北陸先端科学技術大学院大学
マテリアルサイエンス

先端科学技術研究科の桶葭准教授が文部科学大臣表彰 若手科学者賞受賞

　北陸先端科学技術大学院大学（学長・寺野稔、石川県能美市）先端科学技術研究科 環境・エネルギー領域の桶葭 興資（おけよし　こうすけ）准教授が、令和３年度科学技術分野の文部科学大臣表彰 若手科学者賞を受賞することが決定し、文部科学省から4月6日に発表されました。

　＊文部科学省の発表はこちら

　文部科学大臣表彰とは、科学技術に関する研究開発、理解増進等において顕著な成果を収めた者について、その功績を讃え贈られるものです。
　今回の受賞は、桶葭准教授の下記の業績が評価されたことによります。

若手科学者賞
■受賞者　先端科学技術研究科　准教授　桶葭 興資

■業績名 「水と共生する生体模倣高分子材料に関する研究」

【主要論文】
・「Polymeric design for electron transfer in photoinduced hydrogen generation through coil-globule transition.」Angewandte Chemie International Edition 58, 7304 (2019).
・「Emergence of polysaccharide membrane walls through macro-space partitioning via interfacial instability.」Scientific Reports 7, 5615 (2017).

令和3年4月6日

　環境・エネルギー領域の桶葭 興資准教授が提案した研究課題が、科学技術振興機構（JST）の2020年度「創発的研究支援事業」に採択されました。

　「創発的研究支援事業」は、多様性と融合によって破壊的イノベーションにつながるシーズの創出を目指す「創発的研究」を推進するため、既存の枠組みにとらわれない自由で挑戦的・融合的な多様な研究を、研究者が研究に専念できる環境を確保しつつ原則7年間（途中ステージゲート審査を挟む、最大10年間）にわたり長期的に支援するものです。

　採択後は研究者の裁量を最大限に確保し、各研究者が所属する大学等の研究機関支援の下で、創発的研究の遂行にふさわしい適切な研究環境が確保されることを目指します。また、創発的研究を促進するため、個人研究者のメンタリング等を行うプログラムオフィサーの下、個人研究者の能力や発想を組み合わせる「創発の場」を設けることで、創造的・融合的な成果に結びつける取組を推進します。

*詳しくは、JSTホームページをご覧ください。

【研究者名】
　環境・エネルギー領域　桶葭 興資 准教授

■研究課題名
　DRY & WET：界面分割法による多糖の再組織化技術

■研究概要
　本研究では多糖の再組織化技術の確立を目指し、独自に見出した「界面分割法」によって物質拡散やエネルギーの方向制御材料を創製します。特に、水との歴史が長い生体高分子「多糖」に着目し、乾燥環境下で形成する幾何学パターンについて系統的に探求するとともに、階層的な秩序化法則を解明します。21世紀のネイチャーテクノロジーを創発するためにも、材料工学、物理、化学、および数理の観点から挑戦します。

令和3年2月3日

　学生の槇 恒さん(博士後期課程1年、環境・エネルギー領域、水田研究室)が日本電子材料技術協会の第57回秋期講演大会において最優秀賞を受賞しました。

　日本電子材料技術協会は、電子、通信、計測およびこれらに関連する機器と部品の材料に関する技術の調査・研究を行い、技術水準の向上普及をはかることにより、わが国の工業および経済の発展に寄与することを目的とし、産学協同によるユニ－クな技術団体として、新材料の開発、技術の向上、利用範囲の拡大、開拓のために活動を続けています。

*参考：日本電子材料技術協会
　　　 第57回秋期講演大会

■受賞年月日
　令和2年12月4日

■研究題目、タイトル等
　においセンサ実現に向けた高感度グラフェンガスセンサの開発

■研究者、著者　※(　　)は所属
　◎槇　恒（太陽誘電株式会社、本学）
　G. Agbonlahor、宮下　博也、M. Muruganathan、水田　博（本学）
　恩田　陽介、服部　将志、下舞　賢一（太陽誘電株式会社）

■受賞対象となった研究の内容
　においセンサシステム開発を目的とした超高感度グラフェンセンサの開発に関し、質量検出型と抵抗変化型のグラフェンセンサについての原理検証、及びppt.（parts per trillion; １兆分の１）レベル検出感度の実現に成功した。

■受賞にあたって一言
　グラフェンを利用した超高感度においセンサ実現に向けた我々の共同研究を、このように高く評価していただけた事を大変嬉しく思います。

令和2年12月24日

　学生の森田 裕貴さん(博士前期課程2年、環境・エネルギー領域、金子研究室)が2020年度日本化学会北陸地区講演会と研究発表会において優秀ポスター賞を受賞しました。

