上、研究の推進、新しい視点に立ったアスリートのサポートができるのではないかと期待と夢が広がっています。」との挨拶がありました。

続いて、三島学長は「日体大と連携協定を結び、スポーツ科学の分野に東工大がどういった貢献ができるか挑戦できるのは大変ありがたいことです。東工大は、これまでもスポーツ科学の分野で運動生理学やバイオメカニズムの研究を推進しており、精一杯取り組んでいきます。」と決意を述べました。

また、山本アスレティックデパートメント長からは、「このミッションを成功させるために3つの柱、（1）用具・装具の開発を通じて記録の向上を生み出すこと。（2）ウェアラブルな生理学的指標測定器を開発し、今までにない戦術・コンディション管理を生み出すこと。（3）AI（人工知能）を用いたアスリートのビックデータの分析により最高のパフォーマンスを発揮できるコンディション管理方法を見い出すこと、があります。東京オリンピック・パラリンピックに向けて頑張るアスリートのすべてを支援し、世界でスポーツを愛するすべての人たちの夢の実現に向けて進んでいきます。」と協定の趣旨について説明がありました。

今後、東工大と日体大は、“強い日本をつくる”ことの実現に向けて連携していきます。

• 日本体育大学
• 東京オリンピック・パラリンピック競技大会組織委員会
• 梶原研究室
• 中島研究室

免疫細胞を活性化する情報伝達分子の働きを解明
―生きた細胞中の1分子の動きと相互作用を見る新手法を開発―

論文情報

掲載誌 :	Scientific Reports
論文タイトル :	Multi-color single-molecule tracking and subtrajectory analysis for quantification of spatiotemporal dynamics and kinetics upon T cell activation
著者 :	Yuma Ito, Kumiko Sakata-Sogawa, Makio Tokunaga
DOI :	10.1038/s41598-017-06960-z

• プレスリリース 免疫細胞を活性化する情報伝達分子の働きを解明
• 徳永・十川研究室 ―研究室紹介 #15―
• 徳永研究室
• 研究者詳細情報（STAR Search） - 德永 万喜洋 Makio Tokunaga
• 免疫細胞を活性化する情報伝達分子の働きを解明 ―生きた細胞中の1分子の動きと相互作用を見る新手法を開発―│東工大ニュース
• 生命理工学院 生命理工学系
• 研究成果一覧

要点

• 様々な芳香族アルデヒドから芳香族アミンだけを合成する触媒を開発
• 開発触媒は性能劣化無く、繰り返し使用できる分離回収が容易な固体材料
• 開発触媒によって、糖由来の化合物から高付加価値ポリマー原料の製造に成功

概要

東京工業大学 科学技術創成研究院の原亨和教授、鎌田慶吾准教授、喜多祐介助教らは「ルテニウム－酸化ニオブ複合体触媒」（Ru-Nb₂O₅）^[用語1]が他の触媒とは異なり、複素環式芳香族化合物^[用語2]を含む様々な芳香族アルデヒド ^[用語3]から有用な芳香族アミン^[用語4]だけを合成できることを発見した。この触媒は多様な芳香族アミンを選択的に合成できる。また、糖由来の化合物から強靭かつ耐熱性の高付加価値ポリマー「アラミド」の原料を効率的に製造できることがわかった。

原教授らはRu-Nb₂O₅が電子を与える力を弱めることができることに着目し、副反応をほぼ完全に防ぐことに成功した。このアプローチは芳香族アミンの製造だけでなく、再生可能なバイオマスの利用に一石を投じると期待される。

医農薬、ゴム、ポリマー、接着剤、染料などの様々な化成品に使われる芳香族アミンは重要な化学品である。しかし、これらアミンを芳香族アルデヒド原料から製造する還元的アミノ化^[用語5]において、従来の触媒は電子を与える力が強く、芳香環の分解、副生物の生成を完全に防ぐことはできなかった。このため、製品の精製に多大なエネルギーが必要となり、コストを押し上げていた。

研究成果はJST ALCAにおいて得られたもので、「米国化学会誌（Journal of the American Chemical Society）」オンライン速報版に7月31日に公開され、正式版は近日中に掲載されます。

研究成果

同研究グループは、構築したルテニウム－酸化ニオブ複合体触媒（Ru-Nb₂O₅）（図1）が、従来の触媒とは異なり、芳香族アルデヒドの還元的アミノ化によって有用な芳香族アミンのみを合成できることを発見した。

図1. ルテニウム－酸化ニオブ複合体触媒（Ru-Nb₂O₅）

図2. 触媒の性能

例えば、複素環式芳香族化合物であるフルフラール（[用語3]参照）からフルフリルアミン（[用語4]参照）を合成する場合、従来の触媒では原料の10%以上が使い道の無い副生物になっていた（図2）。こういった不純物を取り除き、フルフリルアミンだけを得るには多大なエネルギーが必要になる。

一方、開発したRu-Nb₂O₅ではフルフリルアミンの収量が99%に達した。また、様々な芳香族アルデヒドを原料とした有用芳香族アミンの合成でも同様の結果が得られた。このことは開発触媒を使うことによって、医農薬品から大量生産される化成品で幅広く使われる芳香族アミンの生産を限界まで高効率化できることを意味している。

また、開発触媒はプロダクトとの分離が容易な固体材料であり、繰り返し・連続的に使用しても触媒の性能は低下しないことを確認した。

さらに、同研究グループは開発触媒と既存技術を組み合わせることによって、これまで効率的に合成することができなかった高機能・高付加価値なアラミド樹脂の原料をバイオマスから高効率合成することに成功した（図3）。

図3. バイオマスからのアラミド樹脂原料の生産

植物の大部分はブドウ糖の高分子「セルロース」で占められている。セルロースからブドウ糖を生産し、ブドウ糖を発酵させるとエタノールが得られる。このエタノールはバイオエタノールと呼ばれている。一方、ブドウ糖から芳香族アルデヒドの1つ「ヒドロキシメチルフルフラール」（[用語3]参照）を生産し、これを芳香族アミン「アミノメチルフラン」（[用語4]参照）に変換することができれば、化石資源を使うことなく強靭で燃えにくい高付加価値な高機能ポリマー「アラミド樹脂」を生産することができる。

しかし、これまでの技術の場合、アミノメチルフランの収量は50%程度であり、実用化の目処は立っていなかった。同グループは開発触媒と既存触媒技術を組み合わせることによってヒドロキシメチルフルフラールからアミノメチルフランを収率96%で合成することに成功した。これはバイオマス利用の一つのブレークスルーとなる。なお、同グループはブドウ糖からのヒドロキシメチルフルフラール製造でも世界最高性能の触媒を既に発表している。

このような開発触媒の高い性能は以下に記す新しい考え方とそれを実現する新しい設計に基づいている。

新しい考え方：これまでの還元的アミノ化促進触媒の開発指針は還元能力を強くすること、言い換えれば、水素を供与する能力を高めることにあった。確かにこの指針は有効だが、芳香族アルデヒドでは芳香環が還元されやすいため、触媒の水素供与能力を高めた場合、芳香環に結合したアルデヒドを還元するだけでなく、芳香環までも還元して壊してしまう。そこで、これまでの考え方とは逆に、触媒の水素供与能力を制御することを同グループは開発の指針とした。

新しい設計：ルテニウムのような遷移金属のナノ粒子は還元力が高い触媒であることが知られている。これらの金属ナノ粒子を触媒として使うには、金属ナノ粒子を固体表面に固定化する必要がある。自動車の排ガス浄化触媒を含めた多くの実用・商用触媒は金属ナノ粒子を固体表面に固定化した材料だ。

まず、同グループは、酸化マグネシウムやジルコニアのような塩基性の固体表面に固定化されたルテニウムは反応中に活性な状態（金属状のナノ粒子）にならず、金属ナノ粒子は中性～酸性の固体表面で安定化できることを明らかにした。そして、シリカやチタニアなどの固体表面に固定化された金属ナノ粒子は電子供与能力が高くなることを分光法によって明らかにした（図4左）。一方、金属ナノ粒子を酸化ニオブのような金属酸化物に固定化した場合、金属ナノ粒子の電子供与能力を弱めることが可能となり、水素供与能力を制御することで芳香族アミンの合成に最適な触媒作用を発現することがわかった（図4右）。

図4. 開発触媒のメカニズム

今後の展開

今回開発した触媒のもつ意義は、これまでの芳香族アミン生産を限界まで高効率化し、これまでできなかったバイオマス利用を可能にするだけに留まらない。神経作用薬、抗がん剤などの医薬品、殺虫殺菌剤を含めた農薬、肥料、油脂、ゴム・ポリマー、バイオ航空燃料といった多くの化成品が遷移金属の還元触媒能力を利用して生産されている。開発触媒のベースとなっている新しい考え方、新しい設計はこれらの化成品の生産を革新するポテンシャルをもっている。

本成果は、以下の事業・研究開発課題によって得られました。

論文情報

掲載誌 :	Journal of the American Chemical Society
論文タイトル :	Electronic Effect of Ruthenium Nanoparticles on Efficient Reductive Amination of Carbonyl Compounds
著者 :	Tasuku Komanoya, Takashi Kinemura, Yusuke Kita, Keigo Kamata, and Michikazu Hara
DOI :	10.1021/jacs.7b04481

• プレスリリース 欲しいものだけを合成する新触媒 ―医農薬からバイオマスの高付加価値化まで―
• 原・鎌田研究室
• 研究者詳細情報（STAR Search） - 原亨和 Michikazu Hara
• 研究者詳細情報（STAR Search） - 鎌田慶吾 Keigo Kamata
• 研究者詳細情報（STAR Search） - 喜多祐介 Yusuke Kita
• 原・鎌田研究室 ―研究室紹介 #51―│材料系 News
• 新触媒で糖由来化合物から欲しいものだけを合成―バイオマス資源から有用化成品製造への応用に期待―│東工大ニュース
• 低温で高活性なアンモニア合成新触媒を実現│東工大ニュース
• 電気抵抗の変化により触媒活性が劇的に向上―アンモニアの省エネ合成に有力な手がかり―│東工大ニュース
• アンモニア合成の大幅な省エネ化を可能にした新メカニズムを発見│東工大ニュース
• 物質理工学院 材料系
• フロンティア材料研究所
• 科学技術創成研究院
• 研究成果一覧

東京工業大学名誉教授・古賀逸策（1889 - 1982）による「温度無依存水晶振動子」の研究業績が、電気・電子分野の世界最大の学会であるIEEE（アイ・トリプル・イー: The Institute of Electrical and Electronics Engineers, Inc.）よりマイルストーンに認定されました。IEEEマイルストーンは、開発から25年以上経過し、社会や産業の発展に多大な貢献を果たした歴史的業績を認定する制度です。

これを記念して、3月6日に記念式典並びに記念講演会を開催しました。IEEEマイルストーン記念銘板の贈呈式を含む記念式典は大岡山キャンパス百年記念館3階のフェライト記念会議室にて、記念祝賀会は同館4階ラウンジにて、記念講演会は大岡山西講義棟1（レクチャーシアター）にて行われました。

このたび、この記念式典・講演会のダイジェスト動画が完成しました。記念式典における贈呈式や祝賀会での喜びの様子、多数の講演者・参加者で盛況な記念講演会の様子を、是非ご覧ください。

