Understanding the Dynamic Behavior of Rubber Materials

Researchers present a novel experimental system for simultaneous measurement of dynamic mechanical properties and X-ray computed tomography

Rubber-like materials can exhibit both spring-like and flow-like behaviors simultaneously, which contributes to their exceptional damping abilities. To understand the dynamic viscoelasticity of these materials, researchers from Japan have recently developed a novel system that can conduct dynamic mechanical analysis and dynamic micro X-ray computed tomography simultaneously. This technology can enhance our understanding of the microstructure of viscoelastic materials and pave the way for the development of better materials.

Rubber-like materials, commonly used in dampeners, possess a unique property known as dynamic viscoelasticity, enabling them to convert mechanical energy from vibrations into heat while exhibiting spring-like and flow-like behaviors simultaneously. Customization of these materials is possible by blending them with compounds of specific molecular structures, depending on the dynamic viscosity requirements.

However, the underlying mechanisms behind the distinct mechanical properties of these materials remain unclear. A primary reason for this knowledge gap has been the absence of a comprehensive system capable of simultaneously measuring the mechanical properties and observing the microstructural dynamics of these materials. While X-ray computed tomography (CT) has recently emerged as a promising option for a non-destructive inspection of the internal structure of materials down to nano-scale resolutions, it is not suited for observation under dynamic conditions.

Against this backdrop, a team of researchers, led by Associate Professor (tenure-track) Masami Matsubara from the School of Creative Science and Engineering at the Faculty of Engineering at Waseda University in Japan, has now developed an innovative system that can conduct dynamic mechanical analysis and dynamic micro X-ray CT imaging simultaneously. Their study was made available online on October 19, 2023 and will be published in Volume 205 of the journal Mechanical Systems and Signal Processing on December 15, 2023.

“By integrating X-ray CT imaging performed at the large synchrotron radiation facility Spring-8(BL20XU) and mechanical analysis under dynamic conditions, we can elucidate the relationship between a material’s internal structure, its dynamic behavior, and its damping properties,” explains Dr. Matsubara. At the core of this novel system is the dynamic micro X-ray CT and a specially designed compact shaker developed by the team that is capable of precise adjustment of vibration amplitude and frequency.

The team utilized this innovative system to investigate the distinctions between styrene-butadiene rubber (SBR) and natural rubber (NR), as well as to explore how the shape and size of ZnO particles influence the dynamic behavior of SBR composites.

The researchers conducted dynamic micro X-ray CT scans on these materials, rotating them during imaging while simultaneously subjecting them to vibrations from the shaker. They then developed histograms of local strain amplitudes by utilizing the local strains extracted from the 3D reconstructed images of the materials’ internal structures. These histograms, in conjunction with the materials’ loss factor, a measure of the inherent damping of a material, were analyzed to understand their dynamic behavior.

When comparing materials SBR and NR, which have significantly different loss factors, the team found no discernible differences between their local strain amplitude histograms. However, the histograms displayed wider strain distributions in the presence of composite particles like ZnO. This suggests that strain within these materials is non-uniform and depends on the shape and size of the particles, which may have masked any changes from the addition of the particles.

“This technology can allow us to study the microstructure of rubber and rubber-like materials under dynamic conditions and can result in the development of fuel-efficient rubber tires or gloves that do not deteriorate. Moreover, this technology can also enable the dynamic X-ray CT imaging of living organs that repeatedly deform, such as the heart, and can even pave the way for the development of artificial organs,” says Dr. Matsubara, highlighting the importance of this study.

Overall, this breakthrough technology has the potential to advance the understanding of the microstructure of viscoelastic materials, likely opening the doors for the development of novel materials with improved properties.

Reference

About Waseda University

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About Associate Professor Masami Matsubara

Masami Matsubara is an Associate Professor (tenure-track) at the School of Creative Science and Engineering of the Faculty of Science and Engineering at Waseda University, Japan. He earned his Ph.D. from Doshisha University. His research focuses on the mechanics of materials, mechatronics, and dynamic modelling. He has recently worked on vibration reduction methods and dynamic design for large-scale numerical analysis models and detailed design and experimental methods for component and unit testing. He is a member of the Japan Society of Mechanical Engineers (JSME) and SAE International. He received the JSME Medal for Outstanding Paper in 2014, 2020, and 2022.

異なる戦略で形成した大脳オルガノイド血管系の特徴を明らかに

移植医療や再生医療、ヒトに対する薬剤スクリーニングなど幅広い分野における応用に期待

発表のポイント

ヒト特有の脳の発生過程や疾患の解明、また治療薬開発の鍵としても注目を集める大脳オルガノイドは、それ自身が血管系を有さないために、酸素・栄養の供給や、毒性代謝物の排出が自発的にできず、そのためサイズも制限されるなどの課題に直面し、発展的な利用の足枷となっていました。

既に大脳オルガノイドに機能的な血管構造を導入する戦略が複数提案されてきましたが、それらを統合的に比較した研究がこれまで存在しなかったため、それぞれの血管形成戦略の特徴や課題などを正確に把握できませんでした。

今回の研究において、公開データセットで入手可能なシングルセルRNAシークエンシングデータを用いた解析を行うことにより、異なる戦略のもとで大脳オルガノイドに導入した血管構造を構成する細胞の特徴を明らかにすることができました。将来的に、より実際のヒトの脳に近い血管化大脳オルガノイドを作製する際の指標として活用されることが期待できます。

早稲田大学（以下、早大）総合研究機構の片岡孝介（かたおかこうすけ）主任研究員、理工学術院の朝日透（あさひとおる）教授、大学院先進理工学研究科3年（一貫制博士課程3年）の佐藤由弥（さとうゆうや）らの研究グループ（以下、本研究グループ）は、公共データベース^*1上のシングルセルRNAシークエンシングデータ^*2を再解析し、ミニ人工脳である大脳オルガノイド^*3において血管構造を導入するための複数の戦略（以下、血管化戦略）が、大脳オルガノイドを構成する神経系等に対して異なる影響を与えることを明らかにしました。さらに、血管構造を導入した大脳オルガノイド（以下、血管化大脳オルガノイド）における血管系と神経系の間の相互作用が、血管が正しく脳の血管として機能するために重要である可能性を示しました。

本研究成果は、ドイツ・イギリスに本拠を置く学術出版社であるSpringer Nature社発行による『BMC Biology』誌（論文名：Integrative single-cell RNA-seq analysis of vascularized cerebral organoids）に2023年11月9日（木）午前1:00（グリニッジ標準時GMT）に掲載されました。

(1) これまでの研究で分かっていたこと（科学史的・歴史的な背景など）

多能性幹細胞^*4由来で人工培養された細胞集団であるヒト大脳オルガノイドは、ヒト大脳皮質の発生過程、組織、神経活動を模倣した、三次元のミニ人工脳です。大脳オルガノイドを用いた研究により、神経発生、進化、疾患の理解にかつてない機会がもたらされています。さらに、コロナウイルス感染症のパンデミックでは、ヒトオルガノイドモデルがその病態を理解する上で有望な結果を示し、治療薬開発の鍵としても注目されました。

このようにオルガノイドの応用範囲が急速に拡大しているにもかかわらず、大脳オルガノイドには未だにいくつかの課題があります。大きな課題のひとつに血管系が存在しないことが挙げられます。そのため、従来の大脳オルガノイドは、栄養、酸素、有害代謝産物の交換を培養液における受動的拡散のみに依存しています（図2）。血管系を持たない大脳オルガノイドはサイズも制限され、オルガノイドの中心部では細胞死が引き起こされてしまいます（図2）。

この課題を打破するために、大脳オルガノイドに機能的な血管構造を導入するための複数の戦略が提案されてきました。これらの研究では、血管構造の導入が大脳オルガノイドを構成する神経細胞などの細胞集団の機能、組成、細胞間相互作用等へ与える影響が独自に解析されてきました。しかし、これらの血管構造を導入するための異なる戦略が大脳オルガノイドに与える影響を実際の脳血管と統合的に比較した研究はなく、それぞれの血管化戦略の特徴や課題などが不明でした。そのため、それぞれの血管化大脳オルガノイドにおける血管構造が実際の脳の血管系をどれほど正確に模倣しているのかを確認することができず、より最適な実験プロトコルを見つけ出すことが難しいという問題がありました。

(2) 今回の研究で新たに実現しようとしたこと、明らかになったこと

本研究グループは、異なる戦略で作製された血管化大脳オルガノイドを横断的に評価することを目的に、公開データセットで入手可能な血管化大脳オルガノイドと実際のヒト胎児脳のシングルセルRNAシークエンシングデータを統合的に比較しました。その結果、次の3点が明らかになりました。

①いずれの戦略で血管化しても大脳オルガノイドの遺伝子発現プロファイルは、非血管化大脳オルガノイドのそれと比べて、実際のヒト胎児脳の遺伝子発現プロファイルに近づくこと（図3）。

横軸に各大脳オルガノイドを構成する各細胞種、縦軸に各血管化手法、各マスに実際のヒト胎児脳との遺伝子発現プロファイルの相関値（類似性を示す）を示す。相関値が高いほど胎児脳と近い遺伝子発現パターンを持つことを示す。本結果から、ほとんどの細胞種において、血管化によってヒト胎児脳との相関値は増加していることが明らかになった。

②血管化大脳オルガノイドにおける血管構造を構成する細胞には機能的に重要とされる遺伝子の一部が発現していないこと、およびこの遺伝子発現の欠損の特徴は血管化戦略によって異なること（図4）。

横軸に各大脳オルガノイド、縦軸に血管特異的に発現するマーカー遺伝子を示す。実際の胎児脳の血管系細胞は、マーカー遺伝子をすべて発現しているにも関わらず、各血管化オルガノイドや血管オルガノイドは不十分な発現プロファイルを持つことがわかる。また、戦略によっても異なる発現プロファイルを持つこともわかる。
注：血管オルガノイドは、iPS/ES細胞を血管組織に分化誘導したオルガノイドであり、血管化オルガノイド（血管を形成した大脳オルガノイド）とは異なる。

③血管構造を構成する細胞と神経系の間の相互作用が、血管が脳血管としての特徴を作り出すために重要であり、血液脳関門^*5などの脳に特徴的な血管系の機能に関与する遺伝子の発現に重要であること。

本研究成果により、複数の血管化戦略が神経系および血管系の細胞の分化や遺伝子発現プロファイルに及ぼす影響についての知見が得られました。本研究で得られた知見は、将来的に血管化大脳オルガノイドを作製する際の指標となると考えられます。

(3)研究の波及効果や社会的影響

血管化大脳オルガノイドは、細胞死が起こりにくく実際のヒトの大脳皮質に近いと考えられるため、これからの大脳オルガノイド研究のスタンダードになると考えられています。本研究成果は、血管化オルガノイドのベンチマークとしての活用が期待されます。より実際の胎児脳に近い血管化大脳オルガノイドが完成することで十分にオルガノイドが成熟できるようになり、成人への移植医療や再生医療、ヒトに対する薬剤スクリーニングなど幅広い分野における応用といった社会的影響が期待できます。

(4)今後の課題

今回、公開データセットで入手可能なシングルセルRNAシークエンシングデータを用いた解析により、異なる戦略のもとで大脳オルガノイドに形成させた血管系の特徴が明らかになりました。今後は、解析によって明らかになった血管化手法の弱点を克服する方法を模索するとともに、脳を構成する細胞の機能等、シングルセルRNAシークエンシングデータ以外の情報にも着目した研究を進めることが期待されます。

(5)研究者のコメント

オルガノイド技術は、癌などの疾患や老化などのこれまで人類が対抗できなかった壁を乗り越える可能性をもつ技術です。しかし、血管化などの問題から、実際の脳を十分に再現することができていないという現状があります。本研究成果が、より実際の胎児脳に近い大脳オルガノイド血管化手法のヒントとなり、これまで治療が難しかった疾病を解決する一助となると信じています。

(6)用語解説

１．公共データベース

研究者たちが行う研究で得られた塩基配列等のデータを保存、共有するためのオンラインプラットフォーム。これにより、研究者は自分たちの研究に必要なデータを簡単に検索し、アクセスすることができ、また自分たちのデータを世界中の他の研究者と共有することができる。公共データベース上のデータは、他の研究者によって新しいコンテキストで再利用されたり、実験結果を検証し再現するために使用されたりする。

２．シングルセルRNAシークエンシング

個々の細胞ごとのmRNA塩基配列を読み取る技術。従来のRNAシークエンシング技術は多数の細胞をまとめて分析するため、細胞の個々の違いを見ることができなかった。一方、シングルセルRNAシークエンシングは、多様な細胞から構成される組織においても各細胞に特徴的な遺伝子発現情報を解析することができる。

３．オルガノイド

人や動物の臓器の機能や構造を模倣した、三次元で培養された細胞集団。これらの細胞は、本物の臓器と類似した機能を持つため、薬物スクリーニングや疾患モデル、臓器移植などへの応用が期待されている。

４．多能性幹細胞

体内のさまざまな種類の細胞に分化する能力を持つ特殊な細胞。

５．血液脳関門

脳の血管と神経細胞などの細胞の間で物質の移動を制限する機構。全身投与された薬剤が中枢神経系に到達することも制限するため、神経疾患に対する治療薬開発の最も大きな障壁の一つにもなっている。

(9)論文情報

雑誌名：BMC Biology
論文名：Integrative single-cell RNA-seq analysis of vascularized cerebral organoids
執筆者名（所属機関名）：Yuya Sato, Toru Asahi, Kosuke Kataoka (Waseda University)
掲載日時（現地時間）：2023年11月9日（木）午前1:00（グリニッジ標準時GMT）
DOI：https://doi.org/10.1186/s12915-023-01711-1

(10)研究助成（外部資金による助成を受けた研究実施の場合）

研究費名：科学研究費補助金 若手研究
研究課題名：カンナビノイド受容体CB1によるマイトファジー調節機構と加齢性記憶障害への関与
研究代表者名（所属機関名）：片岡孝介（早稲田大学）