　日本化学会北陸地区講演会と研究発表会は、幅広い分野における化学を基軸として研究を展開する研究者らの学術交流として、毎年、秋に、金沢大学、福井大学、富山大学、本学のいずれかの大学にて開催されています。この学会は著名な研究者による特別講演のほか、ポスター発表があり、例年200～300名の研究者が参加しています。
　このうち、ポスター発表では、特に優れた発表を行った学生に対しポスター賞が授与されます。
　本年は、コロナ禍の影響でオンライン開催でしたが、ディスプレイ越しでも活発な研究ディスカッションが行われました。

■受賞年月日
　令和2年11月26日

■発表題目
　側鎖にクラウンエーテルを有するバイオベースポリイミドの合成

■発表者名
　森田裕貴、高田健司、金子達雄

■研究概要
　これまでに報告された微生物産生物質、4-アミノ桂皮酸を原料としたバイオベースポリイミドは非常に高い熱力学物性を示したが、側鎖への化学修飾による機能化が困難であった。本研究ではモノマーである4-アミノ桂皮酸光二量体への化学修飾を検討し、一例として側鎖にクラウンエーテルを導入したバイオベースポリイミドの合成および物性評価、機能化を行った。その結果、バイオベースポリイミド側鎖への化学修飾の反応条件を見出した。本研究の達成により、新規機能性材料としてのバイオベースポリイミドの応用範囲を拡大することが可能となった。

■受賞にあたって一言
　この度は、2020年度北陸地区講演会と研究発表会におきまして、このような賞をいただけたことを大変光栄に思います。本研究の遂行にあたり、厳格かつ熱心にご指導を頂きました金子達雄教授、高田健司特任助教にこの場をお借りして心より御礼を申し上げます。さらに、多くのご助言をいただきました研究室のメンバーおよびスタッフの方々に深く感謝いたします。

令和2年12月14日

　学生の中村 航大さん（博士前期課程1年、環境・エネルギー領域、大平研究室）が令和2年度応用物理学会 北陸・信越支部学術講演会において発表奨励賞を受賞しました。

　応用物理学会は、半導体、光・量子エレクトロニクス、新素材など、工学と物理学の接点にある最先端課題、学際的なテーマに次々と取り組みながら活発な学術活動を続けています。
　北陸・信越支部発表奨励賞は、応用物理学会北陸・信越支部が開催する学術講演会において、応用物理学の発展に貢献しうる優秀な一般講演論文を発表した若手支部会員に対し、その功績を称えることを目的として授与されるものです。
　今回、令和2年度応用物理学会北陸・信越支部学術講演会は、11月28日にオンラインで開催されました。

■受賞年月日
　令和2年11月28日

■発表題目
　封止材無しn型フロントエミッタ型結晶Si太陽電池モジュールの電圧誘起劣化

■講演の概要
　近年、太陽光発電システムの導入が急増しているが、そのほとんどは、モジュールに封止材を有している。封止材を有した結晶シリコン(c-Si)太陽電池モジュールは、いくつか問題点があり、その一つである電圧誘起劣化(PID)は、太陽電池モジュールのアルミフレームとセル間の電位差に起因して性能が低下する現象である。PIDは、Na⁺侵入や電荷蓄積が封止材を経由して起きるため、封止材を無くせばこの問題は解決できると考えられる。本研究では、今後の普及が期待される、n型c-Siを基板に用い、光入射側にp型エミッタ層があるn型フロントエミッタ型c-Si太陽電池モジュールを作製し、封止材の有無がPIDにおよぼす影響を調査した。封止材の無いモジュールでは、SiNx膜からの電子移動やNa⁺の侵入の経路が存在しないため、性能低下が抑制できた。また、わずかに電荷蓄積型のPIDが見られたのは、リーク電流の経路を介してSiNx膜から電子が流出することにより正電荷が蓄積し、表面再結合が増大したためと考えられる。

■受賞にあたって一言
　この度、応用物理学会北陸・信越支部学術講演会におきまして、発表奨励賞を頂けたことを大変光栄に思います。ご指導いただいた、大平圭介教授、Huynh Thi Cam Tu特任助教ならびに研究室のメンバーには厚く御礼申し上げます。本受賞を励みに、今後もより一層精進して参りたいと思います。

令和2年12月7日

　東京大学大学院農学生命科学研究科大西康夫教授、北陸先端科学技術大学院大学先端科学技術研究科金子達雄教授、神戸大学大学院工学研究科荻野千秋教授、筑波大学生命環境系高谷直樹教授らの研究チームは、史上最高耐熱のプラスチックを植物原料から開発し、10月12日に、東京大学においてオンラインによる記者会見を行いました。
　記者会見には本学環境・エネルギー領域の金子 達雄教授が出席しました。

　また、本成果は、「Advanced Sustainable Systems」オンライン版にて10月14日に掲載されました。

＜記者会見出席者＞

本学発表者：金子 達雄（北陸先端科学技術大学院大学 先端科学技術研究科 環境・エネルギー領域　教授）
研究チーム代表者：大西 康夫（東京大学大学院農学生命科学研究科 応用生命工学専攻