• 本学発の「温度無依存水晶振動子」がIEEEマイルストーンに認定｜東工大ニュース

受賞者一覧

受賞者	所属	職名	研究課題名（ * は学長特別賞）
岩﨑孝之	工学院 電気電子系	助教	* ワイドギャップパワーデバイスの量子センシング技術の開発
布施新一郎	科学技術創成研究院 化学生命科学研究所	准教授	* 大量核酸供給を可能にする革新的マイクロフロー合成法開発への挑戦
鎌田慶吾	科学技術創成研究院 フロンティア材料研究所	准教授	* 高難度反応実現のための複合酸化物触媒の創製
平原徹	理学院 物理学系	准教授	磁性トポロジカル絶縁体ヘテロ構造における室温量子異常ホール効果の実現
福原学	理学院 化学系	准教授	アロステリズム応答性糖センシング
中原啓貴	工学院 情報通信系	准教授	2値化による超低消費電力ディープラーニング専用プロセッサの創出
阪口基己	工学院 機械系	准教授	耐熱超合金の破壊プロセスに対する結晶破壊力学アプローチ
三宮工	物質理工学院 材料系	講師	カソードルミネセンスによるナノスケール複素電場マッピング
林晋平	情報理工学院 情報工学系	助教	リファクタリング技術による多様なソフトウェア開発成果物の完全化保守支援
安部聡	生命理工学院 生命理工学系	助教	細胞内タンパク質結晶を用いた革新的構造解析手法の開発
稲垣厚至	環境・社会理工学院 融合理工学系	助教	熱画像風速測定法による都市歩行者レベルの風の空間分布計測
西田亮介	リベラルアーツ研究教育院 社会・人間科学系	准教授	情報過剰の時代における政治の情報発信と受容に関する研究
近藤正聡	科学技術創成研究院 先導原子力研究所	助教	過酷流動環境下における機能分担型多重界面構造の機能発現実証研究

（所属順・敬称略）

• 平成28年度「東工大挑戦的研究賞」受賞者決定｜東工大ニュース
• 平成27年度「東工大挑戦的研究賞」授賞式を実施―独創性豊かな若手研究者に―｜東工大ニュース
• 研究・産学連携本部｜賞・支援事業｜挑戦的研究賞

東京工業大学 生命理工学院の西原秀典助教が日本遺伝学会奨励賞を受賞しました。

日本遺伝学会は、遺伝学の進歩を促しすぐれた研究業績を一般に知らせるために、学会賞および奨励賞を設けています。奨励賞は、遺伝学の特定の分野ですぐれた研究を活発に行い将来の成果が期待される会員に授与されるものです。受賞式は2017年9月14日（木）に日本遺伝学会第89回大会（岡山大学）にておこなわれます。

西原助教は、脊椎動物、特に哺乳類の分子系統学においてゲノムスケールの情報解析を早くから取り入れ、解決困難であった数々の系統学的諸問題を明らかにしてきました。また様々な脊椎動物のゲノムプロジェクトに参画し、特にゲノム中に散在する転移因子の多様性解明に寄与してきました。さらに最近では、哺乳類の進化の過程で転移因子が重要な機能獲得の原動力になることを明らかにしています。これらの業績が高く評価され、今回の受賞に繋がりました。

西原助教のコメント

• 日本遺伝学会 学会賞
• 細胞制御工学研究センター 木村研究室
• 研究者詳細情報（STAR Search） - 西原秀典 Hidenori Nishihara

要点

• 金原子接点に温度勾配をかけることで、正および負の電圧を発生させることに成功
• 金原子接点を圧縮、伸長させ、可逆的に発生する電圧の極性、大きさを自在に制御
• 可逆的な両極性の電圧発生はAu原子接点内の電子波の干渉効果に由来

概要

東京工業大学 理学院 化学系の相場諒大学院生（修士2年）、金子哲助教、木口学教授らのグループは、金原子接点に温度勾配をかけることにより、正および負両方の極性の電圧を自在に発生させることに成功した。単一物質で熱による発電を実現したもので、理論的な解析により、金原子接点内に形成される電子波が干渉し、両極性の様々な電圧が発生することを明らかにした。

金原子接点は超高真空・極低温（-260 ℃）の環境下において、金細線を伸長させて作製した。金細線の両端にヒーターと温度計を取り付け、温度勾配を金原子接点に与えながら、電気伝導度と熱によって発生する起電力を同時に計測した。その結果、熱起電力^[用語1]の極性およびその大きさを、金原子接点の構造をわずかに変えることにより自在に制御できた。

両極性の熱起電力を単一物質で発生できたため、今後は正負の熱起電力を発生する原子接点を複数連結し、システムとして発生する電圧を増大させて、排熱から電気を発生させる熱電変換素子への応用に取り組む。

研究成果は2017年8月11日発行の英科学誌「Scientific Reports」に掲載された。

図1. 金原子接点を用いた両極性の熱起電力発生の概念図

研究の背景

物質に温度勾配を与えると、物質内の電子の運動性が位置によって変化し、物質の両端に電圧が発生する。この熱により発生する電圧は熱起電力と呼ばれ、排熱を電気に変換する熱電変換素子に応用されている。一つの材料で発生する熱起電力の大きさはマイクロボルト（μV =10^-6 V）オーダーと小さい。このため、実際の熱電変換素子^[用語2]は正負の熱起電力を発生する材料を交互に積層させて、実用に耐える電圧を発生させている。

したがって熱電変換素子の開発は正負両方の熱起電力を発生させる材料開発が不可欠である。これまで熱電材料として用いられてきた物質は発生する熱起電力の符号は材料物質によって一意に決まっており、単一の材料から正負両方の熱起電力を発生させることは困難だった。

研究成果

東工大の相場大学院生らは、単原子・単分子レベルの材料では熱起電力がその電子状態に敏感に応答することに着目し、構造を変えることにより熱起電力の符号、大きさを変調させることに挑戦した。対象の物質として、熱起電力を決定づける電子状態が構造によって敏感に変わることが期待される金を採用した。

図2に金（Au）原子接点の作製および熱起電力の作製装置の概念図を示す。超高真空、-260 ℃の極低温において、Au線を固定した弾性基板を後ろから押し曲げることで破断させた。割りばしを折り曲げて割るイメージである。押す力をコントロールすることで、Au線の伸長距離を精密に制御し、Au原子接点を作製した。

Au原子接点の太さや長さは、弾性基板の湾曲具合を変えることで、制御できる。基板を曲げながら、Au線の両端に電圧を与え、流れる電流を計測することで、最も細くなっている部分、つまり原子接点の伝導度を決定し、原子接点の形成を確認した。

熱起電力の測定は、Au線の片側をヒーターで加熱してAu原子接点に温度勾配を与え、発生する電圧を計測した。実験では、伝導度と熱起電力を交互に計測することにより、Au原子接点の状態を確認しながら、熱起電力を計測した。

図2. Au単原子接点を作製する装置の概念図。弾性基板上に固定したAu線を、基板を湾曲させることで破断し、Au原子接点を作製。下は破断後に計測した接合近傍の電子顕微鏡像

図3はAu原子接点の圧縮、伸長を繰り返した際の原子接点の熱起電力と電気伝導度の同時計測結果である。電極間距離を1 nm（ナノメートル）程度変化させるだけで、熱起電力が可逆的に、正負の符号反転を伴いながら400%も変化する様子が観測された。Auという単体の物質で、正負両方の電圧を発生させることに初めて成功した。

ちなみに、伸長、圧縮に伴ってAu原子接点の電気伝導度も変化しているが、その変化量は44 %にとどまっている。ここで電極間距離の変位を0.1 nmまで減少させても、400%を超える熱起電力変化は観測された。なお伝導度変化は5%まで減少した。Au原子接点の熱起電力が電気伝導度と比較して、構造変化に敏感に応答していることが分かる。

Au原子接点に発生した熱起電力は、電極間距離を一定に保つと、40分以上変化しなかった。そして圧縮、伸長を繰り返すと30回以上、図3に示すように二値の間を可逆的にスイッチし、優れた特性を示した。さらに詳細な計測を行うことで、Au原子接点が細くなるほど、構造変化に対する熱起電力の応答性が向上することが明らかになった。

Au原子接点の直径を0.5 nmから0.25 nmにすると、熱起電力の変化量は2倍に増加した。また構造変化量に対する変化量の関係も、電気伝導度と熱起電力では異なった。電気伝導度は変位量に従って単調に増加するが、熱起電力は0.1 nmのわずかな変位でも400%近い変化を示した。そして0.5 nm以上の変位では変化量が一定になった。電気伝導度が接合の太さに依存するのに対し、熱起電力が接合の太さに依存しないことに由来している。

図3. 左はAu原子接点を機械的に伸長、圧縮させた際の熱起電力（V_T）と伝導度（G）の同時計測結果の例。一番下は電極の変位の大きさを示す。伸長、圧縮を繰り返すことで、熱起電力が正負反転して、可逆的に変化している様子が分かる。右は対応する原子接点の概念図。

Au原子接点から両極性の熱起電力が発生するのは、Au原子接点内の量子的な干渉効果によって説明できる。図4aに示すように、金の原子接点内を電子が左から右に流れる状況を考える。右に進む電子の一部は、接点近傍に存在する欠陥により後方散乱され、左に進む。一度散乱された左向きの電子がまた別の欠陥に散乱されると、電子は右に進む。散乱されなかった電子と2回散乱された電子が互いに干渉することになる。

原子接点の構造を変えることにより、欠陥の間の距離が変わり、電子の干渉の様子が変化する。この電子の干渉により、電子が原子接点を透過する確率が変化する。図4efに、2つの異なる構造をもつAu原子接点における電子の透過率の計算結果を示す。透過率はすべてのエネルギー領域でおおよそ1であるが、干渉の効果により一部、1より小さな値となっている。どのエネルギーで大きく変化しているかは構造に依存している。

図4. （a）Au原子接点における電子波の干渉の様子。接合をそのまま透過する電子波と、接点近傍の欠陥により2回散乱された電子波が干渉する。（b）接点近傍の欠陥の間隔を変えた場合の干渉の様子、（c,d）異なる構造をもつAu原子接点のモデル構造、（e,f）Au原子接点における電子の透過率のエネルギー依存性、（g,h）Au原子接点における熱起電力のエネルギー依存性。フェルミ準位における透過率曲線のエネルギー微分に対応する。

Au原子接点の熱起電力は、フェルミ準位^[用語3]における透過率曲線のエネルギー微分に対応する。図4ghに熱起電力の計算結果を示したが、構造をわずかに変えるだけで熱起電力の符号が反転していることが分かる。つまり、Au原子接点の構造を変えることで、電子状態を変調させ、熱起電力の符号、大きさを制御したことになる。

今後の展望

今回の研究により、単一の物質を用いて、正負の熱起電力を発生させることができた。今後、正負の熱起電力を発生させるAu原子接点を交互に積層することで、大きな熱起電力を発生させることに取り組む。これにより、同一の物質を使って、排熱から電気を生みだす熱電変換素子への応用が期待できる。

また今回、単原子を用いて熱起電力の符号反転を含む制御に成功した。今後、原子から分子への展開を考えている。分子の軌道はエネルギー的に局在しており、大きな熱起電力の発生や熱起電力の変調に有利な電子構造となっている。単分子を金属電極間に架橋させた単分子接合を用いて、巨大な熱起電力の発生、熱起電力の制御が期待できる。

単分子接合に圧力を加えることで、金属と分子の接合界面の構造を変調し、単分子接合の電子状態を変化させる。これにより、単分子接合の熱起電力も変調するはずである。分子、電極金属、加える圧力を最適化することで、既存の物質を超えた巨大な熱起電力、熱起電力の制御に挑戦する計画である。

用語説明

[用語1] 熱起電力 : 物質の両端に温度差を与えたときに発生する電圧を表す。単原子、単分子接点では、熱起電力は接点を流れる電子の透過率τの関数として以下の式で表現できる。

ここで、k_bはボルツマン定数、Tが温度、eが電荷素量、E_Fがフェルミエネルギーである。熱起電力はフェルミエネルギーにおける透過率のエネルギー微分に比例する。透過率の対数のエネルギー微分であるので、透過率の大きさには依存しない。このため、接点の太さに熱起電力はあまり依存しない。

[用語2] 熱電変換素子 : 熱を電気に変換する素子。大きな電圧を取り出すため、下図に示すようにp型半導体とn型半導体を組み合わせて使用されることが多い。p型半導体では高温側が負、n型半導体側が正の電圧が発生する。したがって、高温側でp型半導体とn型半導体を電気的につなぐと、低温側でp型半導体に接続した電極1、n型半導体に接続した電極2の間にp型、n型半導体で発生した熱起電力の和の電圧が発生する。このようにp型、n型半導体を配列していくと大きな電圧を発生させることができる。

