土壌中のナノプラスチック濃度の測定技術を開発
地圏環境中に拡散したプラスチック粒子量分布の把握に貢献

ポイント

• 紫外可視分光光度計を用いて、土壌中のプラスチック濃度を簡便に測定する技術を開発
• 従来法では検出が困難だった大きさ1 µm以下のナノプラスチックに対応
• 地圏環境中のナノプラスチック量分布を基に、ヒトへのプラスチック暴露量の評価に貢献

土壌中にあるナノプラスチックのイメージ

概要

国立研究開発法人 産業技術総合研究所（以下「産総研」という）地質調査総合センター 地圏資源環境研究部門 地圏環境リスク研究グループ 土田 恭平 研究員（現在 早稲田大学大学院創造理工学研究科地球・環境資源理工学専攻博士課程在籍）、井本 由香利 主任研究員、斎藤 健志 主任研究員、原 淳子 研究グループ長、早稲田大学創造理工学部環境資源工学科 川邉 能成 教授は、土壌中のナノプラスチックの濃度を測定する技術を開発しました。

近年、増え続けるプラスチックごみが社会問題となっています。とりわけ、大きさ1 µm以下のプラスチックはナノプラスチックと呼ばれ、人体への影響が懸念されています。ナノプラスチックは摂取や吸入などによって人体に取り込まれると考えられているため、ヒトへのリスク評価のためにも土壌を含む地圏環境にどれだけの濃度で分布しているかを知る必要があります。しかし、従来手法で検出できる土壌中プラスチックの最小サイズは約1 µmであるため、土壌中のナノプラスチック^※1の分布状況は明らかになっていません。

今回開発した技術は、ナノプラスチックと土壌粒子の吸光度スペクトル^※2の差を利用して、土壌有機物や土粒子とナノプラスチックを分離せずに、従来法では難しかった土壌試料中のナノプラスチック濃度を算定します。
なお、今回の成果の詳細は、2024年5月28日に「Ecotoxicology and Environmental Safety」に掲載されました。

開発の社会的背景

ごみの不法投棄や河川の氾濫、農耕地でのプラスチックの利用、建築土木利用された資材の劣化や摩耗などに起因して、マイクロプラスチック^※3が環境中へ流出していることが報告されています。陸上に存在するマイクロプラスチック量は海洋の4～23倍と推定されており、土壌中に多量のマイクロプラスチックが存在している可能性があります。また、ナノプラスチックはマイクロプラスチックが粉砕されることで生成され、マイクロプラスチックと同様に土壌中に存在していると考えられます。

ナノプラスチックは赤血球を破壊し、細胞に侵入してミトコンドリアDNAに損傷を与えることが明らかになっています。ナノプラスチックはマイクロプラスチックよりも人体への影響が大きい可能性があるため、土壌を含む地圏環境中のナノプラスチックの存在量を明らかにすることで暴露^※4・リスク評価を行う必要があります。土壌中の微小なプラスチックの濃度を測定する従来の手法では、土壌試料を適切に前処理した後に土粒子と比重分離を行い、フィルターでプラスチックを回収します。この方法では、フィルターや装置の性能から1 µm以上の大きさのプラスチック粒子しか検出できないため、土壌中のナノプラスチックの分布状況は明らかになっていません。よって、ヒトへのナノプラスチックの暴露量評価をより詳細に行うために、土壌中ナノプラスチックの濃度評価手法を確立する必要がありました。

研究の経緯

産業技術総合研究所 地圏資源環境研究部門 地圏環境リスク研究グループは、環境中のプラスチックのリスク評価を目指しており、プラスチックと化学物質との相互作用や、プラスチックの土壌中での移動性の解明、環境中のプラスチック分布状況の調査を行ってきました。今回はマイクロプラスチックより人体への影響が大きい可能性があるナノプラスチックの地圏環境中の分布を明らかにするために、土壌中のナノプラスチックの濃度測定技術を開発しました。