　　　　　　　　　東京大学微生物科学イノベーション連携研究機構　教授）

＜ポイント＞

• 紙パルプを原料にして超高耐熱性プラスチックであるポリベンズイミダゾールを生産する新規プロセスを開発しました。
• 新しいポリマーデザインにより、プラスチック史上、最高の耐熱性を達成しました。
• 開発した超高耐熱性バイオプラスチックは、強度や軽量性にも優れており、さまざまな用途で利用が見込めるため、脱石油化・低炭素化社会の構築に貢献できると期待されます。

＜研究の概要＞
　循環型社会の構築にはバイオマス由来のプラスチックの利用が望まれますが、従来のバイオマス由来プラスチックは耐熱性が低いため、その用途が限られていました。この度、本学環境・エネルギー領域の金子達雄教授が所属する研究チーム（代表：大西康夫教授（東京大学大学院農学生命科学研究科））は、超高耐熱性プラスチックをバイオマスから作ることに成功しました（図１）。当該チームは高耐熱性のポリベンズイミダゾール（PBI）（注１）に着目し、その原料となる芳香族化合物を効率よく生産する遺伝子組換え微生物を創成しました。また、代表的な非可食バイオマスである紙パルプを効率的に酵素糖化し、高濃度のグルコースを含む糖化液を生産するシステムを開発しました。一方、化成品を用いた検討により、PBIフィルムの作製法を開発するとともに、PBI原料とアラミド繊維（注２）原料を共重合することで耐熱性が大きく向上することを見出し、史上最高耐熱のプラスチックフィルムの作製に成功しました。また、紙パルプ糖化液を使って発酵生産した芳香族化合物から同等の性質を有するPBIフィルムを作製できることを示しました（10％重量減少温度743℃、表１）。開発した超高耐熱性バイオPBIは、強度や軽量性にも優れており、さまざまな用途で利用が見込めるため、脱石油化・低炭素化社会への貢献が期待されます。

＜研究の内容＞
　近年、国連が採択したSDGs（Sustainable Development Goals：持続可能な開発目標）がますます注目を集めています。脱石油化、低炭素化のためには、バイオマス由来のプラスチックの普及が重要ですが、これまでに開発されてきたバイオマス由来のプラスチック（ポリアミド11、ポリヒドロキシアルカン酸、ポリ乳酸など）はいずれも脂肪族ポリマーであり、耐熱性が低いため、その用途が限られていました。芳香族系ポリマーは耐熱性が高いことで知られていますが、その原料はすべて石油由来の芳香族化合物です。天然に存在する芳香族ポリマーであるリグニン（注３）の利用も検討されていますが、リグニンは複雑な分子構造をしているため、リグニンを使って耐熱性の高いプラスチックを作るには、多くの困難があります。そのため、芳香族系ポリマーの原料となる芳香族化合物を再生可能資源から入手するというアプローチが重要であり、これには微生物を用いた発酵生産が有力です。しかしながら、実際に発酵生産させた芳香族化合物を用いて芳香族ポリマーを合成したのは、今回の研究チームのメンバーが以前に行った数例が知られているだけです（文献1、2）。また、これらの研究では、試薬として購入したグルコースを炭素源として微生物を増殖させていましたが、微生物による有用物質生産では、食料と競合する材料ではなく、非可食バイオマス（稲わら、とうもろこしの芯、サトウキビの絞りかす、紙パルプなど）の利用が求められています。
　このような背景のもと、研究チームは、科学技術振興機構 (JST) 戦略的創造研究推進事業(CREST)「二酸化炭素資源化を目指した植物の物質生産力強化と生産物活用のための基盤技術の創出」において、「高性能イミダゾール系バイオプラスチックの一貫生産プロセスの開発（平成25年度から平成30年度）」に取り組み、超高耐熱性プラスチックをバイオマスから作ることに成功しました（図１）。
　当該研究チームでは、代表的な非可食バイオマスである紙パルプを効率的に酵素糖化し高濃度のグルコースを含む糖化液（最高で90 g/L）を生産するシステムを開発しました（神戸大）。また、高耐熱性のポリベンズイミダゾール（PBI）に着目し、その原料となる芳香族化合物（3-アミノ-4-ヒドロキシ安息香酸：AHBA）を生産する遺伝子組換えコリネ菌を用いて、紙パルプ糖化液からAHBAを発酵生産し（3.3 g/L）、高純度に精製しました（神戸大、東大）。一方、共重合用の化合物として着目した4-アミノ安息香酸（ABA：アラミド繊維原料）を生産する遺伝子組換え大腸菌を構築し、同じく紙パルプ糖化液からABAを発酵生産し（1.6 g/L）、高純度に精製しました（筑波大）。一方、化成品を用いた検討により、まず、PBIの直接の原料となる3,4-ジアミノ安息香酸（DABA）をAHBAから簡便に合成する方法、DABAからPBIフィルムを作製する方法を開発しました（北陸先端大）。また、DABAとABAを共重合することで耐熱性が大きく向上することを見出し、これまでに存在するプラスチックの中で最高耐熱を達成しました（DABA:ABA=85:15のコポリマーの10％重量減少温度は740℃超、表１）（北陸先端大）。最終的に、紙パルプ糖化液を使って発酵生産した芳香族化合物から同等の性質を有するPBIフィルムを作製できることを示し、紙パルプから超高耐熱性PBIフィルムの一貫生産プロセスのプロトタイプを構築することに成功しました。
　開発した超高耐熱性バイオPBIは、強度や軽量性にも優れており、さまざまな用途で利用が見込めます。まず、耐熱性が非常に高く、さまざまな軽量金属（アルミニウム、マグネシウム、亜鉛、錫など）の融点で分解が起こらないため、これらの軽量金属と溶融複合化することができ、軽量化社会で重要となる自動車ボディ、建築部材などの社会インフラ、軽量・高耐熱性が求められる駆動部位周辺具材（電線エナメル、高耐熱絶縁紙、マニホールド、オイルパン）への応用も考えられます。超難燃性の求められる航空・宇宙機器の部品などへの活用も想定されます。これらの輸送機器はグラム単位での軽量化が要求されており、バイオPBIによりエネルギー削減、脱石油化・低炭素化社会への貢献が期待されます。また、PBIをLiイオン化し、Liイオン電池の固体電解質として利用できることを既に明らかにしており、より高耐熱の固体電解質開発も可能と考えられ（文献3）、次世代電気自動車開発に貢献できると考えています。
　なお、本研究チームメンバーは内閣府戦略的イノベーション創造プログラム（SIP）「スマートバイオ産業・農業基盤技術」に採択され、現在も引き続きバイオPBIの社会実装に向けた研究開発に取り組んでいます。