研究費名：科学研究費補助金 若手研究
研究課題名：内在性カンナビノイド系の変調がもたらす加齢性記憶障害の分子基盤の解明
研究代表者名（所属機関名）：片岡孝介（早稲田大学）

2023年度JST「戦略的創造研究推進事業 先端的カーボンニュートラル技術開発（ALCA-Next）」に採択

国立研究開発法人科学技術振興機構（ＪＳＴ）の2023年度戦略的創造研究推進事業 先端的カーボンニュートラル技術開発（ALCA-Next）において、書類及び面接選考を経て、理工学術院 関根泰教授の提案が採択されました。（応募総数：198件、採択総数：28件）

採択された技術領域「資源循環」では、資源の効率的な循環利用を低環境負荷で可能とし、温室効果ガス排出量の削減に大きく貢献する技術や材料、化学的プロセスの研究開発を推進することを目指しています。資源循環の観点から、提案の斬新性や実現可能性、温室効果ガス排出量をどの程度削減可能かという点が重視され、エネルギーフローやマテリアルフローの観点から、温室効果ガス削減について定量的な目標を設定の上、それを達成する具体的な技術が示された提案であるかが優先された結果の採択となりました。

採択課題（技術領域：資源循環）

関根 泰（理工学術院 教授）
「ケミカルループ法による革新的ＣＯ２転換材料の開発」

ALCA-Nextとは

世界各国においてカーボンニュートラルの実現に向けた動きが加速し、GX（グリーントランスフォーメーション）関連投資も急速に拡大しています。GXの実現のためには、2050年のカーボンニュートラルを実現するとともに、産業競争力の強化、経済成長・発展が必要不可欠です。今後の温室効果ガス（GHG）削減目標の達成や将来産業の創出に向けては既存技術の導入だけではなく新規技術の創出が必要であり、そうした技術を継続的に生み出すためには、産業界における実証や技術開発と並行してアカデミアにおける研究開発と人材育成への支援、企業とアカデミアの真の連携による社会実装が求められます。
これに応えるために開始されたALCA-Nextは、カーボンニュートラルへの貢献という出口を明確に見据えつつ、個々の研究者の自由な発想に基づき、科学技術パラダイムを大きく転換するゲームチェンジングテクノロジー創出を目指す事業です。（出典：JST ACLA-Nextウェブサイト）

【設定されている技術領域】
・蓄エネルギー
・エネルギー変換
・資源循環　　※今回本学が採択された領域
・グリーンバイオテクノロジー
・半導体
・グリーンコンピューティング・ＤＸ

動的条件下でのX線CT撮影技術を開発

―ゴム材料に限らず生体撮影も可能、バイオ関連分野への応用にも期待―

【研究のポイント】

材料の内部構造を非破壊検査する方法として普及しているX線CT^※1は、動的条件下での材料の観察には不向きであった。

ストロボ効果^※2を利用した動的条件下でのX線CT撮影技術を開発し、複合化したゴム材料の動的粘弾性試験^※3と動的X線CTによる計測を同時に行うことが可能になった。

心臓のような繰り返し変形するようなものであれば、生体の動的X線CT撮影も可能となる技術で、テラヘルツ波を用いたCT撮影など、材料に限らず医療・バイオ関連分野への応用も期待できる。

【研究概要】

早稲田大学理工学術院の松原真己（まつばら まさみ）准教授を中心とする研究グループは、複合化したゴム材料の内部構造および動的挙動と減衰特性にどのような関係性があるのかを解明するために、ストロボ効果を利用した動的条件下でのX線CT撮影技術（以下、動的X線CT ）を開発（図1）、動的X線CTと動的粘弾性試験を同時に実施する実験系を構築し、ゴム材料のミクロな内部構造とマクロな特性である減衰特性の関係を分析しました。

図1：動的X線CTの概略図

本研究成果は、オランダのエルゼビア社が発刊する国際学術誌『Mechanical Systems and Signal Processing』にて、2023年10月19日（木）に掲載されました。

（１）これまでの研究で分かっていたこと

ゴム材料に微粒子を複合化すると、減衰特性が更に向上します。これは微粒子界面における摩擦や、微粒子による変形阻害等が要因であると指摘されていますが、直接観察した事例はなく、そのメカニズムは未解明でした。近年、材料内部の構造を非破壊検査する方法としてX線CTが普及し、マイクロ・ナノオーダーの分解能での計測が可能となってきました。一方で、X線CTは対象物を回転させながら計測するため、動的条件下での観察には不向きです。

（２）今回の研究で新たに実現しようとしたこと

材料の減衰特性評価では引張状態で振動を加え（加振）、そのときに発生する荷重と変位を計測する動的粘弾性試験がよく利用されます。この動的粘弾性試験の動的条件下においてX線CT撮影による計測を同時に実施することができれば、複合化したゴム材料の内部構造および動的挙動と減衰特性の関係性が明確になると考えました。

そこで本研究では、動的粘弾性試験では材料が繰り返し変形することに着目し、加振周期、CT回転ステージの回転速度、CT画像用のカメラのシャッタータイミングを制御することでストロボ効果を利用した撮影手法を開発しました。そして、大型放射光施設SPring-8^※4（BL20XU）に、今回開発した新たな小型動的粘弾性試験を導入し、動的粘弾性試験と動的X線CTによる同時計測を実現しました。今回の成果を得るためには、 SPring-8の極めて明るく安定した光源と高速度カメラを利用したCTが必須でした。

この撮影技法が有効であるか確かめるため、制振材としてよく利用されるスチレンブタジエンゴム（SBR）に、球状、板状の形状をもつ酸化亜鉛（ZnO）を複合化した試験片を用意し、動的X線CTを実施しました。ZnOは安価かつ形状の種類が多く、複合材（微粒子）としてよく利用されます。静的および動的条件下のCT画像を比較した結果、動的条件下の内部構造を可視化できたことから本研究で開発した動的X線CTが有効であることを確認しました。

また、内部構造と減衰特性の関係を分析するため、CT画像からμmオーダーの空間でひずみ（局所ひずみ）を算出した結果、複合化する微粒子形状の違いによって材料内部のひずみが均一ではなく不均一になることがわかりました。図2 は立体像内で確認できた局所ひずみの大きさをヒストグラムとして評価したものです。SBR単体および球状の場合は、ヒストグラムは鋭いピークをもっており、均一な変形が起こっていることを示します。一方、板状では広域的な分布となっておりひずみの大きさにばらつきがあり、不均一な変形が起こっています。このように、ミクロな動的挙動の特徴を捉えることが可能となりました。

図2：スチレンブタジエンゴム（SBR）に酸化亜鉛（ZnO）の球状（左図）と板状（右図）を配合した際の局所ひずみの大きさを表した分布図（ヒストグラム）。

（３）研究の波及効果や社会的影響

本研究では動的条件下でのX線CT撮影技術の開発に取り組みました。例えば、生体であっても心臓のような繰り返し変形するようなものであれば、動的X線CT撮影が可能となる技術です。テラヘルツ波を用いたCT撮影にも利用でき、材料に限らず医療・バイオ関連分野への応用も期待できます。

（４）今後の課題

動的条件下でのX線CT撮影は可能になりましたが、複合化したゴム材料の減衰特性と動的挙動の関係性についてはまだ明確になっていません。動的挙動からエネルギー散逸に関わる情報を抽出することが課題となっています。

（５）研究者のコメント

もともと高速回転タイヤの接地面ゴムの微小変形計測用に組んできた撮影技法をX線CTに実装しました。提案法をベースに材料や構造物の力学特性を決定付ける構造的な因子は何かを探究できればと考えています。

（６）用語解説

※1　X線CT：

X線を用いて物体の断面像や立体像を得る手法。CTはComputed Tomographyの略で、コンピューター断層撮影を意味しています。

※2　ストロボ効果：

ストロボはストロボスコープの略で、ある時間間隔で光を点滅させることを指します。この点灯タイミングで撮影すれば、対象物が高速回転体であれば、あたかも止まったような画像を得ることができます。通常、回転体の回転周期よりも十分に短いフレームレート（1秒間に撮影できる画像の枚数）のカメラで撮影しなければ、回転体の撮影はできませんが、ストロボの点灯タイミングと回転体の回転位相をコントロールすることで、回転周期よりも長いフレームレートのカメラでも撮影が可能となります。ここではその効果をストロボ効果と呼んでいます。

※3　動的粘弾性試験：

試験片に変位振動を与え、それによって発生する応力と歪みを測定することにより、貯蔵弾性率、複素弾性率、損失係数（減衰特性）といった力学的特性を測定する方法です。

※4　大型放射光施設SPring-8：

太陽の100億倍もの明るさに達する「放射光」という光を使って、X線回折、小角X線散乱、X線CT、光電子分光などの分析ができる研究施設設。材料開発にとどまらず、生体の分析、半導体や燃料電池の開発など産業分野でも活用されています。

SPring-8 ｜http://www.spring8.or.jp/ja/

（７）論文情報

雑誌名：Mechanical Systems and Signal Processing

論文名：In-situ measurement of dynamic micro X-ray CT and dynamic mechanical analysis for rubber materials

執筆者名（所属機関名）：松原真己¹、髙良領²、駒津泰一²、古田将吾²、小林正和²、虫明仁夢³、上杉健太郎⁴、河村庄造²、田尻大樹²

（¹早稲田大学、²豊橋技術科学大学、³ 兵庫県立工業技術センター、⁴ 公益財団法人高輝度光科学研究センター）

掲載日（現地時間）：2023年10月19日（木）

掲載URL：https://doi.org/10.1016/j.ymssp.2023.110875

DOI：10.1016/j.ymssp.2023.110875

（８）研究助成（外部資金による助成を受けた研究実施の場合）

研究費名：科研費基盤研究(C)

研究課題名：動的X線CTによる微粒子複合ゴムの振動減衰メカニズムの解明

研究代表者名（所属機関名）：松原真己（豊橋技術科学大学）

準安定相型メソポーラス半導体 (CuTe₂)の合成に成功

～光エレクトロニクス材料として優れたテルル化合物の応用に道を～

【本研究のポイント】

電気化学的ミセル^注1）集積法により、常温下で準安定相型^注2）メソポーラス^注3）半導体^注4） (CuTe₂）薄膜の合成に成功した。

準安定相CuTe₂薄膜の合成に重要な基板素材として、アルミニウム基板を用いることで、優れた結晶性と長期安定性を示した。

本研究成果は、加工が困難だったテルル化合物を光エレクトロニクス材料として活用する新たな手法を提案するものであり、光伝導素子、可調光センサー、検出器などの改良への貢献が期待される。

【研究概要】

国立大学法人東海国立大学機構　名古屋大学大学院工学研究科の山内 悠輔 卓越教授（JST-ERATO山内物質空間テクトニクスプロジェクト研究総括、クイーンズランド大学教授、及び早稲田大学客員上級研究員（研究院客員教授）兼任）、濱田 崇 特任准教授、早稲田大学の江口 美陽 准教授らは、クイーンズランド大学とニューサウスウェールズ大学との共同研究で、適切な基板選択と電気化学的ミセル集積法を用いて、常温下で準安定相型メソポーラス半導体（CuTe2）の薄膜の合成に成功しました。

従来のCuTe2薄膜は、光伝導素子、可調光センサーおよび検出器などの光エレクトロニクス材料への応用が期待されていますが、熱的安定性が課題であり、常温下でも安定なCuTe2薄膜が望まれていました。

本研究グループは、常温下でも安定な準安定相型メソポーラスCuTe2薄膜の合成には、基板素材の選択が重要であることを明らかにし、アルミニウム基板上で合成したメソポーラス型CuTe2薄膜は、優れた結晶性と長期安定性を示すことを見出しました。この技術により1.67 eVのバンドギャップを有する準安定相型のメソポーラスCuTe2薄膜の合成が実現できることから、種々の照明条件下で優れた光応答を示すことになり、光伝導素子、可調光センサー、および検出器などへの応用が期待でき、光エレクトロニクス分野のさらなる発展が期待できます。

本研究成果は、2023年10月18日付アメリカ化学会誌「Journal of the American Chemical Society」に掲載されました。

【研究背景と内容】

新規材料の探索は、学術的にも産業的にも重要であり、デバイスなどの高性能化、低消費電力、小型化、環境問題を含む新たな機能の創出につながります。材料の探索研究では、基底状態の構造を調べるなど、これまでに多くの効果的な材料が見つかっており、広く利用されています。最近では、高エネルギー状態である不安定な相（速度論的な構造）を持つ準安定相材料に注目が集まっています。この分野では、金属ハライドペロブスカイトや金属相（1T相）の二次元物質である遷移金属ダイカルコゲナイド（Transition Metal Dichalcogenide, TMDs）^注5）など、優れた材料が報告されています。特に、準安定相な金属で狭いバンドギャップ相を持つ第VI族であるモリブデンやタングステンのTMDsは、水素発生電気触媒や高容積キャパシタンスなど優れた性能を示します。このグループに属するいくつかの広いバンドギャップを持つ材料は、量子スピンホール相などの絶縁特性を示すこともあります。金属ハライドペロブスカイトの場合、多様なポリモルフ構造を持つ新しい構造変換性半導体としても分類されています。これらの材料は、高い拡散定数や対称性を持つため、固体電池のアクティブ電極材料として理想的です。鉛ハライドペロブスカイトは、高性能な光伝導体と光電子デバイスの開発にも使用されています。

従来の準安定相材料の製造技術には、イオン注入、直接合成、複数の前駆体法、化学的合成、物理的または化学的堆積、圧縮、急速冷却、ソフトケミカル、コンビナトリアル合成や機械的摩耗などがあります。また、メカノケミカル手法を用いて機械的エネルギー（例：ボールミリング）によって化学反応を誘発する手法も準安定相結晶の合成に使用されています。この手法は比較的環境に優しく、有害な有機溶媒を必要としない利点が挙げられます。

