量子線エネルギー反応科学研究グループ - 量子放射線系専攻

量子放射線系専攻

量子線エネルギー
反応科学
研究グループ

堀史説教授
松尾駿之介さん工学研究科量子放射線系専攻博士前期課程１年
平山翔太さん工学研究科量子放射線系専攻博士前期課程２年

ナノワールドで起こる
現象を見つけ、解き明かす。

原子や素粒子を扱う量子の世界は、私たちの世界の物理法則は通用しません。この極小世界の観察には高いエネルギーが必要になります。エネルギー照射でナノワールドの謎解明に挑む堀教授にお話を伺いました。

高エネルギー照射による物性変化のメカニズムを探る。

放射線・超音波・可視光線などの量子化されたエネルギーを物質に照射すると、目に見える世界とは異なる様々な反応が起きます。私の研究室では、これらの反応を利用した物質の加工や合成、また反応のメカニズムを解明するための研究を行っています。

これまでに、金属に重イオンと呼ばれる粒子線を照射すると、金属の硬さを変えたり、磁石や触媒の性質を付加できる条件や材料があることを明らかにしました。また、金属イオンを溶かし込んだ水やガラスの中に粒子線を照射すると、金属ナノ粒子を合成できることも発見。放射線の照射＝材料の劣化と認識されていましたが、劣化を変化と捉え直し、物性の制御への応用へ繋げたいと考えています。

学外の大型加速器施設を使った「出張実験」も。

物性の制御により、強い合金や特定の光を吸収するガラス等、様々な機能性材料の創製が考えられます。また、水素社会に向けて原子空孔^※2に水素を注入した「水素吸蔵合金」の材料を探索中です。さらに、原子空孔を陽電子消滅測定法^※2で測定するために、陽電子^※3を作るしくみも開発。金属疲労の非破壊検査への応用も考えられます。

こうしたエネルギービーム照射を行う際には、学内のみならず学外のSPring-8（兵庫）・KEK(つくば)・UVSOR（愛知）等の大型放射光施設やQST（群馬）・JAEA（茨城）等での加速器装置を利用しています。施設のビームラインに、自作の装置を取り付けて物性評価を行うこともあります。このように、理学的に物事を追究する面があるのも本研究室の特色です。

※1 原子空孔……結晶の格子点で、あるべき原子が存在しない空間。 ※2 陽電子消滅測定法……陽電子発生時に放出されるガンマ線と、電子と陽電子が合体して消滅（＝対消滅）する際に発生するガンマ線の時間差やエネルギーを測定する技術。空孔が多いほど陽電子の寿命は長くなり、ガンマ線エネルギー分布が変わる。 ※3 陽電子……電子と同じ重さを持ち、電子とは逆の正の電荷を持つ素粒子の一種。

研究の本質を示す、故小柴昌俊博士からの言葉。

「君たちと、私たちのしていることは同じ」。ノーベル物理学賞受賞者・故小柴昌俊先生から、生前にいただいた言葉です。私たちは陽電子を使って材料を、小柴先生はニュートリノを使って地球を調べていますが、スケールが異なるだけで、その原理はほぼ同じです。「それを学生の皆さんに面白いと感じてもらうのがあなた達の使命だ」との激励も受け、研究室運営の礎としています。

研究者の最大のモチベーションは、研究を「面白い」「楽しい」と感じること。けれど、研究を心から楽しいと感じる瞬間は、難しい実験を乗り越えた後にやってくることも事実です。楽しむ姿勢を持ち、自由に自分らしい研究をしたい方の来訪をお待ちしています。

材料への興味が、
学ぶほどに具体的に。

ガラス中にイオンを注入し、金属ナノ粒子を合成。

金属ナノ粒子は、その名の通り粒径がナノメートル単位の超微粒子です。通常とは異なる化学的・光学的・磁性的機能が現れるので、機能性材料として期待されています。しかし、合成時の形状や組織の制御が課題です。研究室では、ガラスにイオンを注入する方法で、金属ナノ粒子の合成に取り組んでいます。

私が担当しているのは、ガラスの中に銀とコバルトの金属ナノ粒子を合成する実験。銀・コバルトを単体で照射した時と比べると、2種照射時には、金属ナノ粒子のガラス中での生成のしかたが異なり、照射する順番によっても異なることがわかりました。今後は、光吸収や磁性など、ガラス材料としての特性を評価する予定です。