[用語3] フェルミ準位 : 物質の軌道に電子をつめていって、電子によって占められた軌道のうちで最高の軌道のエネルギーを示す。0 K（絶対零度）においては化学ポテンシャルと一致する。

論文情報

掲載誌 :	Scientific Reports, 7, 7949.
論文タイトル :	Controlling the thermoelectric effect by mechanical manipulation of the electron's quantum phase in atomic junctions
著者 :	Akira Aiba1, Firuz Demir2,3, Satoshi Kaneko1, Shintaro Fujii1, Tomoaki Nishino1, Kazuhito Tsukagoshi4, Alireza Saffarzadeh2,5, George Kirczenow2, Manabu Kiguchi1
所属 :	1Department of Chemistry, Graduate School of Science and Engineering, Tokyo Institute of Technology, Ookayama, Meguro-ku, Tokyo 152-8551, Japan 2Department of Physics, Simon Fraser University, Burnaby, British Columbia, Canada V5A 1S6 3Physics Department, Khalifa University of Science and Technology, P.O. Box 127788, Abu Dhabi, UAE 4National Institute for Materials Science, Tsukuba, Ibaraki 305-0044, Japan 5Department of Physics, Payame Noor University, P.O. Box 19395-3697 Tehran, Iran
DOI :	10.1038/s41598-017-08553-2

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西森秀稔教授が量子コンピューティング用語の国際標準策定グループのメンバーに就任
―電気・電子・情報・通信分野の世界最大の学会IEEE内に設置―

要点

• 量子コンピューティング関連用語の標準化を電気・電子・情報・通信分野の世界最大の学会IEEEの標準化部門が開始
• 量子コンピューターD-Waveマシン^[用語1]の理論的基礎である量子アニーリング^[用語2]を提唱した西森秀稔教授がメンバーに就任
• IBMおよび1Qbit社^[用語3]（量子コンピューターのソフト開発企業）の代表らも参加

IEEE Standards Association（アイ・トリプル・イー　スタンダード・アソシエーション、標準化部門）^[用語4]は量子コンピューターの実装が急速な進展をみせている状況に対応し、ワーキンググループ（WG）を設置して、量子コンピューティング用語の標準化を策定するプロジェクトを開始しました。

当WGでは、量子トンネル現象、量子もつれ現象など量子コンピューティングに関する様々な用語の定義を行います。正確な用語による理解促進を通じて、エンジニアのみならず、材料科学、数学、物理、気象学、生物学など様々な分野での量子コンピューティングの利用拡大を支援していきます。

当WGは、多彩な事業を展開している起業家であるWilliam Whurley氏を委員長として、IBMの量子コンピューター研究開発部門の責任者Jerry Chow氏、1QBit社のCEO Anrew Fursman氏、および東京工業大学 理学院 物理学系の西森秀稔教授などから構成されています。

東京工業大学は量子コンピューティングの一種である量子アニーリングの発祥の地であるだけでなく、現在に至るまで当分野の研究の中心地のひとつとして世界的な注目を集め続けています。その実績を踏まえて、IEEEより西森教授へメンバー就任の要請がありました。

西森教授のコメント

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• 理学院 物理学系

要点

• 金属間化合物^[用語1]で電子がアニオンとしてふるまう新しい電子化物^[用語2]を発見
• 結晶構造中の空隙が電子の局在サイトになることを解明
• アンモニア合成触媒や超伝導を発現するなど様々な特性を持つ

概要

イオン結晶は、カチオン（陽イオン）とアニオン（陰イオン）が結びつき、構成されている。マイナスの電荷をもつ電子は、究極のアニオンと言える。電子がアニオンの役割を担う物質は電子化物（エレクトライド）と呼ばれている。1983年に有機化合物で最初の電子化物が合成され、新概念の物質として注目を集め、教科書類にも記載されることになった。しかし、この物質は、化学的・熱的に不安定なために物性については不明な点が多かった。

東京工業大学 科学技術創成研究院 フロンティア材料研究所の細野秀雄教授・元素戦略研究センター長を中心にしたグループは2003年、12CaO･7Al₂O₃（C12A7^※セメントの構成成分）を使って、室温・空気中で安定なエレクトライドの合成に初めて成功。アニオンを電子に置き換えたことに起因する低仕事関数だが化学的に安定というユニークな物性を報告してきた。2011年には電子化物ガラスを、2013年にはアニオン電子が層間に存在する2次元電子化物Ca₂Nを報告するなど、電子化物の物質科学の新領域を開拓してきた。本研究では、電子化物のコンセプトをさらに拡張すべく、金属元素から構成される金属間化合物を対象に、結晶構造と電子分布の関係を検討して、電子化物とみなせる物質群の発見と、それらがアンモニア合成触媒や超伝導という物性の発現につながることを見出した。今回の成果は、7月31日発行の「Advanced Material」、8月14日発行の「Angew. Chem. Int. Ed」、8月15日発行の「npj Quantum Materials」に掲載された。

研究成果

これまで見出されてきた電子化物は母体が絶縁体である。ここ数年来、電子化物の理論的研究が世界的に盛んになっている。アルカリ金属などの典型金属の高圧相では、電子が格子間サイトを占有する電子化物であることが明らかになりつつある。

本研究では、母体が複数の金属から構成される金属化合物で電子化物の探索を行った。通常の金属は、電子が格子全体に平均的に分布しており、格子間に電子が高濃度に存在することは考えにくい。そこで今回、個性の大きく異なる複数の金属から構成される金属間化合物に着目して探索を行った。その結果、LaScSi（ランタンスカンジウムシリコン）、Mg₂Si（珪化マグネシウム）、Nb₅Ir₃（ニオブイリジウム）などが、それに相当することを見出した。

例えば、LaScSiは、その式量あたり2つの電子（1.6x10²² cm^-3）が、ランタン（La）が作り出す4面体の中心位置と、スカンジウム（Sc）とケイ素（Si）が作り出す8面体サイトを占有する。いずれのサイトも水素化物イオン（H^-）で置き換えられるので、H^-の代わりに電子がアニオンとして働く電子化物とみなすことができる。これらの電子が存在するバンドは、フェルミ準位^[用語3]に大きく寄与する。なお、この物質にルテニウムのナノ粒子を担持すると、アンモニア合成触媒として優れた特性を示した。

図1.

LaScSiの結晶構造。VとV'サイトに電子が存在する。

水素と反応させると電子の代わりにH^-イオンが占有される。

図2.

Mg₂Siのバンド構造。太線は格子間サイトの電子による寄与を示す。

右は伝導体の下端付近の電子密度分布。8つのMgに囲まれた空間に電子が存在する。

Mg₂Siは、逆蛍石^[用語4]型の結晶構造で、N型伝導性を示す半導体であり、高い熱電特性を持つ物質として知られている。電子密度分布をみると、伝導帯の最下端は4つのMg²⁺イオンに囲まれた4面体の中心のサイトで大きなピークが存在する。すなわち、ケイ素（Si）の欠損などで生じた電子キャリアは、この格子間サイトを占有することが分かった。このような半導体物質はこれまで知られておらず、熱電特性の起源と関係していると考えられる。

今回、Mn₅Si₃型をもつ新金属間化合物Nb₅Ir₃を合成。これは、結晶構造中にNb原子から構成される1次元化チャネルがあり、その中にアニオン電子も存在する電子化物であることが分かった。この物質は、超伝導を示すT_c（臨界温度）は9.4 K（ケルビン）だった。電子化物の超伝導体は、2007年にC12A7:eで見出されており、今回が2例目となる。

今後の展望

今回、金属間化合物の結晶構造内の空隙に電子が高濃度に存在し、そのエネルギーレベルが電子物性を支配するフェルミ準位付近に存在しうることを明らかにした。金属格子内の空隙は、原子の移動には主要な役割を果たすことはよく知られているが、電気伝導を担う電子が高密度に分布することは、これまで知られていなかった。キャリア電子が平均的に分布する場合とは、電子の輸送特性や化学反応性がかなり異なることが予想される。

電子化物は、有機系で見出され、無機物、単純金属、そして今回、金属間化合物へと広がった。今後、さらに新しいコンセプトの電子化物が発見され、学術のフロンティアの拡大とともに応用に繋がる新物性が見出されることが期待される。

※本成果は、以下の事業・研究開発課題によって得られた。

• 科学技術振興機構 戦略的創造研究推進事業 ACCEL
• 日本学術振興会 科学研究費補助金 基盤研究（S）

論文情報

今回のリリースは下記の論文による成果。

掲載誌 :	Advanced Materials, 29, 1700924-1-7, （2017）
論文タイトル :	Tiered Electron Anions in Multiple Voids of LaScSi and Their Applications to Ammonia Synthesis
著者 :	Jiazhen Wu, Yutong Gong, Takeshi Inoshita, Daniel C. Fredrickson, Junjie Wang, Yangfan Lu, Masaaki Kitano, and Hideo Hosono
DOI :	10.1002/adma.201700924

掲載誌 :	Angew. Chem. Int. Ed., 56, 10135-10139, （2017）
論文タイトル :	The Unique Electronic Structure of Mg2Si: Shaping the Conduction Bands of Semiconductors with Multicenter Bonding
著者 :	Hiroshi Mizoguchi, Yoshinori Muraba, Daniel C. Fredrickson, Satoru Matsuishi, Toshio Kamiya, and Hideo Hosono
DOI :	10.1002/anie.201701681

掲載誌 :	npj Quantum Materials
論文タイトル :	Electride and superconductivity behaviors in Mn5Si3-type intermetallics
著者 :	Yaoqing Zhang, Bosen Wang, Zewen Xiao, Yangfan Lu, Toshio Kamiya,Yoshiya Uwatoko, Hiroshi Kageyama and Hideo Hosono
DOI :	10.1038/s41535-017-0053-4

要点

• IoTセンサー等で利用される圧電体の結晶構造が高速で変化する様子を観察
• 圧電性の発現機構解明に貢献
• 新規の圧電性物質の探索や非鉛圧電体材料の開発を加速

概要

東京工業大学 物質理工学院（同大学 元素戦略研究センター兼任）の舟窪浩教授と同大学 大学院総合理工学研究科の江原祥隆博士後期課程学生（当時）、同大学 科学技術創成研究院 フロンティア材料研究所の安井伸太郎助教、名古屋大学 大学院工学研究科（科学技術振興機構さきがけ研究者兼任）の山田智明准教授、高輝度光科学研究センター （JASRI）の今井康彦主幹研究員、物質・材料研究機構 技術開発・共用部門（先端材料解析研究拠点シンクロトロンX線グループ グループリーダー併任）の坂田修身ステーション長、ニューサウスウエールズ大学（オーストラリア）のナガラジャン・バラノール教授らの研究グループは、電圧によって形状が変化する圧電体結晶について、原子の変位、単結晶領域の再配列などの複雑な現象が、1億分の4秒（40ナノ秒^[用語1]）の短時間に高速で起きていることを、大型放射光施設SPring-8^[用語2]の高輝度放射光を用いた時間分解X線回折実験によって、世界で初めて解明しました。

圧電体は、インクジェットプリンタや3次元プリンタ、カメラの手振れ防止機構等に幅広く用いられ、最近では、身の回りにある振動から発電する“振動発電”や建物等の異常振動のセンサー等への応用が期待されるなど、永続的に使用できる自立電源としてIoTセンサーネットワークへの応用も期待されています。

今回の成果は、英国のオンライン科学雑誌「サイエンティフィックレポート（Scientific Reports）」に8月29日付で掲載されます。

研究の背景

結晶が外力に応じて誘電分極を生じる効果を圧電効果、結晶に電圧を加えることで結晶が歪む効果を逆圧電効果と言います。このような現象を示す物質が圧電体です。これは、電気的エネルギーを機械的エネルギーに、逆に機械的エネルギーを電気エネルギーに変換するエネルギー変換物質とも言えます。ライターの着火石（機械的エネルギーの電気エネルギーへの変換）からプリンタのインクジェットヘッドや自動車のエンジンへの燃料の噴射ノズル（電気エネルギーを機械的変位に変換）、さらにはデジタルカメラの手ぶれ防止機構（機械的エネルギーの電気エネルギーへの変換）まで、我々の暮らしの中で広く使用されています。

最近では、自動車のエンジンや高速道路の車の走行による振動で発電し、振動を検出する機能と組み合わせて、安全安心を支えるバッテリー不要のIoTセンサーネットワークとして注目を集めています。

この圧電性は、電圧を加えることや機械的な力を加えることによって起きる結晶自身の伸びの他に、ドメインと呼ばれる微小領域の結晶の向きの変化等の複数の現象が同時に起きることが知られていましたが、個々の現象がどのくらいの速度で起きるかはわかっていませんでした。

研究手法・成果

我々は、大型放射光施設SPring-8表面界面構造解析ビームラインBL13XU、および同施設の物質・材料研究機構のビームラインBL15XUの数マイクロメートルに集光した高輝度単色パルスX線を、最も広く使用されている圧電体であるチタン酸ジルコン酸鉛膜上に形成した電極に照射し、200ナノ秒幅のパルス電圧を印加して観察。回折データを、電荷量の変化とともに高速で記録しました（図1）。ここでは電圧を加えると、結晶の伸びや電圧印加方向へのドメインの再配列等が起こっていることが判明しました。またこの際、結晶の単結晶領域（図2で赤と青で示した領域）の傾斜角度が同時に変化していることも明らかになりました（解析した現象のモデル図を図2に示す）。

図1.