特に、硫化物やセレン化物の銅ベースのTMDシステムは、電気的および磁気的特性に優れ、広く研究されています。また、テルライド材料^注6）は高い光変換効率と優れた熱電特性を持つため、多くの研究が行われています。例えば、Cu₂Teや CuTeなどの銅とテルルの組成が異なる材料は、熱電材料への応用においても大きな関心を集めています。銅-テルル化合物^注7）は安定相と準安定相など様々な組成を持つため、その結晶構造は複雑であり、銅-テルル構造は既知の銅ハライド中で最も複雑です。これらの材料の合成では、高温や高圧など過激な条件が必要で、実用化には課題が残っています。加えて、テルルは希少な材料であるため、テルルの特徴的な特性を活用しながら、コスト削減も求められています。

この研究では、ポリマーミセルを用いるソフトテンプレート法と電気化学的手法によりCuTe₂の結晶構造を制御しつつ、高品質で安定したCuTe₂を低温と常圧下で合成する効果的な方法を開発しました（図1）。さらに、異なる温度でのCuTe₂の化学組成の安定性を調べるため、金属電極の析出方法の検討、”その場”観察によって構造と化学的変化を評価した。また、合成したCuTe₂半導体の光電子特性の調査を行いました。

本手法では、適切な基板選択とソフトテンプレート法を用いて、準安定相CuTe₂半導体を合成しました（図1）。この手法では、ブロック共重合体^注8）が自己組織化することでポリマーミセルを形成し、メソポーラス半導体を合成するための基礎となります。安定なミセルの利用、及び合成条件（例：温度）を変えることで、結晶性の制御を可能にし、電極の選択が、メソポーラス準安定相型CuTe₂膜の成長を容易にすることを明らかにしました。特に、金属電極が、酸化または還元電位、pHレベル、および電解質組成などの電気化学反応条件に大きな影響を与えることが明らかになりました。

一般的に、還元電位が高い（金などの）金属電極は、析出物に含まれる不純物の量を減少させる傾向があり、還元電位が低い（アルミニウムなど）金属電極は不純物の量を増加させる傾向があります。各金属電極の化学反応性は、材料の構造、光学、および電気的特性を時間とともに変化させることが可能です。実際、種々の電極上でメソポーラス型テルル銅半導体の合成に成功しました。アルミニウム電極上で合成した準安定相型メソポーラスCuTe₂半導体はポリマーミセルのサイズに相当する16.8 nmのメソ孔を有することを電子顕微鏡から確認しました（図2）。一方で、金電極上で合成した準安定相型メソポーラスCuTe₂半導体は16.6 nmのメソ孔^注9）を有していました。

メソポーラスCuTe₂半導体の光応答性を調べるために、光センサーを作製しました。この光センサー作製では、センシング要素となるCuTe₂を幅1μmのアルミ電極間に析出させました（図3）。このセンサーに、赤色発光ダイオード（LED）、緑色LED、およびエアマス1.5^注10）の疑似太陽光を照射して、アルミニウム電極上で合成した準安定相型メソポーラスCuTe₂薄膜の電気伝導性を測定しました。−10から+10 Vの電圧範囲で応答を示し、疑似太陽光、緑色LED（16.8 mW/cm²）および赤色LED（10.6 mW/cm²）下で、顕著な応答を示しました。アルミ電極で作製した組成の異なる準安定相型メソポーラス薄膜（CuTe）センサーの応答を類似の照明条件（強度および波長）で比較したところ、電流密度が高くなり、メソポーラスCuTe₂薄膜の光応答性がメソポーラスCuTe薄膜を上回る結果となりました。この強い光吸収特性は、メソポーラスCuTe₂薄膜のバンドギャップ（1.67 eV）が後者のメソポーラスCuTe薄膜（2.35 eV）よりも低いためと考えられます。

【成果の意義】

本研究では、適切な基板の選択、及び温度制御結晶化技術により、アルミ電極上に16.8nmのメソポーラス構造を持つ準安定相型CuTe₂薄膜を電気化学析出法で合成することに成功しました。このメソポーラスCuTe₂薄膜は、赤外線吸収材料（バンドギャップ、Eg = 1.67 eV）として機能しました。本研究で提案する手法は、前駆体のイオン濃度（CuイオンとTeイオン）を変化させることによって、銅−テルルの二元系のエネルギーバンドギャップ幅を制御できることを示しており、新たな工学アプローチを提案することになります（メソポーラスCuTe薄膜のバンドギャップ、Eg = 2.32 eV）。”その場”観察法により、電極材料の選択が化学組成と銅-テルル半導体の構造の安定性に大きな影響を与えることを明らかにしました。従来の特殊な容器を必要とする高温、高圧下での合成手法と比較して、低コストでの製造プロセスが可能になり、エネルギーペイバックタイム^注11）の短縮も期待できます。以上から、高い光電変換効率と優れた熱電特性を示すテルルをベースとする材料を、汎用的に利用できる可能性があることを実証しました。

本成果は、光伝導素子、可調光センサー、および検出器などへの応用が期待でき、光エレクトロニクス分野のさらなる発展が期待できます。

本研究は、2020年度から始まった「JST-ERATO山内物質空間テクトニクスプロジェクト」の支援のもとで行われました。

【用語説明】

注1）ミセル：

水になじむ親水部と水になじまない疎水部を持つ両親媒性分子が集まってできたコロイドのこと。

注2）準安定相型:

安定相よりもギブスの自由エネルギーが大きい状態のこと。

注3）メソポーラス:

メソ細孔を有する多孔体のこと。

注4）半導体：

電気伝導性が導体と絶縁体との中間の物質のこと。

注5）遷移金属ダイカルコゲナイド（Transition Metal Dichalcogenide, TMDs）：

構成式がMX₂で、遷移金属原子（M）と硫黄、セレン、テルルなどのカルコゲン原子（X）で構成される物質群のこと。

注6)テルライド材料：

テルルを含む材料で、テルル化カドミウムやテルル化ビスマスなどがある。

注7）銅-テルル化合物：

銅とテルルから構成され、組成と結晶構造で性質が変化する。

注8）ブロック共重合体：

二種類の異なるポリマーが連結した高分子化合物のことで、ブロック共重合体はナノ構造を発現する自己組織化材料としても知られている。

注9）メソ孔：

直径2 nm以下の細孔をマイクロ細孔、直径2–50 nmの細孔をメソ細孔、直径50 nm以上の細孔をマクロ細孔と定義されている。

注10）エアマス1.5G：

エアマスとは太陽光のスペクトルを表し、大気通過量のこと。エアマス1.5はその通過量が1.5倍での到達光を表している。

注11）エネルギーペイバックタイム：

電力や熱などのエネルギーを生産するエネルギー設備の性能評価のこと。

【論文情報】

雑誌名：Journal of the American Chemical Society
論文タイトル：Mesoporous Metastable CuTe₂ Semiconductor
著者：Aditya Ashok, Arya Vasanth, Tomota Nagaura, Caitlin Setter, Jack Kay Clegg, Alexander Fink, Mostafa Kamal Masud, Md Shahriar Hossain, Takashi Hamada, Miharu Eguchi, Hoang-Phuong Phan, and Yusuke Yamauchi
DOI: 10.1021/jacs.3c05846
URL: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.3c05846

ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡とアルマ望遠鏡の最強タッグで、最遠方の原始銀河団を捉えることに成功

発表概要

日本の橋本拓也助教（筑波大学）とスペインのJavier Álvarez-Márquez研究員（スペイン宇宙生物学センター）を中心とし、早稲田大学理工学術院の菅原悠馬次席研究員と井上昭雄教授も参加する国際研究チームは、ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡とアルマ望遠鏡を使った観測により、最も遠い131.4億光年かなたにある原始銀河団の中でも、とくに銀河が密集している大都市圏に相当する「コア領域」を捉えることに成功しました。多くの銀河が狭い領域に集まることで、銀河の成長が急速に進んでいることが明らかになりました。さらに研究チームはシミュレーションを活用して大都市圏の姿の将来予想をしたところ、数千万年以内には大都市圏が１つのより大きな銀河になることを明らかにしました。銀河の生まれと育ちに関わる重要な手がかりとなることが期待されます。

図1　（左）ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡とアルマ望遠鏡で調べた原始銀河団A2744ODz7p9の中でも銀河の密集した「大都市圏」の想像図。（右）「大都市圏」の未来予想図（数千万年後の姿）。Credit: 国立天文台

研究の背景

星の集団である銀河の中で、個々の星がどのようにして生まれ、死に、その残骸からまた新しい星が生まれていくのか、そしてその集団としての銀河がどうやって成長していくのかを知ることは、宇宙における私たちのルーツを知ることでもあり、天文学の重要なテーマです。100個以上もの銀河がお互いの重力で集まった集団は銀河団と呼ばれ、これは宇宙における最も大きな構造の一つです。地球に比較的近い銀河の観測から、銀河同士が密集した環境のほうが、個々の星の生死のサイクルが急速に進むことが知られており、これは「環境効果」と呼ばれています。しかし、宇宙の歴史において、この環境効果はいつごろから存在したのかは、よく分かっていませんでした。これを知るためには、宇宙が誕生して間もないころの銀河団の祖先を観測する必要があります。銀河団の祖先は原始銀河団と呼ばれ、10個程度の、およそ100億光年以上かなたの銀河の集団です。幸い、天文学では、遠くの宇宙を観測することで、昔の宇宙の姿を観測することができます。例えば、130億光年かなたの銀河からの光や電波は130億年の時間をかけて地球に届くので、今、私たちが観測するのは、130億年前のその銀河の姿なのです。ただし、130億光年もの距離を旅して届く光や電波はその間に弱まってしまうので、観測する望遠鏡には高い感度と空間分解能が求められます。

研究内容と成果

日本の橋本拓也助教（筑波大学）とスペインのJavier Álvarez-Márquez 研究員(スペイン宇宙生物学センター)を中心とする国際研究チームは、高い感度と空間分解能を持つジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡(JWST、可視光・赤外線を観測)とアルマ望遠鏡（電波を観測）を用いて、原始銀河団A2744z7p9ODの「コア領域」を調べました。原始銀河団A2744z7p9ODは、欧米の研究グループによるJWSTを用いた観測により、最も遠い131.4億光年^[1]かなたの原始銀河団であることが発表されていました^[2]。「しかし、この原始銀河団の中で最も銀河候補が多い『大都市圏』に当たる『コア領域』を隈なく観測することはできておらず、銀河の環境効果が始まっているかどうかは不明でした。そこで私たちは、コア領域に注目した研究をすることにしたのです。」と研究をリードした橋本拓也助教（筑波大学）は語ります。

研究チームはまず、この原始銀河団のコア領域のJWSTによる観測に挑みました。可視光から近赤外線までの波長をスペクトル観測する装置NIRSpecの面分光モードを用いることで、視野内のすべての場所のスペクトルを同時に取得することができます。得られた面分光の解析手法を改良しながら、高い空間分解能でコア領域を調べました。その結果、天の川銀河の半径のさらに半分相当の36,000光年を一辺とする四角形領域の中で、電離した酸素イオンの光 ([OIII] 5008Å)を４つの銀河から検出することに成功しました（図2左）。この光の赤方偏移（宇宙膨張により光源の銀河が遠ざかっていることによる波長の伸び）から、4つの銀河の地球からの距離は131.4億光年と同定されました。JWSTデータの解析をリードした菅原悠馬研究員（早稲田大学/国立天文台）は「共同研究者とともに苦心して解析したデータから、酸素イオンの光がほとんど同じ距離で4箇所も検出されたときは驚きました。コア領域の“銀河候補”は、確かに原始銀河団のメンバーだったのです。」と語ります。

さらに、研究チームは、この領域についてすでに取得されていた、アルマ望遠鏡による塵の出す電波の観測データに注目しました。解析の結果、4つの銀河のうち3つから、塵の出す電波を検出しました (図2右)。これは、これほど過去の時代にある原始銀河団として、塵が検出された初めての例です。銀河の中の塵は、銀河を構成している重い星々がその進化段階の終末期に引き起こす超新星爆発により供給され、それが新しい星の材料になると考えられています。このため、銀河に多量の塵があることは、銀河内の第1世代の星の多くがすでに一生を終えており、銀河の成長が進んでいることを示しています。研究チームの立ち上げ時から本研究に携わったLuis Colina教授（スペイン宇宙生物学センター）は、「同じ原始銀河団のうち、コア領域以外の密集していない銀河では、塵は検出されませんでした。これは、多くの銀河が狭い領域に集まることで銀河の成長が急速に進んでいることを示しており、138億年前の宇宙誕生からわずか7億年余りの時代に環境効果が存在していたと考えられます。」と研究の意義を語ります。

図2. 背景のカラー画像はJWSTに搭載されたカメラで取得された、原始銀河団A2744ODz7p9のコア領域の光の強度（青→緑→黄→赤の順に強くなる）のマップ。光が強い箇所に銀河の候補が存在することを示す。四角形領域の一片は、天の川銀河の半径のさらに半分程度の大きさに相当する。(左) 等高線はJWSTに搭載された装置NIRSpecで取得した電離酸素の放つ光の分布を表す。4つの銀河が、131.4億光年かなたに同定された。(右)等高線はアルマ望遠鏡で取得した塵の放つ電波の分布を表す。4つの銀河のうちの3つから塵の放射が認められる。図中左下の白丸は、アルマ望遠鏡データのビームサイズを表す。

Credit: JWST (NASA, ESA, CSA), ALMA (ESO/NOAJ/NRAO), T. Hashimoto et al.