1. Tomoya Fujita, Hieu Duc Nguyen, Takashi Ito, Shengmin Zhou, Lisa Osada, Seiji Tateyama, Tatsuo Kaneko, Naoki Takaya. Microbial monomers custom-synthesized to build true bio-derived aromatic polymers. Appl. Microbiol. Biotechnol. 97(20):8887-8894. (2013) doi: 10.1007/s00253-013-5078-4.
2. Yukie Kawasaki, Nag Aniruddha, Hajime Minakawa, Shunsuke Masuo, Tatsuo Kaneko, Naoki Takaya. Novel polycondensed biopolyamide generated from biomass-derived 4-aminohydrocinnamic acid. Appl. Microbiol. Biotechnol. 102(2):631-639. (2018) doi: 10.1007/s00253-017-8617-6.
3. Aniruddha Nag, Mohammad Asif Ali, Ankit Singh, Raman Vedarajan, Noriyoshi Matsumi, Tatsuo Kaneko. N-Boronated Polybenzimidazole for Composite Electrolyte Design of Highly Ion Conductive Pseudo Solid State Ion Gel Electrolytes with High Li Transference Number. J. Mater. Chem. A. 7(9): 4459-4468. (2019) doi: 10.1039/c8ta10476j.

＜論文情報＞

＜用語解説＞
（注１）ポリベンズイミダゾール
　高耐熱性ポリマーであるポリベンズアゾール類の一種であり、繰り返し単位中に「ベンズイミダゾール」を含んでいる高分子の総称。
（注２）アラミド繊維
　芳香族ポリアミド系樹脂の総称。耐熱性や強度に優れた合成繊維であり、様々な用途で利用されている。
（注３）リグニン
　セルロース、ヘミセルロースとともに木材を構成する主要成分であり、芳香環を有する不定形な高分子化合物。

表１　新規開発バイオPBIおよびアラミド含有バイオPBIの熱分解温度の比較表

＊Bio-Ami-PBIは、史上最高の熱分解温度で力学物性も十分に高い（ナイロンと同等）

図１　 紙パルプから超高耐熱性プラスチックフィルムの一貫生産プロセス

令和2年10月14日

　9月27日（日）～9月30日（水）にかけて、2020 International Conference on Solid State Devices and Materials (SSDM2020)が北陸先端大を運営会場としてオンライン開催されました。
　SSDMは、日本の半導体産業にも多大な貢献のある同分野におけるアジア地域最大の国際学会です。固体素子・材料の科学と技術を幅広くカバーしており、日本で開催されている国際会議の中で最も伝統のあるものの一つでもあります。
　SSDM2020は、当初、北陸地区では初めてとなる富山県での開催を予定していましたが、新型コロナウィルスの影響により、オンラインでの実施に変更となりました。

　今回、事前登録者だけでも700名を超える参加者が集まり、情報通信技術（ITC）分野や、太陽光発電・バッテリーなどのエネルギーイノベーション・ライフイノベーションの応用分野などのさまざまな分野から研究者や技術者が参加し、開催期間中340件を超える研究発表が行われました。