電圧を加えた時の結晶の伸びや、電圧印加方向へのドメインの再配列と電気特性を直接測定できる測定システム（数マイクロメートルに集光した高輝度X線を電極上に照射し、電圧印加しながら回折X線強度と電荷量の変化を20ナノ秒の時間分解能で同時に測定できるシステム。今回の測定では、200ナノ秒幅のパルス電圧を印加している際の回折プロファイルと電荷量の変化について、加える電圧を固定して、高速で記録することに成功しました）。

図2.試料に電圧を印加した時に起きる結晶の構造変化の模式図

赤で示した結晶の伸び、青で示した結晶の一部が赤で示した結晶へ変化、青および赤で示した結晶の角度の変化といった複雑な現象が同時に起こっている。

注目すべき点は、こうした複雑な現象は同時に起こっており、そのスピードは今回試料で測定可能な1億分の4秒（40ナノ秒）よりも速いことを世界で初めて明らかにしたことです（図3）

図3.

図2の赤と青の結晶の伸びや縮み、青の結晶の赤の結晶への変化、青および赤の結晶の角度の変化といった複雑な現象が測定システムの分解能40ナノ秒よりも速いスピードで同時に起きていることがわかりました。

期待される波及効果

今回の成果は、以下に述べる波及効果が期待できます。

圧電性はこれまで、結晶内の複雑な現象で発現していることがわかっていましたが、それぞれの現象がどのように起こっているか、どのくらいの速度まで追随するかといったことは、十分にわかっていませんでした。本研究では、個々の効果を直接的に高速で測定できるようになったことで、チタン酸ジルコン酸鉛以外の物質における圧電性の発現機構の解明が飛躍的に進むと見込まれます。

本研究で、複雑な現象が同時に測定可能になったことで、新規物質を探索した場合にどのような現象が圧電体内で起きているか、また、その応答速度が変化したかを直接測ることができ、これまでトライ&エラーで行ってきた圧電体の物質探索が飛躍的に進むと考えられます。

i）現在使われている圧電体は、毒性がある鉛を重さで50%以上含有しており、環境への配慮から非鉛圧電体の開発が強く求められています。

ii）今回の成果により、現在使われている鉛を含有した圧電体のチタン酸ジルコン酸鉛がどのような機構で大きな圧電性を発現しているかを明らかにできたことで、現在盛んに開発されている鉛を含まない新規な非鉛圧電体材料の開発が加速されると期待できます。

圧電体は、圧力や振動、加速度、さらには温度等のセンサーとして使用可能です。またセンシングの際に発電を行うことも可能ですので、電源を必要としないセンサー端末を作れる可能性があります。こうしたセンサーをビルや橋に取り付けることで、電池交換不要なセンサー端末を作製でき、この端末をネットワークにつなぐことで“安全で安心な社会”の構築に貢献することが期待できます。

特記事項

今回の研究は、日本学術振興会の科学研究費、科学技術振興機構の戦略的創造研究推進事業さきがけ研究の一環として行われました。また構造解析は、SPring-8の共用ビームライン（BL13XU）および物質・材料研究機構の専用ビームライン（BL15XU）で実施。研究成果の一部は、文部科学省委託事業ナノテクノロジープラットフォーム課題として、物質・材料研究機構微細構造解析プラットフォームの支援を受けて行われたものです。

論文情報

掲載誌 :	Scientific Reports
論文タイトル :	In-situ observation of ultrafast 90° domain switching under application of an electric field in (100)/(001)-oriented tetragonal epitaxial Pb(Zr0.4Ti0.6)O3 thin films ※日本語訳：（100）/（001）配向した正方晶Pb（Zr0.4Ti0.6）O3エピタキシャル薄膜の電界印加時の90°ドメインの高速応答のその場観察
著者 :	Yoshitaka Ehara, Shintaro Yasui, Takahiro Oikawa, Takahisa Shiraishi, Takao Shimizu, Hiroki Tanaka, Noriyuki Kanenko, Ronald Maran, Tomoaki Yamada, Yasuhiko Imai, Osami Sakata, Nagarajan Valanoor, and Hiroshi Funakubo
掲載日 :	2017年8月29日18:00（日本時間）
DOI :	10.1038/s41598-017-09389-6

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要点

• 巨大衝突起源説で火星衛星の反射スペクトルの特徴が説明可能
• 火星衛星は衝突当時の火星本体の地殻物質とマントル物質を多く含有
• JAXAの火星衛星サンプルリターン計画で火星本体の物質採取に期待

概要

東京工業大学 地球生命研究所（ELSI）の兵頭龍樹特別研究員、玄田英典特任准教授らの国際共同研究チームは、火星の衛星「フォボス」と「ディモス」が月の起源と同様に、巨大天体衝突（ジャイアントインパクト）で形成されうることを明らかにした。世界最高解像度の巨大衝突シミュレーションによって、火星衛星がどのような物質でできているのかを理論予想した。

その結果、火星衛星を構成する粒子の典型的な大きさが0.1 μmの微粒子と、100 μmから数mであることが分かった。微粒子の存在により、衛星の滑らかな反射スペクトルの特徴が巨大衝突説の枠組みと矛盾しないことを確認した。

また、火星衛星を構成する材料物質の約半分が火星由来であり、残りは衝突天体由来であること、さらに衛星が含む火星由来の物質の約半分は衝突当時の火星表層から50 − 150 kmの深さから掘削された火星マントル物質であることを明らかにした。これは宇宙航空研究開発機構（JAXA）が2024年打ち上げを予定している火星衛星サンプルリターン計画（MMX）によって、衛星から火星本体の物質を地球に持ち帰る可能性が高いことを意味している。

研究成果は8月18日発行の米国科学誌「Astrophysical Journal （アストロフィジカルジャーナル）電子版」に掲載された。

図1. 火星衛星、フォボス（左）とディモス（右）の画像
（提供：NASA/JPL-Caltech/University of Arizona）

研究の背景

火星衛星フォボスとディモス（図1）は、火星の赤道面を円軌道で回っている。半径10 km程度のフォボスとディモスは火星質量の約1,000万分の1と非常に小さく、半径1,000 kmを超える地球の巨大衛星（月）とは大きく異なる。火星衛星のいびつな形状と表面スペクトルは、火星と木星の間に存在する小惑星と類似していることから、その起源は長らく小惑星が火星の重力に捕獲されたものと考えられていた（捕獲説）。

図2. 近接遭遇した天体を重力によって捉える捕獲説（左）と
巨大衝突によって形成された破片から衛星が集積する巨大天体衝突説（右）

しかし、捕獲説の場合、現在の衛星の軌道（赤道面を円軌道で公転）を説明することは極めて困難であることが指摘されている。一方で、火星の北半球には太陽系最大のクレータ（ボレアレス平原）が存在し、巨大天体の衝突で形成された可能性が高いことが分かっている。そして、近年、このクレータを形成しうる巨大衝突過程（火星の直径の3分の1程度の巨大天体が、火星に秒速6 km程度で衝突）をコンピューターシミュレーションによって調べることで、飛び散った破片が集まって最終的に2つの衛星を形成しうることが明らかになった（図2）。

研究成果

図3. 火星への巨大天体衝突のイメージ

東工大の兵頭龍樹特別研究員らは、フォボスとディモスを形成する巨大衝突の超高解像度3次元流体数値シミュレーションを行った（図3、4）。その結果、典型的な破片粒子サイズは、0.1 μmと100 μmから数m程度になることが分かった。そして、0.1 μm程度の微粒子が、観測されている火星衛星の滑らかな表面反射スペクトルの特徴と矛盾しないことを明らかにした。

さらに、火星衛星の構成物質の約半分は火星に、残りの半分は衝突天体に由来していることが分かった。さらに、この火星物質は火星地表面から50 - 150 kmの深さから掘削された火星マントル由来の物質であることが明らかになった。

図4. 巨大衝突シミュレーションの時間スナップショット

上図において、赤色と黄色は最終的に火星となる粒子、水色は最終的に火星衛星となる粒子、白色は火星の重力圏から飛び出してしまう粒子、を表している。下図において、色は温度（ケルビン）を表している

地球が衛星の月を作ったとされる衝突は、衝突天体の質量が地球質量の10分の1程度で、衝突速度が毎秒12 kmと非常に大きく、地球周囲に飛び散り、最終的に月へと集積する物質は、衝突直後に4,000 K（絶対温度）程度となり蒸発することで、衝突天体物質と地球起源物質は混ざりあってしまい、当時の情報が失われていると考えられている。

一方、火星衛星を作ったとされる衝突天体は火星質量の数%（地球質量の1,000分の1）で、衝突速度は同6 km程度と小さめであったため、火星衛星を形成する破片は2,000 K程度の温度で、ほとんど蒸発せずに、火星起源物質と衝突天体起源物質の混ざり合いは少なく、破片は当時の火星の物質情報を保存していると期待される。

今後の展望

今回の研究によって、火星衛星が巨大天体衝突によって形成可能であり、観測される表面反射スペクトルの特徴も説明できることが明らかになった。また、火星衛星には火星由来の物質が多く含まれ、さらに、衝突当時の火星マントル物質も含まれていることが期待される。

一方、JAXAが進める宇宙探査・戦略的中型計画において、火星衛星に探査機を送り、火星衛星の物質を地球に持ち帰る計画（MMX: Martian Moons eXploration）が検討されている。2024年に打ち上げ、2029年の地球への帰還を目指している。

米航空宇宙局（NASA）は火星本体に探査機を着陸させて火星物質を地球に持ち帰ることを計画しているが、探査機の掘削技術が成功しても火星表面物質の回収しか期待できない。一方で、今回の研究で示した巨大天体衝突説が正しければ、人類は初めて、火星の表層物質だけでなく、火星マントル物質までをJAXAのMMX計画で火星衛星から手に入れることが可能となる。このことは、将来の火星移住計画の推進に大いに役立ち、さらに、未だ謎につつまれる太陽系形成史を紐解く物質科学的な鍵となることが期待される。

地球生命研究所（ELSI）は、文部科学省が2012（平成24）年に公募した世界トップレベル研究拠点プログラム（WPI）^※に採択され、同年12月7日に産声をあげた新しい研究所。「地球がどのようにしてできたのか、生命はいつどこで生まれ、どのように進化してきたのか」という、人類の根源的な謎の解明に挑んでいる。

※

世界トップレベル研究拠点プログラム（WPI）は、2007（平成19）年度から文部科学省の事業として開始された。システム改革の導入などの自主的な取組を促す支援により、第一線の研究者が是非そこで研究したいと世界から多数集まってくるような、優れた研究環境ときわめて高い研究水準を誇る「目に見える研究拠点」の形成を目指している。