さらに、研究チームは、このコア領域に密集した4つ銀河が、どのように形成され、進化するのかを理論的に検証するため、銀河形成シミュレーションを行いました。その結果、観測された天体と同じく宇宙が誕生してから6.8億年のころに、図３(a)のようなガスの粒子が密集した領域が存在し、図３(b)のように拡大をすると狭い領域に密集した４つの銀河が形成されることが示されました。この4つの銀河の進化を追うために、シミュレーションでは、銀河を構成する星やガスの運動、化学反応、星の形成や爆発現象といった物理過程を計算しました。すると、数千万年という、宇宙の進化のタイムスケールとしては短い時間で合体し、より大きな銀河に進化することが示されました。「今回の観測銀河の再現は、我々のシミュレーションが高い空間分解能と多数の銀河サンプルを有するからこそ可能でした。今後はコア領域の形成メカニズムやその力学的性質を詳細に探っていきたいです。」とシミュレーションデータの解析を行なった仲里佑利奈大学院生（東京大学）は語っています。

図3. 銀河形成シミュレーションによる本天体の成⻑の予想。(a)宇宙年齢 6.89 億年における原始銀河団 A2744z7p9OD に似た領域のガスの密度の様子。(b)は(a)のコア領域の拡大図で、JWST で観測された領域相当の領域。図の濃淡は、酸素イオンの光の分布を示す。(b)から(d)は、シミュレーション天体の進化の様子。4つの銀河が次第に合体を繰り返して、より大きな天体へと進化する様子を表す。Credit: T. Hashimoto et al.

Javier Álvarez-Márquez 研究員 (スペイン宇宙生物学センター)は、「今後、原始銀河団A2744z7p9ODについて、アルマ望遠鏡でさらに高感度の観測を実施し、これまでの感度では見えなかった銀河が存在するかどうかを調べます。また、今回その威力が実証されたJWSTとアルマ望遠鏡のタッグによる観測をより多くの原始銀河団に適用し、銀河の成長メカニズムを明らかにしていくことで、宇宙における我々のルーツに迫ります。」と展望を語っています。

論文情報

この観測成果は、T. Hashimoto et al. “Reionization and the ISM/Stellar Origins with JWST and ALMA (RIOJA): The core of the highest redshift galaxy overdensity confirmed by NIRSpec/JWST’’として天文学専門誌 The Astrophysical Journal Letters に2023年8月30日付で受理され、今後掲載予定です。

研究成果は日本天文学会2023年秋季年会で9月20日に発表いたしました。

今回の研究を行なった研究チームのメンバーは、以下の通りです。

橋本 拓也（筑波大学）、Javier Álvarez-Márquez（スぺイン宇宙生物学センター）、札本 佳伸（千葉大学）、Luis Colina（スペイン宇宙生物学センター）、井上 昭雄（早稲田大学）、仲里 佑利奈（東京大学）、Daniel Ceverino （マドリード自治大学）、吉田 直紀（東京大学、Kavli IPMU）、Luca Costantin（スペイン宇宙生物学センター）、菅原 悠馬（早稲田大学、国立天文台）、Alejandro Crespo Gómez （スペイン宇宙生物学センター）、Carmen Blanco-Prieto （スペイン宇宙生物学センター）、馬渡 健（筑波大学）、Santiago Arribas （スペイン宇宙生物学センター）、Rui Marques-Chaves （ジュネーヴ大学）、Miguel Pereira-Santaella（スペイン基礎物理学研究所）、Tom J.L.C. Bakx（チャルマース工科大学）、萩本 将都（名古屋大学）、橋ヶ谷 武志 （京都大学）、松尾 宏 （国立天文台、総合研究大学院大学）、田村 陽一（名古屋大学）、碓氷 光崇（筑波大学）、任 毅 （早稲田大学）

助成金情報

この研究は、日本学術振興会科学研究費補助金(課題番号 20K14516、22H01257、22H04939、23H00131)、日本学術振興会卓越研究員事業(HJH02007)、ALMA 共同科学研究事業(2020-16B)、the Spanish Ministry of Science and Innovation/State Agency of Research (PIB2021-127718NB-100)、Program “Garantía Juveníl” from the “Comunidad de Madrid” 2021 (CM21 CAB M2 01)、Co- munidad de Madrid under Atracción de Talento (2018-T2/TIC-11612)、the Ramón y Cajal program of the Spanish Ministerio de Ciencia e Innovación (RYC2021-033094-I )の補助を受けて行われました。

アルマ望遠鏡（アタカマ大型ミリ波サブミリ波干渉計、Atacama Large Millimeter/submillimeter Array: ALMA）は、欧州南天天文台（ESO）、米国国立科学財団（NSF）、日本の自然科学研究機構（NINS）がチリ共和国と協力して運用する国際的な天文観測施設です。アルマ望遠鏡の建設・運用費は、ESOと、NSFおよびその協力機関であるカナダ国家研究会議（NRC）および台湾国家科学及技術委員会（NSTC）、NINSおよびその協力機関である台湾中央研究院（AS）と韓国天文宇宙科学研究院（KASI）によって分担されます。 アルマ望遠鏡の建設と運用は、ESOがその構成国を代表して、米国北東部大学連合（AUI）が管理する米国国立電波天文台が北米を代表して、日本の国立天文台が東アジアを代表して実施します。合同アルマ観測所（JAO）は、アルマ望遠鏡の建設、試験観測、運用の統一的な執行および管理を行なうことを目的とします。

注釈

[1] 今回の天体の赤方偏移は、z = 7.88でした。これをもとに最新の宇宙論パラメータ（H₀ = 67.7 km/s/Mpc, Ω_m = 0.3111, Ω_Λ =0.6899 ）で距離を計算すると、131.4億光年になります。

[2] A2744z7p9ODは、欧米の研究グループを率いる森下貴弘研究員（カリフォルニア工科大学）らによって最初に距離が決定されました。

2023年9月30日（土）、第3回「日本医科大学・早稲田大学合同シンポジウム～両校の実質的連携を目指した研究交流～」を日本医科大学橘桜ホールにおいて開催しました。

日本医科大学と本学との連携は、2009年に締結した包括協定から始まり、実質的な研究連携への合意（2020年）を経て、本学附属校・系属校との高大接続連携に関する協定（2020年）へと発展してきました。２０２１年度からは、日本医科大学で選抜された3年生を、本学の理工系研究室に3週間迎え入れて交流を図る「研究配属」も実施しています。

シンポジウム冒頭の開会挨拶で、日本医科大学学長の弦間昭彦氏から、合同シンポジウム等を通した両大学の対話により、公的資金の獲得や論文という形で具体的な成果が現れつつあること、また、今後の一層の発展へ向けた期待が述べられました。続いて、早稲田大学副総長の須賀晃一から、研究面のみならず、高大接続連携や日医大3年生の3週間の研究配属など、教育面での連携についても着実に歩を進めており、研究と教育の両輪でさらに連携を進めることで、社会に貢献していきたいとの意気込みが語られました。

開会挨拶に続く第一部の研究紹介では、日本医科大学２名、本学２名の研究者が研究紹介を行いました。

• 澤田 秀之（早稲田大学理工学術院 教授）
  「温度と微小振動刺激を利用した化学療法誘発性末梢神経障害性疼痛の診断法の開発」
• 山口 博樹（日本医科大学血液内科学 教授）
  「医工連携による造血幹細胞移植診療における新規バイオマーカーの探索」
• 酒井 哲也（早稲田大学理工学術院 教授）
  「人を救うコンピュータサイエンスに関するいくつかの話題」
• 福原 茂朋（日本医科大学分子細胞構造学 教授）
  「血管透過性の制御機構と疾患・加齢によるその破綻メカニズム」

第二部では、日本医科大学生が早稲田大学における研究配属の成果発表を行い、優秀研究賞１件が選ばれました。

• 浜田 道昭 研究室配属 1名
• 棟近 雅彦 研究室配属 2名
• 岩田 浩康 研究室配属 3名
• 石井 裕之 研究室配属 3名　※優秀研究賞
• 岩﨑 清隆 研究室配属 3名

閉会挨拶では、まず本学常任理事の本間敬之から、日本医科大学が持つニーズと、本学がもつ手法や材料とをマッチングさせることで今回講演があったような素晴らしい成果が得られるので、今後もそのような機会を広げていきたいとの抱負が語られました。また、日本医科大学大学院医学研究科長の桑名正隆氏から、早大附属校・系属校生の日本医科大学への推薦、日本医科大学生の研究配属、研究者間の共同研究等を通じて世代を超えた幅広い交流ができており、これらが今後のさらなる両校の発展につながるものと期待しているとのお言葉がありました。

今後も、日本医科大学と本学は、研究と教育との両輪で医理工連携を推進し、社会に貢献してまいります。

Quanmatic社、英国OQC社と早稲田大学

量子コンピュータのアルゴリズム開発における基本合意書を締結

アルゴリズムに強みを持つ早稲田大学発のスタートアップ　株式会社Quanmatic（東京都新宿区、代表取締役：古賀 純隆、以下、Quanmatic）、欧州のゲート式量子コンピュータ^*1のリーディングプレーヤである英国Oxford Quantum Circuits社（英国レディング、CEO：イラーナ・ウィスビー、以下、OQC）と早稲田大学グリーン・コンピューティング・システム研究機構（東京都新宿区、機構長：木村啓二、以下、早大GCS機構）は、2023年8月29日（火）にOQCのゲート式量子コンピュータを用いたアルゴリズム開発における基本合意書（Memorandum of understanding：以下基本合意書）を締結いたしました。

本基本合意書は、Quanmatic・OQC・早大GCS機構がOQCのハードウェアにおいて効率的に動作するアルゴリズムの開発と、現実問題への応用を目指すことを目標にしております。継続的な共同開発を行うことにより、ゲート式量子コンピュータによる実社会の課題の解決の早期実現を目指します。当面は早大GCS機構の戸川研究室が強みを持つ最適化の近似解アルゴリズムを現状のOQCのLUCY^*2をベースに開発し、OQCの次世代ハードウェアであるTOSHIKO^*3のリリースに伴い更に量子ビット数を増加させたハードウェアで、更に幅広いアルゴリズムを開発します。

Quanmatic 代表取締役社長 古賀純隆氏のコメント

この度は、欧州に拠点を置くゲート式量子コンピュータのリーディングプレーヤであるOQCと協業できることを誇りに思います。1日も早い量子コンピュータを用いた社会の重要課題の解決に努めてまいります。

OQCジャパン カントリーマネージャー 杉浦敦氏のコメント

Quanmatic様、早稲田大学様のアルゴリズム開発プラットフォームとして協業に参加することを光栄に思います。OQCはワールドクラスの量子コンピューティング・アズ・ア・サービスプラットフォームをシームレスに提供し、その高い可用性と信頼性により開発をより一層推進することに貢献します。

早稲田大学 戸川望教授のコメント

OQC社の量子コンピュータの実機と、Quanmaticの量子ソフトウェアに、大学の研究成果として得られた基盤的な量子アルゴリズムを導入することで、大きく量子アルゴリズム研究が進むことを期待しております。

用語解説

*1：ゲート式量子コンピュータ

量子力学を利用した汎用計算機。

*2：LUCY

OQC社が開発・運用しているゲート式量子コンピュータで、ヨーロッパで初めて商用に稼働したシステム。プライベート接続のほか、Amazon Braketからも利用が可能。

*3：TOSHIKO

OQC社が開発している次世代のゲート式量子コンピュータ。商用のデータセンターに設置され、Enterprise Ready Quantum Solutionとして広く一般に量子コンピューティング・アズ・ア・サービスを提供する。

【株式会社Quanmaticについて】

Quanmatic社は、量子関連技術の活用を目的としたコンピュータサイエンスアルゴリズムの開発を目的とし、早稲田大学戸川望教授（Chief Scientific Officer）の研究シーズを元に、CEO古賀純隆、慶應義塾大学田中宗准教授(Chief Technology Officer)とChief Product Officer武笠陽介の4名で2022年10月に設立したスタートアップです。アルゴリズム知財をビジネス課題に適用するための最適化エンジンの開発を継続して進め、ハードウェアに依存しない汎用的な量子計算技術の効率化ソリューションを展開します。https://quanmatic.com/

【OQCについて】

OQCは、量子コンピューティングの世界的なリーディングカンパニーです。お客様が量子をより身近に利用して、画期的な発見ができるよう支援します。当社の量子コンピュータは、データセンター、プライベートクラウド、Amazon Braketで利用可能です。OQCに関する詳細はこちらにてご覧いただけます。www.oxfordquantumcircuits.com

【早稲田大学戸川研究室について】

早稲田大学戸川研究室は、同大理工学術院基幹理工学部情報通信学科ならびに同大グリーン・コンピューティング・システム研究機構で研究教育活動を行っております。量子ソフトウェア、量子アプリケーションなどを研究開発し、産官学が連携して社会課題の解決を目指しています。　https://www.togawa.cs.waseda.ac.jp/professor.html

Direct Power Generation from Methylcyclohexane Using Solid Oxide Fuel Cells

Researchers have successfully generated electricity directly from methylcyclohexane, an organic hydride, using solid oxide fuel cells, with lower energy than conventional catalytic dehydrogenation reactions.

Methylcyclohexane is very promising as a hydrogen carrier that can safely and efficiently transport and store hydrogen. However, the dehydrogenation process using catalysts has issues due to its durability and large energy loss. Recently, Japanese researchers have succeeded in using solid oxide fuel cells to generate electricity directly from methylcyclohexane and recover toluene for reuse. This research is expected to not only reduce energy requirements but also explore new chemical synthesis by fuel cells.

Methylcyclohexane (MCH), a type of organic hydride, is expected to be an excellent hydrogen carrier because it remains liquid at room temperature, is easy to transport, has low toxicity, and has a higher hydrogen density than high-pressure hydrogen. Dehydrogenation—the process of removing hydrogen atoms from molecules—in the presence of a catalyst, yields hydrogen and the byproduct toluene, which can then be used to generate electricity to produce CO2-free power. However, the dehydrogenation reaction is an endothermic reaction, and energy loss as well as the facilities required for the reaction are issues.