　オンライン開催であったSSDM2020は、指揮・統括を行う拠点であるバックオフィスを、共催機関である北陸先端大に設置し、実行委員長である水田教授（環境・エネルギー領域）、赤堀准教授（応用物理学領域）らを中心に、北陸先端大及び金沢大学の教員、学生が一丸となり、最大で10セッションがパラレルで進行する、大規模な国際学会の運営にあたりました。
　バックオフィスで実際に運営にあたった近隣大学の学生らは、通常の学会運営とは異なるトラブルに見舞われることもありましたが、他大学の教員や留学生から研究発表とは違った刺激を受け、積極的に運営に取組んでいるようでした。
　また、富山大学、富山県立大学や川崎市の株式会社東芝にもサテライトオフィスを設置し、学会運営やトラブル等への対応を行いました。

　次回のSSDM2021は、2021年9月6日から9日の日程で、札幌コンベンションセンター（北海道札幌市）で開催予定です。

バックオフィスで運営にあたる教員や学生の様子

令和2年10月2日

　9月28日（月）～11月30日（月）の期間、国内最大規模の産学マッチングイベントである「イノベーション・ジャパン2020～大学見本市Online」がオンライン開催されます。
　本学からは大学等シーズ展示に以下の３件を出展します。

詳細はこちらをご覧ください。
・イノベーション・ジャパン2020公式サイト
・イノベーション・ジャパン2020出展者一覧

国立大学法人北陸先端科学技術大学院大学

＜参　考＞
1　ムーンショット型研究開発制度
　本制度の詳細については、以下を参照
　https://www8.cao.go.jp/cstp/moonshot/index.html

2　ムーンショット目標
　2020年1月CSTIにおいてムーンショット目標1～6が決定。2020年7月には健康・医療戦略推進本部においてムーンショット目標7が決定

　目標1：2050年までに、人が身体、脳、空間、時間の制約から解放された社会を実現
　目標2：2050年までに、超早期に疾患の予測・予防をすることができる社会を実現
　目標3：2050年までに、AIとロボットの共進化により、自ら学習・行動し人と共生するロボットを実現
　目標4：2050年までに、地球環境再生に向けた持続可能な資源循環を実現
　目標5：2050年までに、未利用の生物機能等のフル活用により、地球規模でムリ・ムダのない持続的な
　　　　 食料供給産業を創出
　目標6：2050年までに、経済・産業・安全保障を飛躍的に発展させる誤り耐性型汎用量子コンピュータを実現
　目標7：2040年までに、主要な疾患を予防・克服し100歳まで健康不安なく人生を楽しむための
　　　　 サステイナブルな医療・介護システムを実現

3 　NEDOムーンショット型研究開発事業の採択結果
　https://www.nedo.go.jp/news/press/AA5_101346.html

令和2年9月7日

　研究員の王衆望さん（令和2年3月本学博士後期課程修了、環境・エネルギー領域、水田研究室）が中国国家留学基金管理委員会（CSC）による「2019年優秀自費留学奨学金賞」を受賞しました。

　優秀自費留学奨学金賞は、中国国家留学基金管理委員会（CSC）が2003年から中国自費留学生を対象として設置した賞で、毎年全世界にいる中国留学生から優れた研究業績を上げた博士留学生500名を選び、表彰するものです。日本ではわずか20名ほどが表彰されます。また、受賞者の指導教員にもCSCからの感謝状が授与され、今回、指導教員である水田 博教授もCSCからの感謝状を受理しました。

　王さんは平成27年4月に環境・エネルギー領域の水田・マノハラン研究室に入り、令和2年3月までに本学の博士前期課程、博士後期課程を修了し、博士学位を取得しました。今回の受賞は、王さんの努力と本学の教育力、研究力が大きく認められたものと考えられます。

水田　博教授（右）と王衆望さん（左）

令和2年8月25日

　環境・エネルギー領域の大平 圭介教授の研究課題が、新エネルギー・産業技術総合開発機構(NEDO)の「太陽光発電主力電源化推進技術開発」の研究開発項目（I）太陽光発電の新市場創造技術開発/（ⅱ）壁面設置太陽光発電システム技術開発に採択されました。

　太陽光発電の主力電源化に向けて、需要地に近接しているが従来の技術では太陽光発電の導入が進んでいなかった場所を利用可能にするための太陽光発電システム開発や、長期安定的な事業運営確保として現在顕在化している課題解決のための技術開発が求められています。

　NEDOではこれらの開発を推進するため、「太陽光発電主力電源化推進技術開発」において(i)フィルム型超軽量太陽電池の開発、(ii)壁面設置太陽光発電システム技術開発、(iii)移動体用太陽電池の研究開発での公募を実施し、今回、33テーマを採択しました。

　*詳しくは、NEDOホームページをご覧ください。
　https://www.nedo.go.jp/koubo/FF3_100292.html

■研究課題名
　多機能・高品質薄膜の利用による壁面太陽電池モジュールの長寿命化

■研究期間
　2020年7月～2023年3月（継続の可能性あり）

■研究概要
　建造物の壁面に設置するタンデム型太陽電池モジュールの発電性能および意匠性に関し、建造物と同等の寿命を達成するための要素技術開発を行う。本学で長年研究を行っている、触媒化学気相堆積(Cat-CVD)法で形成する窒化Si膜は、100℃程度の低温製膜でも高い膜密度が得られ、膜自体の長期安定性と、高いガスバリア性能を発揮する。この窒化Si膜をタンデムセル上に形成し、タンデムセルの色調安定化と水蒸気浸入による発電性能低下の抑止を達成するための基盤技術確立を目指す。また、再委託先である岐阜大学では、酸化Si膜を塗布法によりモジュールのカバーガラス上に形成し、防汚性能、反射低減性能等を付与する検討を行う。