論文情報

掲載誌 :	Astrophysical Journal
論文タイトル :	On the Impact Origin of Phobos and Deimos. I. Thermodynamic and Physical Aspects
著者 :	Ryuki Hyodo, Hidenori Genda, Sébastien Charnoz, Pascal Rosenblatt
DOI :	10.3847/1538-4357/aa81c4

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• 玄田 英典｜地球生命研究所
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• 地球生命研究所（ELSI）
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“甘さ”を見分ける分子カプセル
―水中で糖分子 スクロースの選択的な包み込みに成功―

要点

• 分子カプセルが、水中で砂糖の主成分スクロースを選択的に包み込むことを発見
• 包み込みは人工の糖分子（人工甘味料）の方が強く、人間が感じる甘さと同じ順

概要

東京工業大学 科学技術創成研究院 化学生命科学研究所の山科雅裕博士研究員と吉沢道人准教授らは、同グループが開発した分子カプセルが、水中で天然の種々の糖の中から、砂糖の主成分であるスクロースだけを選び、その内部に包み込めることを発見した。また、その内包力はスクロースより人工甘味料（アスパルテームなど）の方が高く、人間の甘味感度と同じ順序であることが分かった。分子カプセルによる初の天然および人工の糖分子の選択的な内包を達成した研究成果であり、生体内の“甘さ”を識別する受容タンパク質（レセプター）の機構解明や新たな“甘さ”分子の合成研究への展開が期待される。

糖類（単糖や二糖など）は複数の水酸基を持つため、水に溶解した際、水分子と多点の水素結合を形成する。そのため他の生体分子に比べて、水中で糖構造を識別することは困難である。これまで人工的な糖レセプターの開発は行われてきたが、その大部分は有機溶媒中に限られ、水中での糖分子の高選択的な内包は達成されていない。本研究では、これまで着目されていない、分子カプセルの持つ「芳香環に囲まれたナノ空間」を利用することで、水中で二糖のスクロースを効率的に内包できることを見出した。その選択性は優れており、天然の他の二糖の混合物中から甘さの強いスクロースのみを内包した。さらに、天然と人工の糖分子に対する内包の競争実験から、人の甘さの感度と同じく、スクラロース>アスパルテーム（ともに人工甘味料）>スクロースの順で分子カプセルに強く内包されることが明らかになった。

これらの研究成果は、京都大学 大学院理学研究科の林重彦教授のグループ（計算化学）との共同研究によるもので、米国科学振興協会（AAAS）のScience Advances誌に、2017年8月25日14時（米国東海岸時間）付けで掲載された。

研究の背景とねらい

タンパク質集合体からなる生体レセプターは、水中で様々な生体分子を識別している。例えば、糖類（グルコースやスクロースなど）は複数の水酸基を持つため、水分子と水素結合^[用語1]を形成し、水中で安定に存在する。それにも関わらず、生体レセプターのポケット空間は、多点の水素結合を巧みに利用することで、特定の糖分子を選択的に包み込むこと（＝内包）ができる（図1a）。一方で、糖分子を識別できる人工的な分子レセプターも、これまで盛んに開発されてきた。しかしながら、その大部分は有機溶媒中でのみ機能し、水中でかつ特定の糖分子のみを内包できる高性能な人工レセプターは未開発であった^[文献1]。そこで本研究では、既報の人工レセプターの設計指針と異なり、芳香環^[用語2]に囲まれた適切な形と大きさのナノ空間を用いることで、CH-π相互作用^[用語3]を駆動力とした、糖分子の選択的な内包が達成できると考えた（図1b）。今回、芳香環に囲まれたナノ空間を持つ分子カプセル1^[文献2,3]が、水中で砂糖の主成分であるスクロース（ショ糖）を高選択的に内包できることを初めて見出した。また、分子カプセルは、天然のスクロースより、より甘みの強い人工甘味料を優先的に内包することも明らかにした。

図1.

（a）水素結合部位を持つ生体ポケット空間と（b）芳香環に囲まれた人工ナノ空間（本研究の戦略）による糖分子の内包の模式図

研究内容

水中でのスクロースの内包：まず、単糖のグルコースやフルクトース（図2a）の内包を検討した。同研究グループが開発した分子カプセル1（図2b、左）は水溶性で、芳香環に囲まれた約1ナノメートルの球状空間を有する。この分子カプセルと単糖を水中、種々の条件で混合したが、それらの内包は観測されなかった。一方、グルコースとフルクトースを連結した二糖のスクロース（2；図2a）を分子カプセル1の水溶液に加え、60 ℃で撹拌したところ、1分子の2が1に高収率で内包された（86%収率；図2b、右）。その溶液の¹H NMRスペクトルでは、-1から2 ppmの領域に、内包された2に由来する特徴的なシグナルが観測された（図2c、上段）。また、ESI-TOF MSスペクトルから、1分子の2の内包が明確に示された（図2c、下段）。NMR滴定実験から、分子カプセルがスクロースを中程度の強度（結合定数 約1,100 M^-1）で内包していることが分かった。

図2.

（a）グルコースとフルクトース、スクロース（2）。（b）分子カプセル1による水中でのスクロースの内包と（c）その¹H NMR（上段）とESI-TOF MSスペクトル（下段）

混合物からの選択的な内包：次に選択性を明らかにするため、内包の競争実験を行った。同じ二糖のスクロース（2）とトレハロースを分子カプセル1の水溶液に混合し、生成物をNMRおよびMSで分析した（図3a）。その結果、分子カプセルは2を100%の選択性で内包することが判明した。また、他の二糖のラクトース、マルトース、セロビオース、ラクツロースとの競争実験でも（図3b）、微細な構造の違いを識別し、2のみが1に内包された。すなわち、分子カプセル1が、スクロースの「人工レセプター」として機能することが明らかになった。スクロース内包体1・2の理論計算による最適化構造から（図3a、右）、2と1の内部空間の形と大きさは合致し、分子間で多点のCH-π相互作用が働くことで、内包の高い選択性が発現したと考えられる。

図3.

（a）分子カプセル1によるスクロース（2）とトレハロースの内包の競争実験。（b）種々の二糖分子の構造と（c）1による人工甘味料と2の内包の順序

人工甘味料の内包：最後に上記と同様な条件で、人工甘味料と天然のスクロース（2）との内包の競争実験を行った。人工甘味料として、2の3つの水酸基が塩素に置換されたスクラロース（3）とジペプチドのアスパルテーム（4）を検討した。それぞれ水中で、分子カプセル1に強く内包され、その順序は3 > 4 >> 2であった（図3c）。この内包の順位は、分子の形と大きさに加えて、その疎水性の度合いが寄与していると考えられる。また、人が感じる分子の“甘さ”は、スクロースを基準にして、3は約600倍で4は約200倍であり^[文献4]、興味深いことに、分子カプセルと同じ感度であることが分かった。

今後の研究展開

上述のように本研究では、人工の分子カプセルを用いて、水中で初の天然のスクロースおよび人工の糖分子（人工甘味料）の選択的な内包を達成した。これらの成果は、分子レベルで未だ解き明かされていない、“甘さ”を識別する生体レセプターの機構の解明や、さらに強く感じる“甘さ”分子の探索や合成研究への展開が期待される。

論文情報

掲載誌 :	Science Advances （Science姉妹誌）
論文タイトル :	A Polyaromatic Nanocapsule as a Sucrose Receptor in Water（水中でスクロースレセプターとして機能する芳香環ナノカプセル）
著者 :	Masahiro Yamashina, Munetaka Akita, Taisuke Hasegawa, Shigehiko Hayashi, Michito Yoshizawa* （山科雅裕、穐田宗隆、長谷川太祐、林 重彦、吉沢道人*）
DOI :	10.1126/sciadv.1701126

要点

• 理論計算と火星隕石の化学分析データの比較から太古の火星大気圧を推定
• 40億年前の火星は地球と同程度（約0.5気圧以上）の厚い大気に覆われていたことが判明
• 40億年前以降に起きた大気量の減少が地球との運命を隔てた可能性を示唆

概要

東京工業大学 地球生命研究所の黒川宏之研究員と千葉工業大学惑星探査研究センターの黒澤耕介研究員らの研究グループは、40億年前の火星が地球と同程度の約0.5気圧以上の厚い大気に覆われていたことを突き止めた。この成果は、火星の磁場消失に伴う大規模な大気流出など、40億年前以降に地球と火星の運命を隔てる環境変動が起きた可能性を示唆している。

火星大気が宇宙空間に流出する過程においては軽い同位体が優先的に失われるため、大気への重い同位体の濃集として記録される。本研究はこの濃集度が大気圧（量）に依存することに着目した。40億年前の火星隕石に記録されていた当時の窒素や希ガスといった大気に選択的に含まれる元素の同位体^[用語1]組成と、本研究で新たに行った理論計算を比較することで、当時の大気圧を推定した。

火星が過去に厚い大気に覆われていたか、および厚い大気に覆われていた期間がどのくらいだったかは惑星科学における重要な謎のひとつであった。

この研究成果は8月24日に欧州科学雑誌「イカロス（Icarus）」オンライン版で公開され、2018年1月1日発行号に掲載される。

研究成果

東工大の黒川研究員らは、40億年前の火星が約0.5気圧以上の厚い大気に覆われていたことを突き止めた（図1）。図の横軸は火星誕生からの時間、縦軸は本研究で明らかになった大気圧の時間変化である。現在の火星は0.006気圧の薄い大気しか持たないが、40億年前の大気圧は地球（1気圧）と同程度であった。この成果は、火星の固有磁場消失に伴う大規模な大気の宇宙空間への流出など、40億年前以降に起きた環境変動が地球と火星の大気の厚さの違いを生んだことを示唆している。

図1.

横軸：火星誕生からの時間、縦軸：大気圧、棒グラフ：現在の大気圧及び本研究で明らかとなった40億年前の大気圧、点線：大気圧の時間変化（予想）。矢印：過去の研究の推定値。Kurokawa et al. (2017) Icarusの図を改変

研究の背景

これまで欧米を中心に数多くの火星探査が行われてきた成果として、火星はかつて温暖で液体の水（海）が存在した時期があった可能性が指摘されてきた。火星を温暖に保つためには厚い大気の温室効果が必要であるが、現在の火星は0.006気圧の薄い大気しか持っていない。黒川研究員らの過去の研究によって、火星誕生から4億年の間に50%以上の水が宇宙空間へ流出したことが突き止められた。一方で、火星がいつ、どのように厚い大気を失ったのかは残された謎であった。

研究の経緯

低重力の火星においては窒素など大気中の元素が宇宙空間に流出していく。この流出過程では軽い同位体が優先的に失われるため、火星大気への重い同位体の濃集として記録される。本研究ではこの濃集度が大気圧（量）に依存することに着目した。過去の研究で報告されていた40億年前の火星隕石に記録されていた当時の大気の窒素とアルゴンの同位体組成と、本研究で新たに行った理論計算を比較することで、当時の大気圧を推定した。

今後の展開

現在、アメリカ航空宇宙局（NASA）の火星探査機「メイブン」によって火星大気の流出現象の観測が行われている。また、2024年に打ち上げが予定されている宇宙航空研究開発機構（JAXA）の火星衛星サンプルリターン機「MMX」でもこの流出現象の観測を行う予定である。これらの探査を通じて、本研究で明らかとなった40億年前の厚い大気が失われた原因を解明できる可能性がある。この研究を通じて、地球や火星など地球型惑星^[用語2]一般の長期環境変動の要因や、生命が存在可能な環境を維持する条件を理解することができると期待している。

論文情報

掲載誌 :	Icarus
論文タイトル :	A Lower Limit of Atmospheric Pressure on Early Mars Inferred from Nitrogen and Argon Isotopic Compositions
著者 :	黒川宏之、黒澤耕介、臼井寛裕
DOI :	10.1016/j.icarus.2017.08.020