好きな科目を自由に学べる。その分、パワーも必要。

高校生の時から、漠然と材料系の世界に興味があり、専門的に学びたいと思っていました。都会の大学で学びたいと思っていたので本学への進学を決意。入学後に学び始めると、大学の学問領域は、高校で学んだ様々な学問の延長だと気づくことができました。

マテリアル工学科は必修単位がそれほど多くなく、自分の学びたい科目を自由に履修でき、私にとってはとても学びやすい環境。その一方で、数学・化学をはじめとして多くの領域の基礎知識が要求されます。幅広く学ぶには時間と労力がかかりますが、アルバイトで培った体力と忍耐力でカバーすることができました。

まずは社会へ。そこから新たなビジョンを見つけたい。

堀先生の研究室で学んでいた友達から、研究についての話を聞き、学んでみたいと堀先生を訪ねました。その当時、院試に不合格となり少し落ち込んでいたのですが、堀先生はそんな気持ちを受け止めてくださり、とても心強く感じたことを覚えています。学部時代は同じ材料分野でもバルクを対象としており、ナノの世界を学んでみたいと思っていたので、今は研究生活がとても充実しています。

この分野でこんな研究に携わりたいという明確な将来イメージは、まだありません。現在取り組んでいるイオン照射に関わる研究を活かし、ガラスや半導体のメーカーで技術職として貢献できればと思っています。そして、実社会で経験を積み重ねる中で、ライフワークとなるビジョンを見出したいと思っています。

MESSAGE 受験生へのメッセージ

夢や目標がはっきりしている人は、そのままのモチベーションで頑張ってください。まだ決まっていない人も、そのことで悩まなくても大丈夫です。大学での学びでつまずかないように、今できる勉強にベストを尽くしてほしいです。

“好き”を大切にすれば、
研究もうまくいく。

工学研究科量子放射線系専攻博士前期課程２年平山翔太さん JFEスチール株式会社　内定

新しい「欠陥捕獲型」の水素吸蔵合金を研究。

次世代エネルギーとして期待される水素。そんな水素を貯蔵する方法の一つとして、金属材料中に畜える「水素吸蔵合金」が注目されています。一般的には、水素原子と合金構成元素で化合物を生成して水素を貯蔵する方法が主流ですが、材料の劣化やコスト等の課題があります。

そこで私たちが試みているのが「欠陥捕獲型」です。金属へ粒子線を照射すると、原子配列の一部の原子が弾き出されて原子空孔という穴ができます。計算では１空孔に複数の水素原子を捕獲できることが示されていて、低コストで扱いやすいというメリットがあります。学外の加速器を使って実際に試料を作製して水素を吸蔵・放出する実験を行い、その挙動解析を通じて新たな知見の獲得をめざしています。

基礎研究に取り組みたくて、他大学から本学大学院へ。

私が本学に進学したのは修士課程からで、以前は他大学理工学部で材料の表面処理について、企業との共同研究に取り組んでいました。もう少し材料を学びたいと考え、様々な研究室を調べる中で知ったのが堀先生の研究室です。基礎研究をしたいと思っていた私にとって、研究テーマがとても面白く感じられ、所属を希望しました。

研究を進める中で、放射線が幅広く産業で使われていて、社会にとって有用なものだということがわかりました。また、学外の大型放射光施設など、なかなか入れない施設を使って実験ができる点も魅力的だと感じます。少人数のため先生と学生の距離が近く、コミュニケーションが取りやすい環境。何でも話せるのが楽しいです。

経営側と従業員双方のメリットを生む研究をしたい。

卒業後は鉄鋼メーカーに勤務する予定です。鉄鋼業は製鉄過程でコークス（炭素）を使うため、CO2を排出します。炭素の代わりに水素を用いて酸化鉄を還元すれば、排出されるのは水蒸気（H20）となりカーボンニュートラルに貢献できます。将来はそんな研究にも取り組みたいです。また、高炉を高熱から守る「炉材」の劣化評価や施工法にも興味があります。炉材を切り口にメンテナンスの最適化や労働環境の改善を図れるような業務に携わってみたいです。

面白そうと感じると、まずやってみるタイプ。研究以外にも、趣味として競馬予測プログラムやAIを作り、その過程で材料評価に必要なデータ加工のスキルも獲得できました。遊び心を忘れず、かつ社会貢献を常に意識して仕事に取り組める社会人でありたいです。