■採択にあたって一言
　建造物の壁面に設置する太陽電池モジュールの開発は、いわゆるネット・ゼロ・エネルギー・ビル(ZEB)を実現するために、大変重要な研究です。今回、同時に採択された新潟大学、青山学院大学、再委託先である岐阜大学とも連携の上、本学の技術の強みを生かしつつ研究開発を進め、太陽光発電の普及拡大に貢献していきたいと思います。

令和2年7月31日

　環境・エネルギー領域の金子研究室博士後期課程学生ブッドプッド クリサラさん、桶葭 興資准教授、岡島 麻衣子研究員、金子 達雄教授らの「多糖膜が超らせん構造によって湿度変化に瞬間応答－ナノスケールから再組織化－」に係る論文がSmall誌 (WILEY) の表紙に採択されました。

■掲載誌
Small, volume 16, issue 29 (2020)　掲載日：2020年7月23日

■著者
Kulisara Budpud, Kosuke Okeyoshi*, Maiko K Okajima, Tatsuo Kaneko*

■論文タイトル
Vapor‐Sensitive Materials from Polysaccharide Fibers with Self‐Assembling Twisted Microstructures

■論文概要
　本研究では、シアノバクテリア由来の多糖サクランを用いて、水中で自ら形成するマイクロファイバーが乾燥時に２次元蛇行構造、３次元らせん構造など高秩序化することを見出すとともに、さらにこの構造を利用して、水蒸気をミリ秒レベルで瞬間感知して屈曲運動を示すフィルムの作製に成功しました。天然由来の代表物質でもある多糖をナノメートルスケールから再組織化材料としたこととしても意義深く、光合成産物の多糖を先端材料化する試みは、持続可能な社会の構築のための重要なステップとなります。

論文詳細：
https://doi.org/10.1002/smll.202001993
https://doi.org/10.1002/smll.202070159
プレスリリース本文：
https://www.jaist.ac.jp/whatsnew/press/2020/06/11-1.html

令和2年7月29日

多糖膜が超らせん構造によって湿度変化に瞬間応答
－ナノスケールから再組織化－

PRポイント

• ナノメートルスケールから階層的に再組織化されたマイクロファイバー
• 湿度変化に瞬間応答して曲がる天然高分子のフィルム

北陸先端科学技術大学院大学（学長・寺野稔、石川県能美市）の先端科学技術研究科、環境・エネルギー領域の、博士後期課程大学院生ブッドプッド クリサラ、桶葭 興資准教授、岡島麻衣子研究員、金子 達雄教授らは、シアノバクテリア由来の多糖サクランを用いて、水中で自ら形成するマイクロファイバーが乾燥時に２次元蛇行構造、３次元らせん構造など高秩序化することを見出した。さらにこの構造を利用して、水蒸気をミリ秒レベルで瞬間感知して屈曲運動を示すフィルムの作製に成功した。天然由来の代表物質でもある多糖をナノメートルスケールから再組織化材料としたこととしても意義深い。光合成産物の多糖を先端材料化する試みは、持続可能な社会の構築に重要である。 　多糖は分子認識や水分保持など、乾燥環境下で重要な役割を果たす。しかし、天然から抽出された多糖が潜在的に持つ自己組織化を活用することはこれまで困難であった。特に、セルロースナノファイバーなど分子構造を制御した透明素材などはできても、外界変化への応答材料には利用されてこなかった。一方で、我々の研究グループはこれまでに、シアノバクテリア由来の多糖サクランに関する研究を進め、超高分子量の物性やレアメタル回収能など様々な特性を持つ多糖であることを明らかにしてきた。本研究では、１）分子・ナノメートルスケールからマイクロファイバー形成の階層化、２）界面移動による秩序立った変形、３）その多糖膜の水蒸気駆動の運動について報告した。 　用いた多糖サクランのユニークな特徴として、直径約1 µm、長さ 800 µm以上と他には類を見ない大きなマイクロファイバーを水中で自己集合的に形成する。今回、これが乾燥界面の移動によって蛇行構造やらせん構造に変形することを解明した。乾燥した多糖フィルムの内部では、このねじれた構造がバネ様運動を引き起こす。このメカニズムを利用して、水滴が接近した際、瞬時に屈曲する運動素子の開発に成功した（図）。 　本成果は、科学雑誌「Small」誌に6/9（米国時間）オンライン版で公開された。なお、本研究は文部科学省科研費はじめ、旭硝子財団、積水化学工業、澁谷工業の支援のもと行われた。