• プレスリリース 40億年前の火星は厚い大気に覆われていた ―太古の隕石に刻まれた火星環境の大変動―
• Hiroyuki KUROKAWA 黒川 宏之｜地球生命研究所
• 黒川宏之｜東京工業大学 地球生命研究所（ELSI）
• 臼井寛裕｜東京工業大学 地球生命研究所（ELSI）
• 研究者詳細情報（STAR Search） - 臼井 寛裕 Tomohiro Usui
• TBSテレビ「未来の起源」に地球生命研究所の黒川宏之特別研究員が出演│東工大ニュース
• 火星衛星フォボスとディモスの形成過程を解明―JAXA火星衛星サンプルリターン計画への期待高まる―│東工大ニュース
• 火星の水が失われた歴史を解明－地球と火星の運命はいつどのように分かれたのか－│東工大ニュース
• 地球生命研究所（ELSI）
• 研究成果一覧

要点

• 三角格子量子反強磁性体の磁気励起の全体像を中性子散乱実験で捉えた
• 分数スピン励起などの新概念を示唆する磁気励起を観測
• フラストレーションと量子効果が生む新たな物性研究の進展に期待

概要

東京工業大学の伊藤沙也院生（現千代田化工建設）、栗田伸之助教、田中秀数教授、日本原子力研究開発機構の中島健次研究主席、河村聖子研究副主幹、高エネルギー加速器研究機構の伊藤晋一教授、茨城大学の桑原慶太郎教授、総合科学研究機構の加倉井和久サイエンスコーディネータの研究グループは、量子効果が顕著な三角格子反強磁性体の磁気励起^[用語1]の全体像を中性子散乱^[用語2]実験で初めて捉えた。

研究グループは、三角格子反強磁性体の理想的なモデル物質「アンチモン酸バリウムコバルト（Ba₃CoSb₂O₉）」に着目し、大型単結晶試料を作成、中性子を入射して、散乱中性子のスペクトルを高精度で解析。通常の磁性体で見られる磁気励起とは大きく異なる新奇な磁気励起について詳細を明らかにした。従来の磁気励起の最小単位よりも細かい単位の励起（分数励起）の必要性を示唆する結果となり、フラストレーション^[用語3]（図1）と量子効果が新たな物性研究のフロンティアを開くこと、精密な中性子散乱実験が新奇な電子物性の解明につながることを示す成果となった。

通常の磁性体の磁気励起は、磁気の担い手である電子のスピン^[用語4]が平衡位置のまわりで起こす小さな歳差運動が、波として結晶全体に伝搬する“スピン波理論（図2）”で表される。その一方で、スピンが小さい三角格子反強磁性体では強いフラストレーションと量子力学的効果で、スピン波理論が成立する波長領域は、極めて限定的であることが理論的に知られていた。この研究では、この現象を実証するとともに、磁気励起を統一的に説明する新しい理論の必要性を明確に示した。

この成果は8月10日付けの英国の学術誌「Nature Communications」電子版に掲載された。

背景

磁性体の磁気は電子のスピンによって生じる。絶縁性の磁性体ではこのスピンが磁性原子に局在し、交換相互作用^[用語5]を及ぼし合っている。交換相互作用はスピンを平行（強磁性）、あるいは反平行（反強磁性）にする働きがあるので、多くの磁性体では温度を下げると、スピンが平行に揃った強磁性状態や反平行に揃った反強磁性状態になる。

ところが図1のように、磁性原子が三角形の格子点に位置し、スピン間に反強磁性的な交換相互作用が働く場合には事情が異なる。どれか2つのスピンを反平行に置くと、残りのスピンはどの方向を向いてもエネルギーが変わらないため、安定な配置が決まらない。このような状況をスピンのフラストレーションと呼ぶ。

図3のように、三角格子上にスピンがあり、隣り合うスピン間に反強磁性的な交換相互作用が働く物質は三角格子反強磁性体と呼ばれている。三角格子反強磁性体では、図1に示したような強いフラストレーションがスピン間に働くために基底状態は、従来からよく知られている強磁性状態や反強磁性状態にはならない。そこで量子効果が最も大きいスピンの大きさが1/2の場合の基底状態が問題となった。

1973年に著名なノーベル賞物理学者であるP．W．アンダーソンは、隣接するスピンが磁気を持たない量子力学的一重項状態をとり、一重項をなすスピン対が時間的に変化する“スピン液体”と呼ばれる状態が基底状態になるという理論を提唱した。この理論に端を発してスピン1/2の三角格子反強磁性体の研究が活発化した。長い論争の末、現在のコンセンサスは「基底状態はスピン液体ではなく、図3のような隣り合うスピンが120°をなして妥協した三角スピン状態になる」というものだ。しかしながら、スピンの平均的長さは量子効果によって1/2から大きく縮んでいる。

このような三角スピン状態からの磁気励起の理論研究も活発に行われ、中性子散乱実験のスペクトルの計算もなされた。しかし、基底状態に比べて励起状態の理論は難しく、理論的コンセンサスは極めて限られている。一般に強磁性や反強磁性などの秩序状態からの磁気励起は、図2のようなスピン波になることが知られており、実際に数多くの磁性体で観測されている。これに対してスピン1/2の三角格子反強磁性体では、スピン波理論が成立する波長領域は極めて限定的で、多くの波長領域で励起に必要なエネルギーがスピン波理論の予想を大きく下回ることが知られていた。また、基底状態になることができなかったスピン液体状態の残影が磁気励起に現れ、分散関係^[用語6]に極小を作ることなどが知られていた。これらの実験的検証は、一部に限られており磁気励起の全体像は全く分かっていなかった。

研究の経緯

本研究グループは、三角格子反強磁性体であるBa₃CoSb₂O₉に着目。図4はこの物質の結晶構造である。青い八面体CoO₆の中心に位置する磁性イオンCo²⁺が三角格子を形成している。磁性イオンCo²⁺のスピンの大きさは1/2と小さい。

また、Ba₃CoSb₂O₉では、スピン間に働く交換相互作用がスピンの向きに殆ど依存しない等方的なものである。これはコバルト化合物では例外的だ。スピン1/2の三角格子反強磁性体では、磁化曲線^[用語7]に平坦領域（プラトー）が現れるという巨視的量子効果が理論的に予言されていたが、田中教授らのグループは以前にBa₃CoSb₂O₉に強い磁場を加えることにより、この現象を検証。Ba₃CoSb₂O₉が理想的なスピン1/2の三角格子反強磁性体であることを示している。

研究成果

中性子散乱は、広い波長領域とエネルギー領域の磁気励起を調べる唯一の実験手段である。研究グループは、Ba₃CoSb₂O₉の大型単結晶を作成し、中性子散乱実験を行なった。使用した装置は大強度陽子加速器施設「J-PARC」^[用語8]の物質・生命科学実験施設に設置された冷中性子ディスクチョッパー分光器AMATERAS（アマテラス）で、低エネルギーの励起を高精度に検出できる世界有数の装置だ。

この中性子散乱実験の結果、図6に示した鮮明な励起スペクトルが得られた。理論の予想とは大きく異なり励起スペクトルは3段構造をもっていた。低エネルギーの1段目は、明瞭な分散関係をもった単一マグノン励起からなる。この物質は、K点近傍では白い実線で表されたスピン波理論による分散関係と一致しているが、K点から離れると励起エネルギーはスピン波理論に比べて大きく低下する。

また、M点でスピン液体に特徴的なスピン1/2の励起（スピノン）の束縛状態と解釈されている極小が明瞭に見られる特徴があった。これらは最近の理論と定性的に一致する。励起スペクトルの大きな特徴は2段目と3段目を構成する強い連続的な励起だ。この連続励起は交換相互作用の大きさの6倍以上の高エネルギーまで続いていて、現在の理論では説明できない。このような強い連続励起が現れる1つの可能性として、分数スピン（1/2、 1/3、1/4…）をもった励起の合成によって全体の磁気励起が構成されていることが考えられる。スピン1/2のスピノン励起は1次元反強磁性体で確認されているが、その他の系では観測されていない。今回、スピン1/2の三角格子反強磁性体の磁気励起の全体像が明らかになった。しかし、得られた励起スペクトルは現在の理論では説明できず、これを説明するためには、分数スピン励起など、新概念が必要となる。

今後の展開

多くの磁性体の磁気励起はスピン波で表されることが知られている。しかし、この研究によってフラストレーションと量子効果が強い三角格子反強磁性体の磁気励起はスピン波では説明できず“分数スピン励起”などの新しい磁気励起の概念が必要であることが分かった。また、スピン液体に関連すると考えられる励起が存在することも分かった。今回の成果は、フラストレーションの強い量子磁性体の研究の活発化をもたらすと期待される。

純良単結晶を用いた精密な中性子散乱実験から今後も多くの新しい現象が発見され、物性研究のフロンティアが拓かれていくものと考えられる。今回はゼロ磁場での実験だったが、磁場中での励起スペクトルの変化は磁気励起の解明につながるヒントを与えてくれる可能性があり、今後、磁場中での中性子散乱実験が重要となる。

論文情報

掲載誌 :	Nature Communications 8 (2017) 235
論文タイトル :	Structure of the magnetic excitations in the spin-1/2 triangular-lattice Heisenberg antiferromagnet Ba3CoSb2O9
著者 :	S. Ito, N. Kurita, H. Tanaka, S. Ohira-Kawamura, K. Nakajima, S. Itoh, K. Kuwahara and K. Kakurai
DOI :	10.1038/s41467-017-00316-x

• プレスリリース フラストレーションと量子効果が織りなす新奇な磁気励起の全体像を中性子散乱で観測―新しい磁気理論の指針を提示―
• 強磁場実験で磁気の量子力学的発生過程を検証｜東工大ニュース
• 研究者詳細情報（STAR Search） - 田中 秀数 Hidekazu Tanaka
• 研究者詳細情報（STAR Search） - 栗田 伸之 Nobuyuki Kurita
• 理学院 物理学系
• 研究成果一覧

本学の物質理工学院 材料系の坂井悦郎特任教授が関わるECM共同研究開発チーム^※および国立研究開発法人 新エネルギー・産業技術総合開発機構（以下NEDO）は、科学技術イノベーションに係る産学官連携活動における大きな成果を称えることを目的として内閣府が主催する「第15回 産学官連携功労者表彰」において、国土交通大臣賞を受賞しました。

今般の受賞では、NEDOの助成のもと、「ECM®（エネルギー・CO₂ミニマム）セメント・コンクリートシステム」を開発し、本学とセメント製造4社が持つセメント設計技術と、ゼネコン2社と混和剤製造1社が持つ建設技術とを、綿密に連携したオープンイノベーションにより融合・進化させ、環境と品質のバランスに優れた低炭素型セメントとその利用技術の実用化に成功した点が評価されました。

※

株式会社竹中工務店、鹿島建設株式会社、国立大学法人 東京工業大学、日鉄住金高炉セメント株式会社、株式会社デイ・シイ、太平洋セメント株式会社、日鉄住金セメント株式会社、竹本油脂株式会社

開発の背景

コンクリートの主要な材料であるセメント（普通ポルトランドセメント）は、製造時に石灰石などの原料を高温で焼成するため、多くのエネルギーを必要とするほか、大量のCO₂が発生します。セメントの製造にかかるCO₂排出量は我が国全体の3％強を占めていることから、セメント製造に係る低炭素化が重要な課題といえます。

ECMセメント・コンクリートシステムの概要

「ECMセメント」は、セメントの6～7割を、鉄鋼製造の副産物である高炉スラグ^※の微粉末に置き換えることで、材料製造時のエネルギー消費量とCO₂排出量を大幅に削減するものです。本学とゼネコン・メーカー7社の共同研究により、セメントの材料成分・構成の最適化や、新規の化学混和剤の開発を行い、構造物への適用に向けてのコンクリート・地盤改良技術を開発し、従来の品質・性能上の課題を解決しました。

※

高炉スラグは、製鉄所の溶鉱炉で銑鉄を作る際の副産物で、溶融して出てくる鉄以外の成分を水で急冷したものです。

坂井悦郎特任教授 コメント

• 産学官連携｜内閣府
• 東工大を含むECM共同研究開発チームが2016年日経地球環境技術賞優秀賞を受賞｜東工大ニュース
• 東工大が第25回地球環境大賞を受賞｜東工大ニュース
• 研究者詳細情報（STAR Search） - 坂井悦郎 Etsuo Sakai