Recently, a team of researchers from Japan, led by Professor Akihiko Fukunaga from the Department of Applied Chemistry at Waseda University, has succeeded in generating electricity directly from MCH using solid oxide fuel cells (SOFC). Their work was made available online on July 4, 2023 in Volume 348 of Applied Energy.

The research team tried to perform two processes simultaneously in a fuel cell: dehydrogenation from organic hydrides, which is an endothermic reaction, and electricity generation, which is an exothermic reaction. To achieve this, they used an anode-supported solid oxide fuel cell with a higher operating temperature than that of a polymer electrolyte fuel cell. They operated it at a temperature that did not allow pyrolysis of organic hydrides and under conditions that prevented carbon deposition at the electrodes. The production ratio of toluene to benzene was 94:6. This achievement demonstrated the possibility of generating electricity without using dehydrogenation facilities which were conventionally required and using less energy than that required for dehydrogenation reactions using catalysts.
In addition, “It was elucidated that by changing the conditions, oxygen groups could be introduced into the aromatic skeleton using a fuel cell” reveals Fukunaga.

These results indicate that the MHC reacts with the conducting oxygen ions in the SOFC to successfully generate electricity. Thus, power can be generated directly from MHC, and the energy required for direct power generation is lesser than that required for the conventional catalyst-assisted dehydrogenation reaction of MCH.

“Fuel cells have been studied and developed as devices that produce highly efficient, carbon-free electricity through the electrochemical reaction of hydrogen and oxygen. In this study, we have demonstrated that this device can be applied to control dehydrogenation reactions from organic hydrides and oxygen substitution reactions of aromatic rings. In the future, new synthetic chemistry may be created by applying fuel cells.” concludes Fukunaga. Here’s hoping that the proposed technology will pave the way to a sustainable hydrogen-based society!

Reference

Authors

Akihiko Fukunaga¹, Asami Kato¹, Yuki Hara¹, and Takaya Matsumoto

Title of original paper

Dehydrogenation of Methylcyclohexane Using Solid Oxide Fuel Cell – A Smart Energy Conversion

Journal

Applied Energy

DOI

10.1016/j.apenergy.2023.121469

Affiliations

¹ Department of Applied Chemistry, Waseda University

About Waseda University

Located in the heart of Tokyo, Waseda University is a leading private research university that has long been dedicated to academic excellence, innovative research, and civic engagement at both the local and global levels since 1882. The University has produced many changemakers in its history, including nine prime ministers and many leaders in business, science and technology, literature, sports, and film. Waseda has strong collaborations with overseas research institutions and is committed to advancing cutting-edge research and developing leaders who can contribute to the resolution of complex, global social issues. The University has set a target of achieving a zero-carbon campus by 2032, in line with the Sustainable Development Goals (SDGs) adopted by the United Nations in 2015.

To learn more about Waseda University, visit https://www.waseda.jp/top/en

About Professor Akihiko Fukunaga

Dr. Akihiko Fukunaga is a Faculty of Science and Engineering at the School of Advanced Science and Engineering at Waseda University in Japan. He received his Ph.D. from Waseda University in 1999 and has been a Professor of Applied Chemistry there since 2019. Prior to that, he worked at JXTG Nippon Oil & Energy Corporation from 1984 to 2019, where he successfully commercialized the residential fuel cell system, EneFarm. His research interests include energy materials, hydrogen, fuel cells, and carbon recycling.

雲水の野外観測で初めてマイクロプラスチックの存在を実証

雲水中のマイクロプラスチックが想定以上に環境および健康リスクを高めていることが明らかに

発表のポイント

• これまで、野外観測により雨水から大気中マイクロプラスチック（AMPs）が検出されてきましたが、雲水中にAMPsが含まれていることは実証されていませんでした。
• 本研究グループは、自由対流圏*1に位置する富士山頂（標高 3,776 m）、大気境界層に位置する富士山南東麓（標高1,300 m）、および丹沢大山山頂（標高1,252 m）で2021年から2022年にかけて雲水44試料を採取し、世界で初めて雲水の野外観測によりAMPsの存在を明らかにし、その特徴や起源を解明しました。
• 本研究により、雲水中ではカルボニル基などの親水基を有するAMPsが濃縮され、本来は親水基を有しないポリエチレン、ポリプロピレンも紫外線劣化が進行することにより、これまでの想定以上にAMPsが雲凝結核*2や氷晶核として機能し、環境および健康リスクを高めていることが明らかになりました。

概要

早稲田大学理工学術院の大河内 博（おおこうち　ひろし）教授、同理工学術院博士後期課程4年の王 一澤（おう　いちたく）、東洋大学理工学部応用化学科の反町 篤行（そりまち　あつゆき）教授、およびPerkinElmer Japan合同会社をはじめとする研究グループは、雲水中に含まれる大気中マイクロプラスチック（Airborne MicroPlastics: AMPs）存在量と特徴を解明することに初めて成功しました。

マイクロプラスチックによる大気汚染の危険性が叫ばれる中、本研究成果はAMPsの実態解明の一貫として雲水中AMPsの存在量を明らかにすることで、まだ黎明期である同分野の今後の研究の必要性と新たな課題を浮き彫りにしました。

図1:大気中マイクロプラスチックの想定される起源と環境リスク

本研究成果は、『Environmental Chemistry Letters』誌（論文名：Airborne hydrophilic microplastics in cloud water at high altitudes and their role in cloud formation）にて、2023年8月14日（現地時間）にオンライン掲載されました。

（１）これまでの研究で分かっていたこと

自由対流圏は風速が強いため、主要な大気汚染物質の長距離輸送経路であるといえます。大気中マイクロプラスチック（AMPs）も自由対流圏エアロゾルから検出されており、自由対流圏を通じて極域に輸送されていることが先行のモデル研究によって明らかにされています。極域生態系は脆弱であることから、大気を通じて大量のAMPsが輸送されると、重大な環境破壊が懸念されます。
AMPsは大気中を輸送されるだけではなく、上空では紫外線が強いことから、地上部よりも劣化速度が速く、温室効果ガスであるメタンや二酸化炭素を放出したり、雲凝結核や氷晶核として雲形成を促進する可能性が指摘されています。

これまでの野外観測により、雨水からはAMPsが検出されています。プラスチックは疎水性であるために水をはじきますが、紫外線劣化したり、有機汚染物質や重金属が表面吸着すると親水性になることが指摘されてきました。しかしながら、雲水中にAMPsが含まれていることは野外観測により実証されていませんでした。

（２）今回の研究で新たに実現しようとしたこと、明らかになったこと

世界ではじめて雲水の野外観測によりAMPsの存在を明らかにし、その特徴や起源を明らかにすることを目的として、自由対流圏に位置する富士山頂（標高 3,776 m）、大気境界層に位置する富士山南東麓（標高1,300 m）、丹沢大山山頂（標高1,252 m）で2021年から2022年にかけて雲水44試料を採取しました。

図2:雲水の採取地点

この結果、3地点で雲水から合計70個、9種類のAMPsを検出しました。さらに、PM2.5と比較すると雲水ではポリエチレンテレフタレート（PET）、ポリアミド6（PA）、ポリカーボネート（PC）などカルボニル基を有するポリマーが多く、本来はカルボニル基を有さないポリプロピレン（PP）では紫外線劣化が進行したものが多いことを明らかにしました。形状は破片状が多く、平均濃度は3地点で6.7~13.9（個/L）であり、実粒径は7.1～94.6 μmでした。さらに、後方流跡解析により、自由対流圏の雲水中AMPsの起源として、海洋マイクロプラスチックの飛散および輸送が重要である可能性が示されました。

図3:雲水中AMPsの実粒径分布と形状割合

図4：雲水中AMPsの個数濃度とポリマー組成（PE：ポリエチレン、PP：ポリプロピレン、PE/PP：エチレンプロピレン共重合体、PUR：ポリウレタン、PA：ポリアミド6、PC：ポリカーボネート、AR：アクリル樹脂、EP：エポキシ樹脂）

（３）そのために新しく開発した手法

PerkinElmer Japan合同会社との共同研究により、µFTIR ATRイメージング法*3によるAMPs計測手法の新規開発に取り組み、最小粒径で2 µm程度までの計測を可能にしました。また、AMPs劣化度評価とともに劣化度を考慮したAMPs専用データベースを新たに構築しました。作業効率と定量精度向上のために最終ろ過面積（Φ4mm）の22.4 %計測を標準とし、低濃度試料分析では最終ろ過面積をΦ1 mmに絞り、全面積70 %以上の計測を可能としました。

（４）研究の波及効果や社会的影響

本研究により、カルボニル基を有するAMPsが雲水中に濃縮されていることが明らかになったことから、カルボニル基を有する汎用プラスチックのみならず、本来は親水基を有しないポリエチレン、ポリプロピレンも紫外線劣化が進行することにより、カルボニル基や水酸基などの親水基を有することにより、モデル研究による想定以上に雲凝結核や氷晶核として機能している可能性が高いことが明らかになりました。

図5：カルボニルインデックスとヒドロキシルインデックス^*4によるポリプロピレン劣化度評価

AMPsの雲形成能が高ければ、太陽光をより散乱して放射収支に影響を及ぼすとともに、降雨量分布を変化させ、気候変動に関与している可能があります。また、気候変動のみならず、健康リスクも懸念されます。雨水はすべての陸水の源ですが、雲水にAMPsが含まれていれば「プラスチックの雨」が地上に降り注ぐことになります。すなわち、AMPsを空気から直接、肺に取り込むだけではなく、雨水として地上に降りそそぐことにより水源を汚染し、陸水を利用する農業や畜産業を通じて体内摂取量を増大させ、健康リスクを高める可能性があります。今後、AMPsの存在量とその環境および健康リスクについての知見をさらに集積することが重要となります。

（５）今後の課題

本研究では、雲水中AMPsの実態解明を国内山間部3箇所で行いましたが、全容解明にはほど遠い状況です。全世界における高所山岳域、航空機を用いた陸域および海洋の雲水中AMPsの実態解明が必要となります。そのためには、国際ネットワークの構築が喫緊の課題といえます。
一方、AMPsの紫外線劣化に伴うメタンや二酸化炭素放出量の実測およびモデル研究はほとんど行われていません。AMPsが地球温暖化に影響するのか、地球冷却化に影響するのは未だに未解明であり、地球温暖化の将来予測において不確実性を増大させている可能性があります。

（６）研究者のコメント

本研究は、AMPsの実態解明の一貫として、雲水中AMPsの存在量と特徴を明らかにしたものです。AMPsの先行研究は手法が統一されておらず、十分な精度管理も行われていない状況です。AMPs研究は黎明期であることから、産官学民連携のオールジャパンでAMPs研究を推進し、世界をリードしてまいります。

（７）用語解説

※１ 自由対流圏
対流圏内の大気境界層上空にある、地上からの直接的な影響を受けにくい高度約2から2.5 kmより上空の大気層のことです。自由対流圏は、地上から放出される大気汚染物質の影響を直接受けないのでバックグランド大気とも呼ばれています。

※２ 雲凝結核
大気中では吸湿性粒子が存在しており、相対湿度が100%（水飽和）を超えると微水滴（雲粒）が形成されます。これらの吸湿性粒子は一般的には凝結核(condensation nucleus)といい、1～2％未満の水過飽和度で雲粒の大きさまで成長するものを雲凝結核(cloud condensation nucleus: CCN)と呼びます。

※３ µFTIR ATRイメージング法
プラスチック分析に使用される代表的な方法が、フーリエ変換型赤外分光法（Fourier Transform Infrared Spectroscopy; FTIR）です。数mm程度の大きさであればFTIRで分析可能ですが、100 µm以下の微小な物質をFTIRで判別する場合には顕微FTIR （micro FTIR; µFTIR）が利用されます。
大気中マイクロプラスチックを前処理後に集めた最終フィルタ上の広い面積を、可能な限り小さな領域に分割するので計測には非常に時間がかかります。このような広い面積の膨大なスペクトルを高速、高感度で取得する技術が赤外イメージング（FTIRイメージング）です。ATR（Attenuated Total Reflection）イメージングは、サンプルにATRクリスタルと呼ばれる高屈折率の光学結晶を接触させた状態でイメージング測定する方法であり、FTIRイメージング測定法の中で最も小さいものが測定できる技術です。

※４ カルボニルインデックスとヒドロキシルインデックス
光酸化されたPEやPPには分子量低下、カルボニル基や水酸基の生成と増加、サンプル表面の多数の割れや孔の発生などが観察されます。カルボニルインデックス（carbonyl index）やヒドロキシルインデックス（hydroxyl index）はプラスチックの劣化度の指標であり、プラスチックの光酸化によって生成したカルボニル(C=O)ピークの吸光度とベースとなるメチレン(CH2)ピークの吸光度の比、水酸基（OH）ピークの吸光度とベースとなるメチレン(CH2)ピークの吸光度の比から算出されます。

（８）論文情報

雑誌名：Environmental Chemistry Letters
論文名：Airborne hydrophilic microplastics in cloud water at high altitudes and their role in cloud formation
執筆者名（所属機関名）：王 一澤1、 大河内 博1、 谷 悠人1、 速水 洋1、 皆巳 幸也2、 勝見 尚也2、竹内 政樹3、 反町 篤行4、 藤井 佑介5、 梶野 瑞王6、 足立 光司6、 石原 康宏7、 岩本 洋子7、 新居田 恭弘8
(1早稲田大学、 2石川県立大学、 3徳島大学、 4東洋大学、 5大阪公立大学、 6気象研究所、 7広島大学、8 PerkinElmer Japan合同会社)
掲載日時（現地時間）：2023年8月14日
掲載URL：https://doi.org/10.1007/s10311-023-01626-x
DOI：10.1007/s10311-023-01626-x

（９）研究助成（外部資金による助成を受けた研究実施の場合）

研究費名：(独)環境再生保全機構環境研究総合推進費(JPMEERF20215003)
研究課題名：大気中マイクロプラスチックの実態解明と健康影響
研究代表者名（所属機関名）：大河内　博（早稲田大学）