＜背景と経緯＞
　天然高分子など生体組織が水と共生して高効率なエネルギー変換を達成している事実に鑑みれば、持続可能な社会への移行に向けて学ぶべき構造と機能である。例えば、ソフトでウエットな高分子ハイドロゲルは人工軟骨や細胞足場など医用材料をはじめ、生体機能の超越が有望視されている。同時に、刺激応答性高分子を用いたケモメカニカルゲルや湿度応答する合成高分子フィルムなど、しなやかに運動するアクチュエータの研究も注目されてきた。これに対し、天然物質の多糖を再組織化させて先端材料とする研究は発展途上にある。
　我々はこれまでに、シアノバクテリア由来の多糖サクランに関する研究を進め、超高分子量、レアメタル回収能など様々な特性を持つ天然高分子であることを明らかにしてきた。さらに直近の研究では、サクラン繊維が水中から乾燥される際に、空気と水の界面にならび一軸配向膜を形成することも見出している。

＜今回の成果＞
１．多糖サクランのマイクロファイバーの微細構造（図1）
　用いた多糖サクランは、直径約1 µm、長さ 800 µm以上と他には類を見ない大きなマイクロファイバーを水中で自己集合的に形成する。このマイクロファイバーを電子顕微鏡で観察すると、直径約50 nmのナノファイバーが束となり、ねじれた構造をとっていることが分かった。これは、人工的に形を作ったわけではなく、多糖が潜在的に持つ自己集合によるものである。他の多糖やDNAやタンパク質の自己集合体と比較しても、驚異的に大きなサイズである。

２．乾燥界面の移動によってファイバーがしなやかに蛇行・らせんを描いて変形（図2）
　今回、これが乾燥界面の移動によって蛇行構造やらせん構造に変形することを解明した。界面移動がゆっくりの場合、マイクロファイバーが一軸配向構造、もしくは蛇行構造を形成する。一方、界面移動が早い場合、３次元的な超らせん構造を形成する。１本のマイクロファイバーが蛇行構造をとった後に超らせん構造をとることから、界面がマイクロファイバーの変形に強く寄与していると考えられる。

３．多糖膜の水滴接近に伴う瞬間応答（図3）
　乾燥した多糖膜の内部では、このねじれた構造がバネ様運動を引き起こす。このメカニズムを利用して、水滴が接近した際、瞬時に屈曲する運動素子の開発に成功した。時空間解析から、水滴が接近/離隔した際、曲った状態とフラットな状態を可逆的にミリ秒レベルで屈曲運動を示すことが分かる。このような瞬間応答は、湿度変化を膜中のねじれた構造が瞬時に水和／脱水和を大きな変化に増幅したためと考えられる。

＜今後の展開＞
　天然多糖を再組織化することで、水蒸気駆動型の運動素子をはじめ、光、熱など外界からのエネルギーを変換するマテリアルの構築が期待される。多糖ファイバーに機能性分子を導入しておくことで、湿度だけでなく、光や温度の外部環境変化に応答するソフトアクチュエーターである。本研究の成果は、天然由来の代表物質でもある多糖をナノメートルスケールから再組織化材料としたこととしても意義深い。光合成産物の多糖を先端材料化する試みは、持続可能な社会に非常に重要である。

図１. 多糖サクランのマイクロファイバーとその微細構造 マイクロファイバーはナノファイバーが束になってねじれた状態。

A	B
C図２. 乾燥界面の移動によってまっすぐなファイバーが蛇行構造やらせん構造に変形 A. 蛇行構造をとったマイクロファイバー。B. 界面移動による高次構造化。C. １本のマイクロファイバーが蛇行構造やらせん構造をとった様子の顕微鏡画像。

A

B

図３. 多糖膜の水滴接近に伴う瞬間応答 A. 多糖フィルムに水滴を接近させた際に示す屈曲運動と時空間解析。水滴が接近した際、ミリ秒レベルで屈曲運動を示す。 B. 屈曲変形の概念図。乾燥した多糖フィルムの内部にあるファイバーのねじれた構造がバネ様運動を引き起こし、高速な屈曲変形を示す。

【用語説明】（Wikipedia より）
^※1自己組織化：
物質や個体が、系全体を俯瞰する能力を持たないのにも関わらず、個々の自律的な振る舞いの結果として、秩序を持つ大きな構造を作り出す現象のことである。自発的秩序形成とも言う。
^※2シアノバクテリア：
ラン藻細菌のこと。光合成によって酸素と多糖を生み出す。
^※3多糖：
グリコシド結合によって単糖分子が多数重合した物質の総称である。デンプンなどのように構成単位となる単糖とは異なる性質を示すようになる。広義としては、単糖に対し、複数個(2分子以上)の単糖が結合した糖も含むこともある。
^※4サクラン：
硫酸化多糖の一つで、シアノバクテリア日本固有種のスイゼンジノリ (学名：Aphanothece sacrum) から抽出され、重量平均分子量は2.0 x 10⁷g/mol とみつもられている。
^※5界面：
ある均一な液体や固体の相が他の均一な相と接している境界のことである。