概要

国立研究開発法人 海洋研究開発機構（理事長 平朝彦）地球内部物質循環研究分野の西澤達治研究生(東京工業大学 大学院理工学研究科 博士後期課程)、中村仁美研究員（東京工業大学 理学院 特別研究員）、岩森光分野長（東京工業大学 理学院 特定教授）らと国立大学法人 東京工業大学（学長 三島良直）は、ロシア科学アカデミー、産業総合研究所、千葉工業大学、東京大学と共同で、カムチャッカ島北東部の海岸沿いの地域を調査し、採取した溶岩試料の分析等を行った結果、太平洋プレートと共に沈み込んだ天皇海山列延長部分の熱的、化学的影響により、通常では火山活動が起こりえない海溝に近い場所で、多様かつ特殊な組成を示す火山活動が起こったことを明らかにしました。

カムチャッカ半島に沈み込みつつある天皇海山列は、火山活動を停止してからの時間は長いものの、海山をとりまく周囲のプレートよりも温かいことが分かっていましたが、その沈み込みがカムチャッカ半島の火山活動にどのような影響を及ぼすかは不明でした。今回の分析等の結果により、沈み込み後に、その熱的異常及び海山変形・崩壊による割れ目の発達に伴い、ケイ素に富む流体が、通常ではマグマの生成されない比較的海溝に近い地域（前弧域）に一時的に供給されたと推定されました。また、この流体により、地下の岩石が変質作用を受け、局所的に組成が異なるマントル岩石（マグマを生んだ源岩）が溶融することで、一時的に多様で特徴的なマグマ（安山岩質でありながら高いニッケルやマグネシウムを含むマグマ）が生じたことが明らかになりました。

これは、「海山の沈み込みにより、通常ではマグマを生じない地域にも火山が形成される可能性がある」ことを意味します。日本列島においても複数の海山が沈み込んでおり、これまで海山と地震発生との関わりが指摘されていました。本研究は、沈み込んだ海山が火山活動にも影響を及ぼしうることを示しており、日本列島の変動現象を理解する上でも重要な知見です。

本研究は、独立行政法人日本学術振興会（JSPS）とロシア基礎研究基金（RFBR）との二国間交流事業（共同研究）による支援を得たものです。また、科研費JP26247091、JP26109006の助成を受けて実施されたものです。

なお、本成果は、英科学誌「Scientific Reports」に9月14日付け（日本時間）で掲載されました。

背景

海洋プレートは、海底を構成する厚く硬い岩盤で、プレート運動により移動して最終的には海溝へ沈み込みます。そして、海洋プレートが深度100 km～150 km付近まで沈み込むと海水等（以下「スラブ起源流体」という。）の放出現象が起こり、スラブ起源流体の化学的効果により岩石の融点が低下することでマグマや火山が生じます。日本列島においても、その下に太平洋プレートが沈み込むことで顕著な火山帯を形成しています。

一方、千島弧の北方延長上に位置するカムチャッカ半島（図1）では、太平洋プレートとともに海山が沈み込んでいます。また、深度60 km～80 km付近では単性火山群^[用語1]（East Cone Volcanic Group、以下「EC」という。）と呼ばれる「特異な火山」が存在していますが、なぜ通常よりも浅部で火山が存在するのか、その理由は明らかではありませんでした。

そこで本研究では、なぜこの地域に「特異な火山」ができたのかを解き明かすため、ECのうち8つの火山から18の新鮮な溶岩試料を採取し（図1）、電子顕微鏡、質量分析計等を用いて、岩石記載、各種組成分析及び年代測定を行いました。さらに、得られた組成を元にした数理解析から、定量的な溶融条件の推定とマグマを生んだ源岩の組成の特定を行いました。

成果

年代測定により、ECの火山活動は73～12万年前（中期～後期更新世）に起こった一過性のものであったことを明らかにしました。また、EC溶岩の化学組成・同位体比分析の結果、沈み込んだと考えられる海山から放出されたスラブ起源流体がこれらのマグマを生み出したことが分かりました。さらに、EC溶岩に含まれるケイ素（Si）、マグネシウム（Mg）、アルミニウム（Al）の量は多様であること、及び沈み込み帯では最高記録となる6,300ppmものニッケル（Ni）を含むカンラン石結晶が溶岩中にみられること（図2）から、図3に示すような物質の循環、特にSiに富むスラブ起源流体（結果として高いNiを含むカンラン石結晶を生む）が存在することが分かりました。

次に述べるように、沈み込んだ海山周辺は温かったと考えられること、及び図3に示した流体発生と物質移動の痕跡を踏まえると、温められた海山が沈み込んでいくことにより、比較的浅所（深さ60 km～80 km付近）で海山由来のスラブ起源流体が発生し、本来マグマのできない場所に「特異な火山」を形成したと考えられます。カムチャッカ半島に沈み込む天皇海山列沿いの太平洋プレートは、周囲に比べ薄く、更に沈み込む直前に深部からの温かいマントル上昇流（プルーム）によって加熱されていたため（図3）、そのような温かくて薄いプレートが沈み込んだ後、比較的浅所（深さ60 km～80 km）で脱水が起こりました（通常は深さ100～150 kmで脱水）。また、海山が変形・崩壊し、割れ目を通してスラブ起源流体が上昇しました（図3）。海山が比較的温かいため、スラブ起源流体はSiに富み（図3-1）、それがマントルのカンラン岩（マグマを生んだ源岩）と反応して斜方輝石とよばれる鉱物を生成します（図3-2）。斜方輝石に富むマントル岩石が融けると、高いNi含有量のマグマを生じ、これが沈み込み帯で最高記録のNi量を示すカンラン石結晶（図3-3）を含む溶岩として噴出しました（図3-4）。このように、海山の沈み込みによる熱的・化学的影響によって、通常は火山ができない前弧域に多様な島弧マグマが同時期に形成したと考えられます。

図2.

EC溶岩（青丸＝比較的MgとSiの多い溶岩[高Mg安山岩]、十字=Mgが多く比較的Siの少ない溶岩[玄武岩]）に含まれるカンラン石のマグネシウムと鉄の含有比（Fo）とNi含有量（ppm）。これまで沈み込み帯の溶岩から報告されている中でNi含有量は最高値（6,300ppm）を示す。

今後の展望

日本列島の沈み込みプレート境界（日本海溝や南海トラフ）には、複数の海山やかつての火山列が沈み込んでいます。本研究成果は、これまで火山はできないと考えられていた地域（例えば前弧域）にマグマ活動が起こる可能性を示しています。また、プレート境界型の地震は、沈み込んだ海山との関連性も指摘されていることから、今後は、マグマの物質科学的な研究、地下構造探査、温度構造推定、スラブ起源流体分布の把握等を統合して、沈み込む海山や火山列が、日本列島の火山や地震活動等に与える影響を評価していく必要があります。

論文情報

掲載誌 :	Scientific Reports
論文タイトル :	Genesis of ultra-high-Ni olivine in high-Mg andesite lava triggered by seamount subduction
著者 :	西澤達治1,2、中村仁美1,2,3、Churikova Tatiana4、Gordeychik Boris5、石塚治6,7、原口悟2、宮崎隆2、Vaglarov Bogdan Stefanov2、常青2、浜田盛久2、木村純一2、上木健太8、遠山知亜紀6、中尾篤史8、岩森光1,2
所属 :	1東京工業大学 大学院理工学研究科 地球惑星科学専攻 2海洋研究開発機構 地球内部物質循環研究分野 3千葉工業大学 次世代海洋資源研究センター 4ロシア科学アカデミー 極東支部火山地震研究所 5ロシア科学アカデミー 実験鉱物学研究所 6産業総合研究所 地質調査総合センター 7海洋研究開発機構 海洋掘削科学研究開発センター 8東京大学 地震研究所
DOI :	10.1038/s41598-017-10276-3

• プレスリリース 沈み込んだ海山が引き起こした予期せぬ火山活動
• 深海底のレアアース資源の生成条件を新たなデータ科学的手法により解明｜東工大ニュース
• 研究者詳細情報（STAR Search） - 岩森 光 Hikaru Iwamori
• 理学院 地球惑星科学系
• 研究成果一覧

東邦大学医療センター大森病院 呼吸器内科 高井雄二郎准教授と東京工業大学 工学院 システム制御系 塚越秀行准教授の研究チームは、1本の極細構造のチューブ内に流体圧を印加することにより、ミミズのような蠕動（ぜんどう）運動を生成する仕組み（Mono-line Drive）を開発しました。

この仕組みを用いることによって、将来、気管支内を自走して肺内の目標の病変まで自動的にたどりつき、病変の採取や治療が行えるオートガイド・ロボットの開発を目指します。

この研究成果は2017年5月10日（水）～13日（土）に開催された「ロボティクス・メカトロニクス 講演会 - 2017 in Fukushima」で発表され、特許2件を出願しています（特願2016-024614、特願2017-092605）。

背景

肺がんを代表とする呼吸器疾患において、診断および治療の精度を高めるためには、肺内病変の生体検査が不可欠です。現在は気管支鏡検査による用手的生検を行っていますが、気管支の分岐が末梢に行くほど多岐かつ細くなるため、それを確実に選択し推進する微細な移動調整が難しいという課題があります。施行医による技術差もあり、確実に病変に生検鉗子を到達させることが難しく、診断精度が十分とは言えません。

Mono-line Driveについて

気管支内視鏡で十分な検査を行うためには、肺内の目標まで確実に到達させることのできる器具と仕組みの開発が必要ですが、そのために克服すべき課題とされているのが、極細で分岐が多岐に渡る気管支内でも生検鉗子を確実に目標に進められる仕組みでした。

今回開発したMono-line Driveは、1本のチューブ内への加減圧だけで複数のチャンバーに進行波を生成するように設計されており、これにより、気管支のような極細な構造の中を蠕動（ぜんどう）運動で進むことが可能となりました。Mono-line Driveには、推進方向を選択するための湾曲機能や、管路径の変化に適応するための屈曲推進機能も搭載されており、気管支モデルを用いてこれらの有効性を確認しました。

図1. Mono-line Driveの動作原理

図2.分岐部での方向操舵

図3. 気管支モデル内の搬送実験

今後の展開

推進可能な分岐確度の拡大や、カメラ等を搭載し気管支内部の情報収集等を行い、生体検査や治療に活用できる機能の開発と、器具の実用化を目指します。

この研究成果は2017年5月10日（水）～13日（土）に開催された「ロボティクス・メカトロニクス 講演会 - 2017 in Fukushima」で発表され、特許2件を出願しています（特願2016-024614、特願2017-092605）。

• プレスリリース 気管支内の診断精度向上を目指して ―東邦大学と東京工業大学の研究チームが共同で自走式カテーテルを開発―
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数原子からなる白金クラスター触媒の大量合成に成功
―従来よりも1,000倍以上の効率で―

要点

• 環状の白金錯体を利用して白金原子数5から12の原子数のクラスター担持触媒をミリグラムオーダーで合成することに成功（フラスコスケールの有機合成反応に初めて適用）
• この白金クラスターは再利用可能な触媒として活用できる可能性がある
• 少し大きいナノ粒子と比べ、数原子のクラスターは興味深い挙動を示す

概要

東京工業大学 科学技術創成研究院 化学生命科学研究所の今岡享稔准教授、山元公寿教授らの研究グループは、原子数が明確な白金クラスター^[用語1]をカーボンに担持した触媒をミリグラムオーダーで合成することに成功した。これまで構成原子数が明確な単分散クラスターの合成は、気相合成と質量分別を組み合わせるのが唯一の方法だった。本研究では原子数が明確な白金多核錯体を前駆体として用いる化学的手法で、従来法と同等の製造精度で1,000倍以上の大量合成を実現している。この触媒はスチレンの水素化反応に対して高い活性を有しており、触媒として再利用することも可能であることが確かめられた。これは原子レベルで単分散した金属クラスターを数ミリグラム程度のフラスコスケールの触媒反応に応用した初めての例になる。本成果は、2017年9月25日付の英科学雑誌Nature Publishing Groupの「Nature Communications」オンライン版に掲載された。