2022年の終わり頃から、「ChatGPT」をはじめとする生成系人工知能（以下、生成AI）が大きな話題を呼んでいます。ChatGPTは入力欄に聞きたいことを打ち込むと、まるで人と話しているかのように答えを返してくれる対話型のAIです。その利便性の高さから、従来の検索エンジンに替わる新たなツールとして注目されています。

こうしたAIは私たちの暮らしや未来をどう変えていくのでしょうか。また、私たちはAIとどう付き合っていけばいいのでしょうか。今回は早大生が実際にChatGPTを体験した上で、早稲田大学の「AIロボット研究所」の尾形哲也教授と河原大輔教授に話を聞きました。

「Rikohティータイムシンポジウム」は、理工系研究者や技術者を目指して勉強や研究に励む学生や研究者の皆さんに、おそらく何年か後に、あっというまにおとずれるかもしれない人生の岐路のいくつかについて、身近に、そして具体的にイメージできる場の提供を目的として、2015年から開催しています。

第9回を迎える今回のテーマは「大学院のすゝめ」。

「大学院での学び」に焦点を当て、大学院博士課程から企業・大学で活躍されているお二人をお招きします。大学院への進学、その後それぞれの道を選択し、歩みをすすめていらっしゃる講師の話を聞いて、ぜびご自身のキャリアや将来像を考えるヒントを見つけてください。

第2部では、講師・司会の他、本学大学院生（修士・博士）にも参加いただき、参加者の皆さんからの質問、疑問にお答えしていきます。ディスカッションを通して何らかのヒントを学び取ってください。

日時

2023年7月28日（金）15：30 – 17：15（受付開始15:15）

対象

本学の理工系研究者・学生・関係教職員　附属・系属校生徒

会場

西早稲田キャンパス 63号館202教室
※Campus Map

オンライン（Zoomウェビナー）
※当日会場での参加が難しい場合は、オンライン参加も可能です。申し込み時にオンライン参加を選択された方にのみウェビナー情報をお送りします。

言語

日本語

申込方法

事前申込制（以下申込フォームからお申し込みください）

当日のご案内はイベント前日までに登録いただきましたメールアドレス宛にお知らせいたします。

スケジュール（予定）

■第１部（講師講演）
15:30　開会・挨拶
15:35　講師講演
16:10　第１部終了予定

■第２部（講師・大学院生と参加者によるパネルディスカッション）
16:10　キャリア講義（司会より）
16:20　講師・大学院生と参加者によるパネルディスカッション
17:00　自由歓談
17:15     第２部終了・閉会予定

講師（アドバイザー）

橋田　朋子（HASHIDA Tomoko)　氏　理工学術院教授

＜略歴＞
2003年 東京藝術大学音楽学部楽理科卒業
2008年 東京大学大学院学際情報学府博士課程単位取得退学

博士（学際情報学）。東京大学（IML・情報理工学系研究科）特任研究員, 早稲田大学基幹理工学部表現工学科専任講師, 同准教授を経て2021年より現職。よく知っているようで思いがけないモノ・コトを作り、身近な対象の再発見や新たな価値化を目論む研究・作品制作に従事。 https://tomokohashida.tumblr.com

＜メッセージ＞
大学院では恩師や尊敬する研究者仲間をはじめ、沢山の人との出会いに恵まれました。また授業や研究に加えて、多様なプロジェクトやアウトリーチ活動の機会があり、社会との接点を感じながら活気のある毎日を送りました。私は学部と大学院で大きく専門を変えましたが、好奇心の赴くままに全力投球していると、色々な方が力になって下さり、分野もキャリアも道が開けたように思います。このシンポジウムでは皆さんがポジティブに未来を考えるお手伝いができたら嬉しいです。

新里　絵美（NIISATO Emi）氏　ユーシービージャパン株式会社　メディカルアフェアーズ本部　ニューロロジーメディカルサイエンス部　メディカルサイエンスリエゾン

＜略歴＞
2003年 – 2007年3月 明治大学理工学部物理学科卒業
2007年 – 2008年9月 University of Edinburgh, College of medicine and veterinary medicine, School of Biomedical Science　卒業
2009年 – 2012年3月 早稲田大学大学院先進理工学研究科生命医科学専攻 博士後期課程修了 博士（理学）

2010年10月 – 2010年12月 ベーリンガーインゲルハイム ジャパン株式会社
所属：Molecular & Cellular Biology Department
役職：研究員（インターンシップ）
2012年4月 – 2016年10月 シーメンスヘルスケア株式会社
所属：カスタマーサービス本部　アプリケーション事業部
役職：アプリケーションスペシャリスト
2016年 – 2020年10月 Siemens Healthcare Limited, Taiwan
所属：マーケティング部　ダイアグノスティック
役職：MRリサーチコラボレーションサイエンティスト
2020年 12月 – 現在 ユーシービージャパン株式会社
所属：メディカルアフェアーズ本部　ニューロロジーメディカルサイエンス部
役職：メディカルサイエンスリエゾン

＜メッセージ＞
国内女性の博士課程進学者はまだまだ少ないですが、幸運なことにそれを壁に感じたりすることもなく、高校生の頃から研究者になりたいと思っていました。ところが、海外で修士課程を卒業したことをきっかけに、博士課程に進んだ後は企業で働きたいと強く思うようになりました。国内外の医療機器業界で8年勤めた後製薬業界にシフトチェンジした経験を持つので、将来様々な可能性が広がっていることをお伝えできればと思っています。

※司会進行：高山　あかり　氏　早稲田大学理工学術院　准教授

主催

早稲田大学ダイバーシティ推進室

共催

早稲田大学理工学術院

後援

早稲田大学キャリアセンター

参加にあたっての注意事項

• イベントの撮影、録画、録音は固くお断りいたします。
• イベント後、「開催報告」として記事をWEBサイト等に一部公開いたします。そのため、イベント内容を録画、会場の様子を写真撮影いたします。あらかじめご了承ください。

特別な配慮が必要な方へ

ご参加にあたり、特別な配慮を希望される方は、6月30日（金）までに[email protected]へご希望の内容をお知らせください。
事前にご相談のうえ、可能な範囲で対応をさせていただきます。

お問い合わせ先

早稲田大学ダイバーシティ推進室
E-mail：[email protected]

A Novel, Completely Solid, Rechargeable Air Battery

 A benzoquinone-based negative electrode and solid Nafion polymer electrolyte are used in this first-of-its-kind battery

Solid-state batteries use solid electrodes and solid electrolytes, unlike the more commonly known lithium-ion batteries, which use liquid electrolytes. Solid-state batteries overcome various challenges associated with liquid-based batteries, such as flammability, limited voltage, unstable reactants, and poor long-term cyclability and strength. Making advances in this field, researchers recently demonstrated an all-solid-state rechargeable air battery composed of a redox-active organic negative electrode and a proton-conductive polymer electrolyte.

Metals are typically used as active materials for negative electrodes in batteries. Recently, redox-active organic molecules, such as quinone- and amine-based molecules, have been used as negative electrodes in rechargeable metal–air batteries with oxygen-reducing positive electrodes. Here, protons and hydroxide ions participate in the redox reactions. Such batteries exhibit high performance, close to the maximum capacity that is theoretically possible. Furthermore, using redox-active organic molecules in rechargeable air batteries overcomes problems associated with metals, including the formation of structures called ‘dendrites,’ which impact battery performance, and have negative environmental impact. However, these batteries use liquid electrolytes—just like metal-based batteries—which pose major safety concerns like high electrical resistance, leaching effects, and flammability.

Now, in a new study published in Angewandte Chemie International Edition on May 2, 2023, a group of Japanese researchers have developed an all-solid-state rechargeable air battery (SSAB) and investigated its capacity and durability. The study was led by Professor Kenji Miyatake from Waseda University and the University of Yamanashi, and co-authored by Professor Kenichi Oyaizu from Waseda University.

The researchers chose a chemical called 2,5-dihydroxy-1,4-benzoquinone (DHBQ) and its polymer poly(2,5-dihydroxy-1,4-benzoquinone-3,6-methylene) (PDBM) as active materials for the negative electrode due to their stable and reversible redox reactions in acidic conditions. In addition, they utilized a proton-conductive polymer called Nafion as the solid electrolyte, thereby replacing conventional liquid electrolytes. “To the best of my knowledge, no air batteries based on organic electrodes and solid polymer electrolyte have been developed yet,” says Miyatake.

After the SSAB was in place, the researchers experimentally assessed its charge–discharge performance, rate characteristics, and cyclability. They found that unlike typical air batteries that use a metallic negative electrode and an organic liquid electrolyte, the SSAB did not deteriorate in the presence of water and oxygen. Furthermore, replacing the redox-active molecule DHBQ with its polymeric counterpart PDBM formed a better negative electrode. While the per gram-discharge capacity of the SSAB-DHBQ was 29.7 mAh, the corresponding value of the SSAB-PDBM was 176.1 mAh, at a constant current density of 1 mAcm^-2.

The researchers also found that the coulombic efficiency of SSAB-PDBM was 84% at 4 C rate, which gradually decreased to 66% at 101 C rate. While the discharge capacity of SSAB-PDBM reduced to 44% after 30 cycles, by increasing the proton-conductive polymer content of the negative electrode, the researchers could significantly improve it to 78%. Electron microscopic images confirmed that the addition of Nafion improved the performance and durability of the PDBM-based electrode.

This study demonstrates the successful operation of an SSAB comprising redox-active organic molecules as the negative electrode, a proton-conductive polymer as the solid electrolyte, and an oxygen-reducing, diffusion type positive electrode. The researchers hope that it will pave the way for further advancements. “This technology can extend the battery life of small electronic gadgets such as smartphones and eventually contribute to realizing a carbon-free society,” concludes Miyatake.

Reference

Authors

Makoto Yonenaga¹, Yusuke Kaiwa², Kouki Oka^2,3, Kenichi Oyaizu², and Kenji Miyatake¹

Title of original paper

All-Solid-State Rechargeable Air Batteries Using Dihydroxybenzoquinone and Its Polymer as the Negative Electrode

Journal

Angewandte Chemie International Edition

DOI

10.1002/anie.202304366

Affiliations

¹Clean Energy research Center, Fuel Cell Nanomaterials Center, University of Yamanashi
²Department of Applied Chemistry, Research Institute for Science and Engineering, Waseda University
³Center for Future Innovation (CFI) and Department of Applied Chemistry, Graduate School of Engineering, Osaka University

Funding Information

This work was partly supported by the Ministry of Education, Culture, Sports, Science and Technology (MEXT), Japan, through Grants-in-Aid for Scientific Research (18H05515, 23H02058), MEXT Program: Data Creation and Utilization Type Material Research and Development Project (JPMXP1122712807), and JKA promotion funds from AUTORACE.

About Waseda University

Located in the heart of Tokyo, Waseda University is a leading private research university that has long been dedicated to academic excellence, innovative research, and civic engagement at both the local and global levels since 1882. The University has produced many changemakers in its history, including nine prime ministers and many leaders in business, science and technology, literature, sports, and film. Waseda has strong collaborations with overseas research institutions and is committed to advancing cutting-edge research and developing leaders who can contribute to the resolution of complex, global social issues. The University has set a target of achieving a zero-carbon campus by 2032, in line with the Sustainable Development Goals (SDGs) adopted by the United Nations in 2015.

To learn more about Waseda University, visit https://www.waseda.jp/top/en

About Professor Kenji Miyatake

Kenji Miyatake received his Ph.D. degree in chemistry from Waseda University in 1996. He was a Japan Society for the Promotion of Science (JSPS) postdoctoral fellow at McGill University from 1999 to 2001. In 2001, he was offered an associate professor position at the Clean Energy Research Center at the University of Yamanashi, where he currently serves as a professor. He also holds a professor position in his alma mater since 2020. He is also a Fellow of the Royal Society of Chemistry.