【論文情報】

令和2年6月11日

　1月20日（月）～22日（水）の3日間、幕張メッセ（千葉市美浜区）において、化粧品の研究・企画開発に必要な製品が国内外から一堂に出展される「第10回 化粧品開発展［東京］ -COSME Tech 2020 [Tokyo]-」が開催されました。
　本展示会には、石川県、石川県立大学、金沢工業大学および金沢大学と本学が共同で出展し、本学からは高性能天然由来マテリアル開発拠点／環境・エネルギー領域の金子達雄教授が出展しました。
　金子教授は「サクランの機能材料化により持続可能社会の実現に貢献する」というテーマで、サクランを応用して製品化された化粧品等やレーヨン混紡繊維サクレ^TMについて来訪者に分かり易く紹介しました。 　
　本学ブースには企業関係者をはじめ、大学・研究関係者、一般の方など3日間で280名以上もの方々が来訪され、活発な情報交換の場となりました。

本学出展ブースにて来訪者へ説明・情報交換等を行う様子

令和2年3月10日

　研究員のNguyen Cong Thanh さん（環境・エネルギー領域、大平研究室）が2019MATERIALS RESEARCH SOCIETY（MRS）Fall MeetingにおいてBest Oral Presentation Awardを受賞しました。
　MRSは、材料研究における基礎領域と応用領域の研究を発表、議論することを目的に開催される世界有数の国際会議で、今回、2019MRS Fall Meetingは2019年12月1日～6日にかけてアメリカ合衆国のボストンで開催されました。


■受賞年月日
　令和元年12月5日

■研究題目、論文タイトル等
Microparticle-Assisted Texturing (MPAT) Process on As-Cut Crystalline Silicon:Controllable Texture Size, Low Optical Reflectivity, Quick Formation, Extremely Low Material Loss andToward Mass-Production

■研究者、著者
Cong Thanh NGUYEN, Keisuke OHDAIRA, Hideki MATSUMURA

■受賞対象となった研究の内容
We presented a novel technique to form random textures on as-cut crystalline silicon (c-Si) used for sunlight trapping in solar cells, so-called microparticle-assisted texturing (MPAT) process, in which glass microparticles were mixed with conventional alkaline-based texturing chemical solutions. As a result, the texture size, etching duration, solution consumption, and c-Si etched loss were reduced by almost one order of magnitude. Consequently, the texturing cost should be reduced by the same order. Especially optical reflectivity (R) is ~ 7%, almost world-record for the random textures. The MPAT process was applicable to c-Si wafers with thickness down to 50 µm for low material cost. The superiorities were attributed to that the glass microparticles with certain kinetic energy can sweep out reaction-generated hydrogen bubbles from the c-Si surface to speed up the texture formation. In addition, we developed a suitable wet chemical cleaning prior to surface passivation using catalytic chemical vapor deposition (Cat-CVD) silicon nitride (SiNx)/amorphous silicon (a-Si) stacked layers. A world-record low surface recombination velocity (SRV) ~0.38 cm/s was achieved. Toward mass-production using the MPAT process, we fabricated an MPAT machine for etching of multiple full-size wafers with a pitch of 5 mm to obtain uniform textures with a yield almost 100%. The standard deviation of R is < 0.1% over all the wafers in the same batch. Therefore, the MPAT process is realistic in the mass-production of the low-cost and high-performance thin c-Si-based solar cells.

■受賞にあたっての一言
We are excited and honored to receive the award. We sincerely appreciate the attention that the materials research society (MRS) gives to our work. I appreciate my colleagues have done to help and encourage me in my professional growth, especially Prof. Matsumura and Prof. Ohdaira. I could not ask for more effective mentors who always encouraged me even when doing crazy ideas, like trying some materials bought from supermarkets, fabricating experimental tools, and very patient to wait for my very-long-time consideration before doing experiments, and so on. I deeply appreciate your trust in me!
I also would like to thank NEDO (New Energy and Industrial Technology Development Organization), Japan for their financial support.

令和2年1月10日

　1月20日（月）～22日（水）の3日間、幕張メッセ（千葉市美浜区）において、化粧品の研究・企画開発に必要なあらゆる製品が国内外から一堂に出展される「第10回 化粧品開発展［東京］ -COSME Tech 2020 [Tokyo]-」が開催されます。
　本展示会には、石川県、石川県立大学、金沢工業大学および金沢大学と本学が共同で出展し、本学からは高性能天然由来マテリアル開発拠点／環境・エネルギー領域の金子 達雄教授が以下の内容について出展します。
　ご来場の際はぜひお立ち寄りください。

詳細はこちらをご覧ください。

• 「第10回 化粧品開発展［東京］ -COSME Tech 2020 [Tokyo]-」　公式サイト
• 「第10回 化粧品開発展［東京］ -COSME Tech 2020 [Tokyo]-」　会場案内図・出展社一覧