研究の内容

本研究では、粒度分布や有機物の含有量など特性の異なる6種類の土壌サンプルと203 nmのポリスチレンの微小な粒子を混合して6種類の土壌懸濁液（ポリスチレン濃度5 mg/L）を用意しました。土壌粒子とナノプラスチックの吸光度スペクトルは図１のように異なるため、１つの土壌懸濁液に対して２つの波長の吸光度を測定することで、懸濁液中の土壌とナノプラスチックのそれぞれの濃度を定量できます。今回の6種類の土壌懸濁液に対して200 nmから500 nmまでの範囲で20 nm間隔で異なる２つの波長の組み合わせを試しました。その結果、波長220～260 nmおよび波長280～340 nmの吸光度での組み合わせで、算出されるナノプラスチック濃度とサンプル濃度の5 mg/Lとの差が最小になりました。これら２つの範囲の波長の組み合わせがさまざまな性質の土壌懸濁液中のナノプラスチック濃度を算定するのに適していると考えられます。

また、ナノプラスチック含有量の異なる乾燥土壌サンプルを用意し、これらの試料から土壌懸濁液を作成しナノプラスチック濃度を測定することで（図２）、土壌懸濁液中のナノプラスチック濃度と乾燥土壌中のナノプラスチック濃度との検量線を作成しました。この検量線はナノプラスチックの土粒子への吸着を考慮したものであり、直線関係を示していました。以上から、ナノプラスチックの土粒子への吸着を考慮した検量線を作成することで、もとの土壌中のナノプラスチック濃度を正確に測定できることが分かりました。また、本技術の測定下限を明らかにするため、さまざまなナノプラスチック含有量の乾燥土壌サンプルを用意し本技術でナノプラスチック濃度を算出したところ、土壌中ナノプラスチック濃度が0.2 mg/g以上のとき、用意した6種類すべての土壌ナノプラスチック濃度を変動係数10%以内の誤差で測定できました。これにより紫外可視分光光度計^※5を用いた乾燥土壌中ナノプラスチック濃度測定は、測定下限0.2 mg/gで有効であると示されました。

図1 ナノプラスチックと土壌の吸光度スペクトル　※原論文の図を引用・改変したものを使用しています。

図2 土壌中ナノプラスチック濃度測定の流れ　※原論文の図を引用・改変したものを使用しています。

今後の予定

今回開発した技術により、環境土壌におけるポリエチレンやポリエチレンテレフタラートなどのナノプラスチックを定量し、地圏環境におけるナノプラスチック分布とその移動について明らかにしたいと考えています。

論文情報

掲載誌：Ecotoxicology and Environmental Safety
論文タイトル：A novel and simple method for measuring nano/microplastic concentrations in soil using UV-Vis spectroscopy with optimal wavelength selection.
著者：Kyouhei Tsuchida, Yukari Imoto, Takeshi Saito, Junko Hara, Yoshishige Kawabe
DOI：https://doi.org/10.1016/j.ecoenv.2024.116366

用語解説

※1 ナノプラスチック
大きさが1千分の1 mm(1 µm)以下のプラスチック。マイクロプラスチックより人体への影響が大きいと懸念されている。

※2 吸光度スペクトル
物質が各波長の光をどの程度吸収するかを表したグラフ。

※3 マイクロプラスチック
大きさが5 mm以下のプラスチック。環境中への流出が問題視されている。

※4 暴露
物質が体内に入ること。体内への侵入経路は呼吸や飲食などのほかに皮膚接触なども考えられる。

※5 紫外可視分光光度計
紫外から可視領域までの光を試料に照射することにより、各波長に対する試料の透過率を取得する装置である。特定の波長において対象物が光を吸収する値が異なる特性を利用して、幅広い分野で化学分析に利用されている。

2024 年 6 月 27 日（木）17時30分より、楽天グループ株式会社代表取締役会長兼社長の三木谷浩史氏を迎え、大学生、大学院生、高校生を主対象として、特別講演会と座談会を早稲田大学大隈記念講堂大講堂にて開催いたします。奮ってご参加ください。

◆日時：6月27日（木）17時30分～19時30分
◆会場： 早稲田大学大隈記念講堂大講堂
◆対象者： 大学生、大学院生、高校生、早稲田大学教職員・研究員、共催・協賛の関係者
◆参加費： 無料
◆総合司会：朝日 透（早稲田大学理工学術院 教授）