「令和5年度科学技術分野の文部科学大臣表彰」において、本学から5名の研究者が受賞しました。
科学技術の発展等に寄与する可能性の高い独創的な研究又は発明を行った研究者を表彰する「科学技術賞（研究部門）」に理工学術院の 尾形哲也教授、柴田重信名誉教授、竹山春子教授、ゲスト・マーティン教授、萌芽的な研究・独創的視点に立った研究等高度な研究開発能力を示す顕著な研究業績をあげた若手研究者を表彰する「若手科学者賞」に、理工学術院の水内良専任講師が選ばれました。
以下に、各受賞者のコメントを掲載いたします。

科学技術賞　研究部門

受賞業績：深層予測学習によるロボットのマルチタスク学習に関する研究
理工学術院　尾形 哲也　教授

受賞コメント
この度は、「深層予測学習によるロボットのマルチタスク学習に関する研究」に対し、文部科学大臣科学技術賞を受賞することができ、大変光栄に思っております。ロボットの知覚と身体運動の実時間予測を深層学習により実現することで、ロボットが複数のタスクを学習し、実世界での活動を自律的かつ効率的に行える方法論を追求しました。今回の研究成果は、ロボット工学の分野における新たな展望を切り拓くものであり、今後、産業応用、医療分野、災害対応など実社会の多様な分野への応用が期待できると考えています。受賞には、これまでに研究に関わってくれた多くの皆様の協力と支援がありました。改めて受賞に対して心からの感謝の意を表し、これからも一層の研究成果を追求していく覚悟をお伝えしたいと思います。ありがとうございました。。

受賞業績：時間栄養と時間運動の確立と健康科学への応用研究
理工学術院　柴田 重信　名誉教授

受賞コメント
この度は、栄誉ある科学技術賞 研究部門を頂戴し、大変光栄に存じております。この研究にかかわっていただいた皆様、特に研究室所属の大学院生スタッフ、さらに共同研究先の方々には大いに感謝しております。
本研究は、体内時計に支配される時間軸の健康科学を推進する一環として、食事や栄養素を摂るタイミングや運動のタイミングの重要性を学問的に明らかにしました。従来、健康維持には食物の内容、調理法、量についての要素が重要視されてきましたが、今回の発見により同じ食物でも朝食や夕食で効果が異なるなど摂取するタイミングも重要な要素であることが分かりました。運動も然りで、運動効果に対するタイミングの違いを明らかにしてきました。時間栄養学や時間運動学という新たな学問分野が開拓され、時間軸の健康科学の発展が期待されます。
引き続き、研究成果の社会実装に向け研究を続けており、今後ともご指導ご鞭撻をよろしくお願い申し上げます。

受賞業績：シングルセル技術による環境有用微生物の深層解析研究
理工学術院　竹山 春子　教授

受賞コメント
科学技術賞を頂くことができて大変光栄に思います。研究を支えてくださった先生方、研究室のスタッフ・メンバーには深く感謝いたします。
先進理工学部生命医科学科創立とともに研究室を立ち上げ、今回受賞に至った環境微生物のシングルセル解析技術の開発研究をスタートしました。環境に存在する多くの難培養性微生物の利活用が目的でした。将来どのような場所でも解析ができる技術を目標として、ドロップレットを用いたシングルセルのハンドリング方法、さらにはゲノム解析と進みました。また、ラマン分光法と出会ったことで、既存の機器分析手法では不可能であったシングルセルレベルでの代謝産物同定を可能とする道が開かれました。微生物シングルセルオミックス解析技術が多くの研究に貢献できるよう、プラットホーム化を産官学連携で進めております。
新技術が新たな道を拓く、という信念で今後もさらなる発展に努めたいと思います。今後とも皆様のご支援よろしくお願いいたします。

受賞業績：tt*方程式および量子コホモロジーに関する一連の研究
理工学術院　ゲスト・マーティン　教授

受賞コメント
I am very honoured to receive the Science and Technology Award in the Research Category. It has been a great privilege for me to have worked as a professor in Japan for more than 20 years, and I deeply appreciate the kindness of my friends and colleagues here, which have made this possible. My research area is differential geometry, a subject which combines algebra and analysis with geometrical ideas. The problems we study are often related to theoretical physics – quantum theory, string theory, mirror symmetry, and so on. Building the mathematical foundations of this area in the 21st century is a huge task, and one that is truly international. Until the 19th century, mathematics was regarded as a subject for brilliant young men (mostly European). In the 21st century the subject is too broad for any one man; everyone is needed: young and old, men and women, black and white, from every country. I would like to express my sincere gratitude for the opportunities I have received to take part in this endeavour.

若手科学者賞

受賞業績：自己複製分子システムを用いた原始生命進化に関する研究
理工学術院　水内 良　専任講師

受賞コメント
この度は文部科学大臣表彰若手科学者賞を受賞し、誠に光栄に存じます。
これまでご指導やご助言賜った先生方、選考委員の皆様に心より感謝申し上げます。本研究では、生命の起源という自然科学の根源的な問いに挑戦しました。原始生命の痕跡は現存生命や化石には残っておらず、これまではその進化過程を推測するほかありませんでしたが、原始生命を模擬した分子のシステムを試験管内で構築し、それを実験室の中で進化させることで、原始生命にありえた進化の道筋を直接観察できるようになりました。このような基礎研究を高く評価していただいたことを心より嬉しく思っています。
私は本賞の受賞とともに、2023年4月に早稲田大学に着任し、新たに研究室を主宰しております。これからは研究室メンバーと共に生命の起源の謎に迫り、また研究成果を合成生物学における技術開発へと繋げていきたいと考えています。今後ともご指導ご鞭撻を賜りますようお願い申し上げます。

繰り返し充放電可能な全固体空気二次電池を開発

高分子電解質膜と酸化還元活性な有機化合物を組み合わせる

【発表のポイント】

水素イオン（プロトン）を可逆的に取り込みできる有機化合物とプロトン伝導性の高分子薄膜を組み合わせて、繰り返して充放電できる全固体空気二次電池を開発した。

一定速度（放電レート15C）における発電で、30サイクル繰り返し充放電可能なことを確認した。

小型軽量で液漏れや発火の危険性がなく折り曲げても使える可能性があるため、モバイル機器などへの応用が期待できる。

山梨大学クリーンエネルギー研究センター・早稲田大学理工学術院の宮武 健治（みやたけ けんじ）教授、早稲田大学理工学術院の小柳津 研一（おやいづ けんいち）教授らの研究グループは、水素イオン（プロトン）を可逆的に取り込みながら酸化還元反応する有機化合物とプロトン伝導性の高分子薄膜を組み合わせることにより、繰り返し充放電することができる「全固体空気二次電池」を開発しました。

空気電池^※1は空気中の酸素（正極活物質）と金属（負極活物質）、イオン伝導性の電解質から構成される電池ですが、多くの場合液体電解質を用いているため、液体の漏れや蒸発、発火など安全性に課題があります。また、負極活物質が酸素や水分により劣化することも課題となっています。本研究により、プロトン伝導性高分子薄膜^※２を電解質に、酸化還元活性な有機化合物を負極活物質に用いることで、可搬性と安全性に優れ、繰り返して充放電して使用することができる全固体空気二次電池の開発に成功しました。一定速度（放電速度15C）における発電実験で、30サイクル繰り返して充放電が可能であることも確認されました。今後、構成材料の高性能化・最適化や耐久性などを改善することで、携帯電話や小型電子デバイスなどモバイル機器用の電源として応用できる可能性があります。

本研究成果は、2023年5月16日（火）にドイツ化学会が発行するハイインパクトの学術雑誌『Angewandte Chemie International Edition』のオンライン版で公開されました。

【論文情報】
雑誌名：Angewandte Chemie International Edition
論文名：All-Solid-State Rechargeable Air Batteries Using Dihydroxybenzoquinone and Its Polymer as the Negative Electrode
DOI：10.1002/anie.202304366

(1) これまでの研究で分かっていたこと

繰り返し充放電が可能な二次電池は携帯機器や電気自動車など様々な分野に応用されており、小型軽量化、高容量化、低コスト化を目指した研究が世界的に活発に進められています。なかでも正極の活物質に空気中の酸素を使う空気二次電池は、他の二次電池と比べて著しく高い理論エネルギー密度を持つことから注目を集めています。

これまでの空気二次電池は負極活物質としてリチウムなどの金属、電解質として非水系の有機電解質溶液が主に用いられていますが、負極活物質の劣化や電解液の漏れ出しなど多くの課題があります。固体電解質を用いた全固体空気電池も提案されていますが、負極の課題は解決されていません。

最近、負極活物質に酸化還元活性な有機化合物を用いた空気二次電池がいくつか開発されました（Li et al., Chem, 5, 2159-2170, 2019: Oyaizu et al., Chem. Commun., 56, 4055-4058, 2020）が、高分子電解質膜との組み合わせによる全固体空気二次電池はこれまで存在していませんでした。

(2) 今回の研究で新たに実現しようとしたこと、明らかになったこと

有機化合物を用いた電極と固体電解質から成る空気二次電池に挑戦しました。負極活物質としてプロトンを取り込みながら酸化還元活性を示す有機レドックス化合物（ジヒドロキシベンゾキノン^※3およびその重合体）、電解質としてプロトン伝導性高分子薄膜（ナフィオン）、正極として白金触媒を含むガス拡散電極（活物質は酸素）を組み合わせた全固体空気二次電池の可能性を検討し、その結果、原理の実証に成功しました。

(3) 今回、新しく開発した手法

負極活物質であるジヒドロキシベンゾキノンの酸化還元反応を促進し、電解質膜との界面でのプロトン移動を円滑に進めるために、電子伝導性材料（カーボン粉末）とプロトン伝導性高分子（ナフィオン）を混合した負極構造を設計・構築しました。電流電位測定により負極での反応とその可逆性を確認し、充放電、レート特性、サイクル特性を評価しました。さらにジヒドロキシベンゾキノンを高分子化したところ負極活物質の利用率が40％以上向上し、全固体空気二次電池の容量も6倍以上向上することを見出しました。

本研究により開発した「全固体空気二次電池」は繰り返して充放電することができ、一定速度（放電レート15C）における発電で、30サイクル充放電が可能です。

(4) 研究の波及効果や社会的影響

リチウムイオン二次電池の性能や耐久性は日々向上していますが、リチウム資源は限られており、また、液体電解質を用いた課題（漏れ出し、蒸発、発火の危険性、など）は本質的に解決が困難です。本研究で開発した全固体空気二次電池は安全な有機レドックス化合物とプロトン伝導性高分子薄膜を用いており、これら物質はそもそも水分が含まれた状態で用いており水や酸素で電極が劣化することが無く、極めて安全性に優れています。また、高分子化合物の特徴を活かしてフレキシブルなデバイスにできる可能性もあります。今後、構成材料の高性能化・最適化や耐久性などを改善することで、携帯電話や小型電子デバイスなどモバイル機器用電源としての応用が期待されます。

(5) 今後の課題

酸化還元電位がより卑（マイナス）な有機レドックス化合物を用いることにより電池電圧を高くしたり、負極中の活物質を安定化させてレート特性やサイクル特性を改善することで、二次電池としての特性を一層向上させたいと考えています。

(6) 研究者のコメント

空気二次電池は二次電池と燃料電池の利点を兼ね備えた次世代のエネルギーデバイスとして期待されていますが、性能や安全性に関する技術的な課題が多く実用化されている例は限られています。本研究により、有機負極活物質と高分子電解質から成る全固体空気二次電池の開発に成功し、小型軽量化、高容量化、高安全性を兼ね備えた新しいタイプの空気二次電池の可能性を示すことができました。他方、今回の成果はまだ原理実証の段階であり電池電圧やレート特性、サイクル特性は改善の余地がありますので、今後、全固体空気二次電池の実用化に向けた追求を継続していきたいと考えています。

(7)用語解説

※1　空気電池

正極活物質として空気中の酸素を用いる電池。多くの場合、負極には金属が用いられている。電池内部に正極活物質を内蔵する必要が無いため、原理的に大きなエネルギー密度を持つという特徴がある。

※2　プロトン伝導性高分子薄膜

スルホン酸基などの酸性基を含む高分子から成る膜。燃料電池などの電気化学デバイスの固体電解質として用いられている。

※３　ジヒドロキシベンゾキノン

水酸基が2つ置換されたベンゾキノン。酸性条件下で酸化還元活性を示す。

(8) 論文情報

雑誌名：Angewandte Chemie International Edition
論文名：All-Solid-State Rechargeable Air Batteries Using Dihydroxybenzoquinone and Its Polymer as the Negative Electrode
執筆者名（所属機関名）：Makoto Yonenaga （米長 諒）^＊、Yusuke Kaiwa （海和 雄亮）^＊＊、Kouki Oka （岡 弘樹）^＊＊、Kenichi Oyaizu （小柳津 研一）^＊＊、Kenji Miyatake （宮武 健治）^＊、^＊＊
＊山梨大学 クリーンエネルギー研究センター
＊＊早稲田大学 先進理工学部 応用化学科
掲載日時：2023年5月16日（火）
掲載URL：https://doi.org/10.1002/anie.202304366
DOI：10.1002/anie.202304366

(9) 研究助成

研究費名：科学研究費補助金 新学術領域研究「ハイドロジェノミクス」（研究領域提案型）
研究課題名：高速移動水素による次世代創蓄電デバイスの設計
研究代表者名（所属機関名）：宮武 健治（山梨大学）
研究分担者名（所属機関名）：小柳津 研一（早稲田大学）

研究費名：科学研究費補助金 基盤研究（B）
研究課題名：全固体空気二次電池の創製：原理実証と有機負極活物質の検討
研究代表者名（所属機関名）：宮武 健治（山梨大学）

研究費名：データ創出・活用型マテリアル研究開発プロジェクト
研究課題名：再生可能エネルギー最大導入に向けた電気化学材料研究拠点（DX-GEM）
研究代表者名（所属機関名）：宮武 健治（山梨大学）

銀河宇宙線のヘリウム成分を250テラ電子ボルトまで直接観測に成功
30テラ電子ボルト以上でスペクトル軟化の兆候を検出

国際宇宙ステーション・「きぼう」日本実験棟搭載高エネルギー電子・ガンマ線観測装置（CALET）による測定

発表のポイント

国際宇宙ステーション・「きぼう」日本実験棟搭載の宇宙線電子望遠鏡(CALET)が、銀河宇宙線の一つであるヘリウムのエネルギースペクトルを250テラ電子ボルトまで高精度に観測することに成功し、30テラ電子ボルト以上でエネルギー軟化の兆候を検出しました。

陽子とヘリウムは核子当たりのエネルギーで60テラ電子ボルトまで、スペクトルの冪の変化においては同様な構造を持つことがわかりました。

一方で、冪の傾きが陽子とヘリウムでは異なっていることから高エネルギー領域では何か異なる加速・伝播機構がある可能性が生じたため、その理論的な検証が求められています。

早稲田大学理工学術院総合研究所主任研究員 小林兼好（こばやしかずよし）、早稲田大学名誉教授・CALET代表研究者 鳥居祥二（とりいしょうじ）、シエナ大学研究員 Paolo Brogi、と宇宙航空研究開発機構（JAXA）及び国内他機関、イタリア、米国の国際共同研究グループ（以下、本研究グループ）は、国際宇宙ステーション（ISS）・「きぼう」の船外実験プラットフォームに搭載された宇宙線電子望遠鏡（以下、CALET^*1：高エネルギー電子・ガンマ線観測装置）を用いて、銀河宇宙線^*2のヘリウムのエネルギースペクトル^*3を250テラ電子ボルトまで高精度に観測し、30テラ電子ボルト^*4以上の領域でエネルギースペクトル軟化^*5の兆候を観測しました。