研究の背景

サブナノメートルサイズの金属クラスター（金属サブナノ粒子）はナノ粒子とは大きく異なる性質を持っていることが知られており、特にその触媒機能については活性と選択性が特異的で、注目されている。例えば白金サブナノ粒子は、プロパンの脱水素化反応がバルクの白金表面に比べて40～100倍の活性となったり、燃料電池の酸素還元反応が10倍以上の質量活性になるなどが知られている。しかし、金属クラスターの構成原子数が1つ変化するだけでその特性が大きく変化するため、クラスター触媒の特性を十分に引き出すためには、1原子のずれも許されない高い精度と単分散性が必要とされる。

クラスター触媒の多くはカーボンや酸化物などの担体上に担持された状態で、不均一系触媒として用いられるが、原子レベルの精度でこれらを得る方法はこれまで気相合成法^[用語2]しかなく、合成量はわずかだった。

今回の研究は、従来の気相合成とは全く異なる化学的なアプローチで、スケールアップの限界という根本的な問題解決に取り組んだものである。その結果、白金5～12原子からなる各種クラスターを選択的にミリグラム（mg）スケールで合成することに成功した。

研究成果

今回、原子数が明確な白金クラスターを合成するための原料（前駆体）として白金多核錯体^[用語3]に注目した。白金多核錯体はこれまで無数の構造が報告されているが、同一の基本構造を持ちながら、核数が1つずつ異なるバリエーションをすべて構築できるものは存在しなかった。一方、同族のニッケル（Ni）やパラジウム（Pd）では、チオラートと呼ばれる硫黄系の架橋配位子を含む環状錯体がすでに存在しており、その核数は5から12程度まで様々なものが報告されている。白金（Pt）でも同様の構造ができると考え、合成と精製条件を検討したところ、サイズ排除クロマトグラフィー（SEC）を用いることで5核から12核までのすべての純粋な環状白金チオラート錯体を単離精製することに成功した（図1）。

図1.

白金クラスター合成の（原料として用いた白金多核錯体の構造（左上）とその分離のHPLCチャート（左下）、単離した錯体の質量スペクトル（MALDI-TOF-MS）（左）

得られた各種白金錯体を原料として、その核数を完全に維持した状態で担体（カーボン）上に各種白金クラスター（Pt₅～Pt₁₂）を生成する方法を突き止めた。得られたクラスターの解析は主に原子分解能の走査型透過電子顕微鏡 （STEM）^[用語4]を用いることで行い、各クラスターの構成原子数を直接観察し、大部分で原子数が設計どおり保持されていることが確認できた（図2）。その挙動は大変興味深く、粒径の比較的大きな（～2nm）ナノ粒子とは違い、非常に流動的なものであった。

図2.

8原子の白金からなるクラスターPt₈の合成模式図と得られたクラスター担持カーボンの暗視野STEM像（上段）。同様の方法で核数の異なる各種白金錯体から得られたクラスター（Pt₅～Pt₁₂）それぞれの原子像（STEM）。原子配置は絶えず変化しており、決まった形に固定されていない（下段）。

各種の白金クラスター（Pt₅～Pt₁₂）を用いて、フラスコスケールでの有機合成反応のモデル実験を行なったところ、スチレンの水素化反応で明確な活性が認められた。なかでも10個の白金原子からなるPt₁₀は他のものよりも高い活性を示した（図3）。金属クラスター触媒は一般に耐久性が低く、実用に足らないと考えられがちであるが、Pt₁₀は反応後も多くが担体上に残留しており、再利用の可能性が高まった。

図3.

各種白金クラスターを触媒として用いた際のスチレンの水素化反応における触媒回転数の時間経過。

今後の展開

本研究で開発した金属クラスターの単原子精度での合成法は、従来の気相合成法に対して、桁違いに大きなスケールで行うことができ、原理的にはグラム（g）スケール以上で行うことも可能となる。触媒のみならず、磁気記録やエレクトロニクスデバイスなど、金属クラスターで期待されている応用展開を進める上で極めて重要な成果といえる。

今回の成果は白金（Pt）に特化したものであるが、この手法は白金のみならず様々な金属に適用することが可能であり、金属クラスター科学の発展の起爆剤になると期待される。

論文情報

掲載誌 :	Nature Communications （Nature Publishing Group）
論文タイトル :	Platinum clusters with precise numbers of atoms for preparative-scale catalysis
著者 :	Takane Imaoka, Yuki Akanuma, Naoki Haruta, Shogo Tsuchiya, Kentaro Ishihara, Takeshi Okayasu, Wang-Jae Chun, Masaki Takahashi, Kimihisa Yamamoto
DOI :	10.1038/s41467-017-00800-4

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本研究成果のポイント

• 電子・光電材料として期待されるグラフェン内の電子移動を高時間・空間分解能（フェムト秒とナノメートル）で初めて観測
• これにより、電子の動きとナノ構造の関係を明らかに
• 素子開発に役立つ欠陥情報の提供など、グラフェンの新規特性評価手法の開拓

概要

高エネルギー加速器研究機構（KEK） 物質構造科学研究所の福本恵紀特任助教は、東京工業大学 理学院 化学系の腰原伸也教授、フランス国立科学研究センター（CNRS）、ピエール アンド マリー キュリー大学のMohamed Boutchich准教授らと共同で、グラフェン内の超高速な電子の動きが場所ごとに異なることを世界で初めて観測した。

理想的なグラフェンは炭素原子1層の厚さをもつ二次元物質であり、高速デバイスなどへの応用が期待されている。しかし実際に作成されるグラフェンの構造はナノスケールで不均一なため、その構造の違いが電子の運動に影響を与えると予測されている。グラフェンの実用化のためには、デバイスの動作を阻害する構造、また高性能化に利用できる構造を明確にする必要がある。

本研究では、一般的に使われている方法で作成されたグラフェンの結晶構造の違いに由来した電子輸送特性の観察に成功した。具体的には、ラマン顕微鏡^[用語1]を用いて局所的な結晶構造から電子状態を計算し、同じ試料の同じ場所を独自に開発したフェムト秒時間分解光電子顕微鏡法（TR-PEEM）^[用語2]で観察することで、構造と電子輸送特性を直接関連付ける結果を得た。

この研究成果は、オランダの科学誌「Carbon（カーボン）」に8月21日オンライン速報版で公開された。

背景

ハチの巣状に配列した炭素原子のシートであるグラフェンは、人類が初めて目にした原子1層の厚さしかない完全な二次元物質であり、材料としての性能も優れている。グラフェンは非常に高い熱伝導度を持ち、機械的に強靭であり、化学的にも安定な物質である。また、特に高い電気伝導度を持つなど電気特性に優れている。グラフェンはエネルギーバンド構造が特異であり、グラフェン内では電子がケイ素内での約100倍の早さで移動できることから、高速トランジスタなど高速動作する記録媒体への応用が期待されている。

低コストで大面積のグラフェンが作成できるため最も一般的に使われている化学気相成長（CVD）法^[用語3]では、グラフェンが局所的に2層になったり、1層目と2層目が異なる角度で重なったり、構造が不均一になることが知られている（図1（a））。グラフェンの不均一な構造がエネルギーバンド構造に影響し、電子の輸送特性に影響することは理論的に予想されている。しかし、高い時間・空間分解能で電子の動きを観察する手段が限られているため、ナノスケールの局所的な構造欠陥と電子の超高速輸送特性の関連性は明白にされていなかった。

研究グループは、この研究に先立って100フェムト秒（1フェムト秒は1,000兆分の1秒）の時間スケールとナノメートル（1ナノメートルは10億分の1メートル）の空間スケールで電子の動きが観察できる特殊な装置 TR-PEEMを開発しており、これをCVD法で作られたグラフェンに適用しようと考えた。

研究内容と成果

ラマン分光法では、スペクトル形状から、グラフェンが1層なのか、2層なのかを判別し、また、1層目と2層目の間の回転角度を推測することができる。図2（b）は、CVD法により作成されたグラフェンをラマン顕微鏡で観察した構造マップである。大部分を占める茶色の領域は1層の領域で、A、B、Cでマークした領域は2層グラフェンであり、色の違いが層間の回転角度を表す。これに従い、エネルギーバンド構造を計算し、それらを反映した光電子放出強度によりPEEM像（図2（a））が得られた。2層領域からの光電子放出強度は小さく、暗いグレイスケールで表現されている。TR-PEEM法により、これらの領域を区別して、光吸収により生成した電子が「伝導電子として存在できる時間（寿命）」を観測し、「寿命」が1層領域と2層領域とで異なることを世界で初めて確認した。これは構造と電子輸送特性を直接関連付ける結果であり、グラフェンの電子状態の制御、つまり電子の動きの制御を進展させる成果である。

なお、この研究は、科学技術振興機構（JST）の戦略的創造研究推進事業 CREST 「光技術が先導する臨界的非平衡物質開拓」、日本学術振興会 科学研究費助成事業 若手研究（B）（No.15K17677）、及び、JSTのACCEL フィージビリティスタディ「ナノスケール・フェムト秒電子ダイナミクス直接観察装置開発と光電子材料開拓手法の革新」の助成により行われた。

本研究の意義、今後への期待

これまでの半導体材料、および素子の開発は「欠陥特性をいかに制御できるかの研究」と言い換えることができる。低コストで大口径の半導体基板を作成すれば欠陥が多くなり品質低下をまねき、逆に高品質で作成すればコストの問題が発生する。また、欠陥を積極的に利用する半導体デバイスもある。グラフェンは優れた性能をもつ材料でメモリや光検出器、レーザー媒体などへの応用が期待されているが、依然として作成単価が高額であり、幅広い普及には至っていない。つまり「欠陥の制御」ができていないと言える。

本研究では、グラフェンの不均一な構造の特性を特定し、電子デバイスの性能を決定する電子輸送特性を直接評価することに成功した。構造と電子輸送特性の直接対比が可能であることを証明した本研究成果は、今後のグラフェン素子作成の重要なツールとなりうる。

本研究で使用したTR-PEEMは、図1（a）のように空間的に不均一な試料における電子が面内方向に伝搬する過程の可視化が可能であり、局所的な電子移動速度を見積もることができる。TR-PEEMを電子・光電デバイス性能評価の技術として確立することが今後の展望のひとつである。

参考図

図1.

（a）グラフェンの模式図。本研究で測定したCVD法で作成したグラフェンは、1原子層の炭素シート（オレンジ領域）に2層領域（赤と青）が点在する。赤と青の違いは、1層目と2層目の面内回転角度が異なることを示す。

（b）、（c）時間分解光電子顕微鏡（TR-PEEM）による測定結果。光吸収により生成した電子が伝導電子として存在できる時間（寿命）が局所的に異なる。1層領域より2層領域の方が寿命が長い。

図2.

（a）PEEMと（b）ラマン顕微鏡によるグラフェン表面観察像。（b）において、大部分を占める茶色の領域はグラフェン1層領域。A、B、Cでマークしたカラースケールの異なる領域は2層領域であり、色の違いは1層目と2層目の回転角度に依存したラマン強度を表す。2層領域は、コントラストは弱いがPEEM像でも確認できる。

この研究では、緑四角で囲んだ1層領域とA、B、Cでマークした2層領域の寿命をTR-PEEM法で観測し比較した。

論文情報

掲載誌 :	Carbon 8月号（オンライン版8月21日）
論文タイトル :	Ultrafast electron dynamics in twisted graphene by femtosecond photoemission electron microscopy（フェムト秒光電子顕微鏡によるねじれた層状グラフェンの超高速電子ダイナミクス観察）
著者 :	Keiki Fukumoto, Mohamed Boutchich, Hakim Arezki, Ken Sakurai, Daniela Di Felice, Yannick J. Dappe, Ken Onda, Shin-ya Koshihara
DOI :	10.1016/j.carbon.2017.08.032

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