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物質中の創発磁気モノポールが示す新規な集団振動現象を発見
約100年前に予言された幻の素粒子「磁気モノポール」の理解につながる一歩へ

発表のポイント

• 近年の実験である種の磁性体において発見された磁気モノポールのように振る舞う特殊な３次元磁気構造「（アンチ）磁気ヘッジホッグ」が、光に応答して示す新規な集団振動現象を理論的に発見し、その性質を解明しました。
• これまで、磁気ヘッジホッグ格子が光やマイクロ波によってどのように駆動され、物質中に創発電場・創発磁場（創発電磁場）を生み出すのかは未解明な問題でした。
• 本成果により、約100年前に提唱された幻の素粒子「磁気モノポール」の理解に向けた物性物理学と素粒子物理学を横断する研究の進展に期待が高まるともに、技術応用としても、ナノサイズの発電素子や光やマイクロ波を電気信号や電圧に変換する素子への応用や、新しい光/マイクロ波素子機能の開拓などの研究・開発の促進につながることが望まれます。

図1．(a) L2モードにおけるディラック弦Bの振動の様子。(b) L３モードにおけるディラック弦Aの振動の様子。弦上端と下端のヘッジホッグとアンチヘッジホッグが同位相で振動し、弦は上下に並進振動を起こす。

早稲田大学大学院先進理工学研究科の衛藤倫太郎（えとうりんたろう、博士課程2年/日本学術振興会特別研究員DC1）と、同大理工学術院教授 望月維人（もちづきまさひと）の研究グループは、磁気ヘッジホッグ格子に光を照射したときに期待される集団運動の性質を、微視的な理論モデルを用いた数値シミュレーションにより調べました。その結果、磁気モーメントの特殊な空間配列パターンとして磁性体中に現れる創発的な磁気モノポール格子に光を照射すると、磁気モノポールとアンチ磁気モノポールが一斉に位相を揃えて振動する集団振動現象が起こることを理論的に発見しました。

本研究成果は、米国のアメリカ物理学会が発行する国際科学ジャーナル『Physical Review Letters』誌に、2024年5月31日（金）（現地時間）にオンラインで掲載されました（論文名：Theory of Collective Excitations in the Quadruple-Q Magnetic Hedgehog Lattices）。

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）

磁石では、磁力線の湧き出しであるN極と吸い込みであるS極は必ずペアになって存在し、N極あるいはS極のどちらか一方だけを取り出すことはできません。1931年にイギリスの理論物理学者ポール・ディラックは、量子力学と電磁気学の研究から、ある条件のもとではN極だけ、あるいはS極だけの素粒子が存在し得るという理論を提唱しました。ディラックが予言したこれらの素粒子は「磁気モノポール」と「アンチ磁気モノポール」(※1)と呼ばれ、多くの実験研究者によって探索が行われましたが、現在に至るまでまだ発見されていません。

一方、近年の実験である種の磁性体において「磁気ヘッジホッグ」と「アンチ磁気ヘッジホッグ」(※２)と呼ばれる特殊な３次元磁気構造が実現していることが発見されました[図2(a),(b)]。これらの磁気構造は、物質中を動き回る伝導電子が磁場として感じる仮想的な場「創発磁場」(※３)の湧き出し（N極）と吸い込み（S極）として振る舞うため、仮想的な磁気モノポールとアンチ磁気モノポールと見なすことができます。さらに、これらの磁気ヘッジホッグとアンチ磁気ヘッジホッグは、しばしばそれらが周期的に並んだ磁気ヘッジホッグ格子(※４)と呼ばれる構造を構成します。このような磁気ヘッジホッグ格子は、最近、マンガン化合物であるMnGeやMnSi1-xGex、鉄酸化物であるSrFeO3といった物質で相次いで発見されています。