本研究成果は、アメリカ物理学会発行の『Physical Review Letters』に、“Direct Measurement of the Cosmic-Ray Helium Spectrum from 40 GeV to 250 TeV with the Calorimetric Electron Telescope on the International Space Station”として、2023年4月27日（木）＜現地時間＞にオンラインで掲載されました。

（１）これまでの研究で分かっていたこと

宇宙線は星の進化の過程で生成された元素が、特にその最終段階で超新星爆発などにより宇宙空間にばら撒かれ、超新星残骸で生成された衝撃波によって加速されると考えられています^*6。しかし、この衝撃波加速やその後の宇宙空間への拡散などについては、まだまだ不明な部分が多く、その解明には宇宙線諸成分のエネルギースペクトルの高精度観測が不可欠です。

宇宙線の生成、加速、伝搬過程は「超新星残骸における衝撃波によって加速され、銀河磁場によって拡散的に伝播して銀河外へ漏れ出す」という”標準モデル”による理解が進められてきました。このモデルでは、地球で観測される宇宙線スペクトルの形状は単調な冪（べき）型のスペクトル^*7が予測されます。しかし、この予測に反する数100ギガ電子ボルトにおけるスペクトルの単一冪からのズレとして、宇宙線の主成分である陽子やいくつかの原子核についてはテラ電子ボルト領域に至る漸次的な「スペクトル硬化^*8」が報告されています。これは”標準モデル”では理解できない結果であり、宇宙線の加速・伝播機構モデルについてパラダイムシフトの必要性を示唆しており、その解釈をめぐって現在活発な研究が繰り広げられています。

「きぼう」で定常観測を継続するCALETはこれまでの実験に比べ、高精度なエネルギースペクトルの直接観測に成功してきました^*9。既に陽子を始め、ホウ素、炭素、酸素でスペクトル硬化を報告しており、スペクトル硬化の高精度観測に注目が集まっています。さらに陽子ではエネルギーのより高い領域で「スペクトル軟化」も観測され、昨年発表しました。

近年の目覚ましい発展により明らかになってきた、エックス線やガンマ線を含む宇宙における高エネルギー放射の最終的な理解には、その源となっている荷電宇宙線の理解が必須となります。これは、電波や赤外・可視光等の電磁波スペクトルが主に、黒体輻射に代表される熱的放射を観測しているのに対し、冪型スペクトルによって特徴づけられる非熱的放射の背景には必ず宇宙線の加速と伝播が隠されているためです。

（２）今回の研究で新たに実現しようとしたこと、明らかになったこと

陽子ではエネルギーの高い領域で新たにスペクトル軟化が観測されましたが、陽子固有の現象なのか、スペクトル硬化のように複数の原子核で共通の現象なのか、陽子の次に重い原子核、ヘリウムにも同様にスペクトル軟化の傾向があるのかが注目されています。2021年にはDAMPE（DArk Matter Particle Explore）^*10実験によりヘリウムのテラ電子ボルト領域に至る漸次的なスペクトル硬化および30テラ電子ボルト付近からスペクトル軟化の兆候が報告されました。そこで今回我々はヘリウムの高精度解析を行い、40ギガ電子ボルトから250テラ電子ボルト^*2と、DAMPE実験が観測した80テラ電子ボルトよりも高いエネルギー領域まで、宇宙線ヘリウムスペクトル^*3、4の高精度直接観測に成功しました。

CALETによって科学観測を開始した2015年10月13日から2022年4月30日までのデータを用いて、測定されたヘリウムのエネルギースペクトルを図1に示しました（赤点）。灰色のバンドはCALETの観測に伴う現時点での系統誤差を含む全誤差です。青色で示したDAMPE実験とは絶対値も誤差の範囲内で一致しています。さらにDAMPE実験が観測した80テラ電子ボルトよりも高い、250テラ電子ボルトまでスペクトル軟化の傾向が続いていることを明らかにしました。

図２では昨年発表した陽子のデータを用い、陽子とヘリウムの比の核子当たりのエネルギースペクトルを示しました（赤点）。先行実験から大幅に誤差を縮小し、傾きが大きく変わることなく核子当たり60テラ電子ボルトを超える領域まで続くことがわかりました。また、図からわかるように、エネルギーの増大とともに陽子に対するヘリウム割合が増えていることがわかります。”標準モデル”からは変化しないことが予測されることから、陽子とヘリウムには高エネルギー領域では何か異なる加速・伝播機構があるということを示唆しており、今後に理論的な検証が必要な課題となっています。

（３）そのために新しく開発した手法

CALET は世界で初めて宇宙機に搭載された宇宙線シャワーを可視化できるカロリメータ型の観測装置です。これまでは磁石を採用したマグネットスペクトロメータ型のPAMELA とAMS-02 が、電荷の正負の判定による反粒子を含む観測に現在成果を挙げていますが、カロリメータ型装置は、電荷の正負の判定ができないものの、よりエネルギーの高いテラ電子ボルト以上まで可能です。CALETはこれまで高精度観測が困難で未開拓な領域であったテラ電子ボルト領域での観測を行い、ヘリウムのスペクトル軟化兆候を得ることができました。

（４）研究の波及効果や社会的影響

本研究グループによる今回の成果は、CALETが昨年発表した宇宙線の主成分である陽子の10テラ電子ボルト以上でのスペクトルの軟化に続き、ヘリウムでもスペクトルの軟化が起こっている兆候を観測しました。陽子とヘリウムは核子当たりのエネルギーで250テラ電子ボルトまで、スペクトルの冪の変化においては同様な構造を持つことがわかりました。スペクトルの軟化が何らかの共通の原因で陽子とヘリウムで起こっており、今後、宇宙線の加速・伝搬機構の議論が活発化することが予想されます。

（５）今後の課題

スペクトル硬化の現象はこれで陽子、ヘリウム、ホウ素、炭素、酸素で観測されました。これまでの宇宙線加速・伝播機構の理論的解釈では、”標準モデル”により説明することが難しく、新たな加速もしくは伝播機構による解明が急がれています。今のところCALETでは酸素より重い原子核である、鉄、ニッケルでは観測されておらず、より高いエネルギー領域でスペクトル硬化が起こるのか、検証を進めてきます。

一方で、陽子、ヘリウムのスペクトル軟化の１つの解釈として、”標準モデル”による超新星残骸における衝撃波加速は、電荷に比例した加速限界を予見します。超新星残骸で達成可能な最高エネルギーは典型的に、陽子で60テラ電子ボルト、ヘリウムで120テラ電子ボルトと見積られています。一方で地上観測実験により3ペタ電子ボルト付近でスペクトル軟化(スペクトルの形状が足の膝に似ているので、ニー：Kneeと呼ばれている。)　が測定されています。これは超新星残骸での衝撃波加速が限界を迎え、宇宙線組成が電荷に比例して軽原子核からより重原子核へシフトすることによる構造と考えられています。地上観測実験では粒子の判別が困難なため、上記の超新星残骸モデルの検証には、陽子、ヘリウムを始めとする原子核の系統的なスペクトル軟化を宇宙空間で計測するCALETによる観測は決定的な役割を果たすことができます。

CALETは今後、さらにデータを蓄積し、また高エネルギー側での系統誤差を減らすことにより、酸素よりも重い重原子核成分の核子あたり10テラ電子ボルト付近でのエネルギー硬化、また核子あたり10テラ電子ボルトを超えるエネルギー領域の陽子・ヘリウムスペクトル軟化を高精度に決定することで、さらなる宇宙線加速、伝搬機構の検証を目指します。

（６）研究者のコメント

本研究で観測しているエネルギー領域の宇宙線は超新星爆発が起因で、地球に届く過程で加速、伝搬が起こり地球にたどり着くため、宇宙線を観測すると宇宙の多くのことがわかります。CALETでの観測で電子、陽子、今回のヘリウムを始めさまざまな原子核でのスペクトルを解明してきました。これからも安定的な観測を続け宇宙の謎を解明していきたいと考えています。

（７）用語解説

１：CALET（高エネルギー電子・ガンマ線観測装置）

2015年8月にISS・「きぼう」に搭載され、同年10月より宇宙線観測を開始した宇宙線電子望遠鏡「CALET」は、日本の宇宙線観測としては初めての本格的な宇宙実験で、すでに７年以上安定的な観測を行っています。高エネルギー電子の高精度観測に最適化されたユニークな装置ですが、確実な電荷決定と広いエネルギー測定範囲により、陽子や原子核成分の観測にも強力な性能を有しています。CALETの主となる検出装置は「カロリメータ」と言い、ここに飛び込んでくる宇宙線を捉えて観測することになります。カロリメータは、図３のように3つの層からできています。

図３の第1の層（CHD）では粒子の電荷を測定し、入射粒子の電荷を測定します。第2の層（IMC）では、主に粒子が飛んできた方向を測定します。そしてもっとも厚みのある第3の層（TASC）で、宇宙線が吸収されて生じる「シャワー」の発達の様子からその宇宙線のエネルギーや種類を特定します。この3つの層から得られる情報を統合することで、その宇宙線についてかなり広範囲に理解することが可能と考えています。特に第三の層の厚さや使われている物質と信号の読み出し方法によって、どれだけ高いエネルギーの粒子まで観測することができるかが決まります。CALETはとりわけこの点においてCALET以前の観測装置に比べて高い性能を保有しています。

2：宇宙線

宇宙空間は、何もないように見えますが、じつはとてもたくさんの粒子が飛んでいます。それらは原子よりもさらに小さい陽子や電子などの粒子で、宇宙空間で手をかざしたら一秒間に100個以上が手にあたるほどたくさん飛んでいます。そのような粒子を宇宙線と言います。宇宙線は約100年前に発見されて以来、常に物理学の最先端テーマでした。宇宙線の研究から、陽電子や中間子の発見など、人類の知識を大きく広げる成果があがっています。宇宙線は、太陽や天の川銀河（地球がある銀河系）など宇宙の様々な場所から飛んできます。特に高いエネルギーをもったものは、私たちが暮らす太陽系の外からはるばるやってきています。

3：スペクトル

本稿ではすべてエネルギースペクトルの意味で用いています。横軸をエネルギー、縦軸を流束とした図をエネルギースペクトルと言います。宇宙線スペクトルは冪形状となっていて、その冪の値は大体 -2.7程度ですので、高いエネルギーになるにつれ急激に流束が減少します。

4：電子ボルト

エネルギーの単位です。1ボルトの電位差を抵抗なしに通過した際に電子が得るエネルギーが1電子ボルトです。ここではその10⁹倍のギガ電子ボルト、10¹²倍のテラ電子ボルト、10¹⁵倍のペタ電子ボルトのエネルギー領域を扱っています。

5：スペクトル軟化

スペクトル硬化とは逆に、冪の絶対値が大きくなる方向のスペクトル変化を表し、エネルギーに対する流束の減少割合が増えていくことを示します。

6：宇宙線加速

高エネルギーの宇宙線がどこからきてどのように加速されたのか（＝高いエネルギーを得たのか）についてのもっとも有力な説明は、「超新星爆発」です。超新星爆発とは、質量の大きな星がその一生の最後に起こす爆発で、そのとき甚大なエネルギーが放出されます。そのエネルギーによって加速されて地球まで飛んできた粒子が高エネルギーの宇宙線だと考えられていますが、加速されるメカニズムの詳細については、まだわからない点が多く残されています。

7: 冪型スペクトル

変数xに対しする分布関数がx^α になる分布を、冪の値がαの冪関数型分布と呼びます。変数をエネルギー(E)にとった場合の流束の分布をエネルギースペクトルと言い、宇宙線スペクトルは冪形状となっていて、E^–γで表されます。冪の値はマイナスでγの値は2.7程度であるので、高いエネルギ―になるにつれ急激に流束が減少します。電波や赤外・可視光等の電磁波スペクトルが主に、黒体輻射に代表される熱的放射を観測しているのに対し、冪型スペクトルによって特徴づけられる非熱的放射の背景には必ず宇宙線の加速と伝播が隠されているためです。

8：スペクトル硬化

冪の絶対値が小さくなる方向のスペクトル変化を表し、エネルギーに対する流束の減少割合が減っていくことを示します。

9：これまでのCALETによる宇宙線諸成分（電子、水素（陽子）、炭素、水素、鉄、ニッケルなど）の観測

• 「宇宙線陽子スペクトルの高精度直接観測に成功」（2022年９月発表）

• 「宇宙線の鉄・ニッケル成分の最高エネルギー領域に至るスペクトルを測定」(2022年4月発表)

• 「宇宙線炭素・酸素のテラ電子ボルト領域に至るスペクトル硬化を検出」（2021年1月発表）

• 「宇宙線の直接観測により、テラ電子ボルト領域に至る漸次的な陽子スペクトル硬化を高精度に検出」（2019年5月発表）

• 「２年間のデータ蓄積により観測領域を拡張。8テラ電子ボルトまでの高精度電子識別に成功」（2018年5月発表）

• 「宇宙からの直接観測で３テラ電子ボルトまでの高精度電子識別に初めて成功」(2017年12月発表）

10: DAMPE

中国科学院が2015年12月に打ち上げた宇宙線観測を目的とした初めての科学観測衛星。

（８）論文情報

雑誌名：Physical Review Letters 130, 171002, (2023)
論文名：Direct Measurement of the Cosmic-Ray Helium Spectrum from 40 GeV to 250 TeV with the Calorimetric Electron Telescope on the International Space Station
執筆者名（所属機関名）：O. Adriani et al. (CALET Collaboration), Corresponding Authors: K. Kobayashi, P. Brogi
掲載日時（現地時間）：2023年4月27日（木）
掲載URL：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.130.171002#fulltext
DOI：10.1103/PhysRevLett.130.171002

（９）研究助成

研究費名：科学研究費補助金　基盤研究（S）
研究課題名：CALET長期観測による銀河宇宙線の期限解明と暗黒物質探索
研究代表者名（所属機関名）：鳥居祥二（早稲田大学）