磁気ヘッジホッグ格子に関するこれまでの研究では、平衡状態の性質の解明に主眼が置かれていました。一方、発電機の原理にもなっている「磁場が時間変化すれば電場が生じる」という電磁気学の基礎知識から、磁気モノポールやアンチ磁気モノポールの位置が時間的に変化すれば電場が生じることが分かります。つまり、磁性体中の磁気ヘッジホッグやアンチ磁気ヘッジホッグを光やマイクロ波の振動磁場で揺さぶることができれば、伝導電子に作用する有効的な電場「創発電場」(※３)が発生するはずです。このような現象はナノサイズの発電素子や光やマイクロ波を電気信号や電圧に変換する素子への応用が期待できます。

さらに、磁気ヘッジホッグ格子の集団運動を明らかにすることで、光やマイクロ波による磁気ヘッジホッグの生成、消去、駆動といった制御・操作技術の開発や、磁気ヘッジホッグ格子を活用した新しい光/マイクロ波素子機能の開拓が期待できます。ある物質中で光やマイクロ波に応答して特定の周波数の振動現象が起こるということは、その周波数を持つ光やマイクロ波をその物質に照射すると、振動を引き起こすことでエネルギーを失い、結果的にその物質に吸収されてしまうことになります。一方で、例えば磁場をかけてこの振動現象を抑える、あるいはなくしてしまうことができれば、照射した光やマイクロ波は振動を引き起こすことなく（エネルギーを失うことなく）その物質を透過できることになります。つまり、磁場のオン・オフによって光やマイクロ波がその物質を透過する・しないを切り替えることが可能になるわけです。

このように様々なエレクトロニクス応用が期待されるため、磁気ヘッジホッグ格子が光やマイクロ波に応答してどのような振動現象や振動パターンを示すのかは基礎科学と技術応用の両方の観点から重要な問題です。しかし、これまでにそのような問題に取り組んだ研究は実験的にも理論的にもほとんどなく、未解明の謎として残っていました。

図2: (a),(b) 磁気ヘッジホッグとアンチ磁気ヘッジホッグの磁化配列（赤矢印と青矢印）と創発磁場の分布（緑矢印）。磁気ヘッジホッグでは磁場が中心から湧き出しており、アンチ磁気ヘッジホッグでは磁場が中心に吸い込まれている。(c) ヘッジホッグとアンチヘッジホッグを繋ぐ磁気渦糸（ディラック弦A）の構造。(d),(e) 磁気ヘッジホッグ格子におけるヘッジホッグとアンチヘッジホッグの空間配置。マゼンタの点とシアンの点がそれぞれヘッジホッグとアンチヘッジホッグを表している。また、それを繋ぐ線はディラック弦を表す。磁化の巻き方に応じて2種類のディラック弦（赤線：ディラック弦A, 青線：ディラック弦B）がある。ゼロ磁場および低磁場の磁気ヘッジホッグ格子ではディラック弦AとB両方が存在するが(d)、磁場を印加するとディラック弦Bが消滅し、ディラック弦Aのみが存在する磁気ヘッジホッグ格子が現れる(e)。

今回の新たに実現しようとしたこと、明らかになったこと、新しく開発した手法

そこで本研究では、磁気ヘッジホッグ格子に光を照射したときに期待される集団運動の性質を、微視的な理論モデルを用いた数値シミュレーションにより調べました。

ところで、磁気ヘッジホッグ格子では、磁気ヘッジホッグとアンチ磁気ヘッジホッグはディラック弦と呼ばれる渦糸状の磁化配列で繋がっています[図2(c)]。この図にあるように、磁気ヘッジホッグの真下にある正方格子上の４つの磁気モーメントはらせんを描くように下に降りていきアンチ磁気ヘッジホッグへとつながっていきます。このような磁化配列の渦糸構造と表現しますが、らせんには右巻と左巻があるため、ディラック弦にも右巻と左巻の２種類があることになります。一つの物質中に必ずしも２種類のディラック弦が現れるとは限りませんが、本研究で取り扱ったMnSi1-xGexやSrFeO3などの物質で実現している磁気ヘッジホッグ格子[図2(d), (e)]では、磁気渦糸の巻き方が異なる2種類のディラック弦（AとB）が存在するため、多彩な電磁応答が期待できます。

研究の結果、テラヘルツから数百ギガヘルツ(※５)の周波数帯に3つの固有の周波数を持った特徴的な振動パターン（固有振動モード）が存在することを発見し、Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３と名付けました[図3]。さらに詳しく調べた結果、これらの振動パターンでは、ディラック弦の上端と下端についている磁気ヘッジホッグとアンチ磁気ヘッジホッグが同位相で振動しているため、ディラック弦が上下に振動する並進振動が実現していることが分かりました[図1]。我々は、コイルに棒磁石を近づけたり遠ざけたりすると電圧が生じ電流が流れることを知っていますが、今回発見したディラック弦の並進振動は、この場合の棒磁石の運動と同じ動きになっています。つまり、光を照射された磁気ヘッジホッグ格子では、無数のナノサイズの棒磁石が数百ギガヘルツの高速でそのような振動運動を起こしていることになります。

さらに興味深いことに、３つの振動パターンのうち、L2モードはディラック弦Bの振動に、L3モードはディラック弦Aの振動に対応していることを発見しました。その結果、磁場をかけることで磁気ヘッジホッグとアンチ磁気ヘッジホッグの対消滅が起こり、ディラック弦が消える場合、ディラック弦Bが消える場合にはL2モードが消失し、ディラック弦Aが消える場合にはL3モードが消失します。このことは、これらの振動モードや、誘起される創発電場のオン・オフ、モードと同じ周波数を持つ光やマイクロ波が透過するか・しないかを外部磁場によって切り替えられることを意味しています。これは物性現象として興味深いだけでなく、エレクトロニクス応用の観点からも重要な発見です。

図3: (a) 外部磁場の大きさに関する相図。ゼロ磁場および低磁場ではディラック弦AとB両方が存在する磁気ヘッジホッグ格子が現れる。磁場を大きくしていくと、ディラック弦Bに属するヘッジホッグとアンチヘッジホッグの対消滅が起き、ディラック弦Aのみで構成される磁気ヘッジホッグ格子に相転移する[図2(d),(e)も参照]。(b) 理論計算で得られた光吸収スペクトル。ピークが固有の周波数を持つ特徴的な振動パターン（固有振動モード）に対応しており、３つのモード（L1, L2, L3）が見て取れる。振動数の数値は規格化された単位系で書かれているが、これらのモードはおよそ数百ギガヘルツの周波数帯に現れている。ディラック弦の振動に対応するL2, L3モードを見てみると、ディラック弦A,B両方が存在する低磁場側の磁気ヘッジホッグ相ではL2, L3両方のモードが現れる。一方、弦Bが消滅し、弦Aだけで構成される高磁場側の磁気ヘッジホッグ相では弦B由来のL2モードが消失し、弦A由来のL3モードだけが残っている。

そのために新しく開発した手法

本研究ではまず、磁気ヘッジホッグ格子が実現している金属磁性体を記述するために、磁性体を構成する原子上の磁気モーメントと、それらの間に働く相互作用を媒介する伝導電子を考慮した近藤格子モデル(※６)と呼ばれる数理モデルを構築しました。そして、磁化の運動を記述する方程式を用いてこのモデルを解析することで、磁気ヘッジホッグ格子に光やマイクロ波を照射した時に期待される特異な集団運動や振動現象の様子や性質を調べました。数値シミュレーションでは、数多くの磁気モーメントと伝導電子を取り扱うために計算コストが膨大になりますが、チェビシェフ多項式展開法(※７)という高度な数値解析の手法を適用することで、研究を遂行しました。

研究の波及効果や社会的影響

本研究では、偉大な物理学者であるポール・ディラックが100年近く前に予言した幻の素粒子「（アンチ）磁気モノポール」と同じように振る舞う磁気構造「（アンチ）磁気ヘッジホッグ」が光に応答して示す集団振動現象を理論的に発見し、その性質を解明しました。

この研究成果には基礎科学の観点から次のような波及効果が期待されます。まず、本物の磁気モノポールは未だに発見されていませんが、磁気ヘッジホッグのような磁性体中の類似対象の振る舞いを調べることで、磁気モノポールが実際に存在した場合に期待される様々な性質や現象、機能を研究する新しい分野を切り拓くことが可能になります。このような研究は物性物理学と素粒子物理学の融合による新しい分野横断型の研究になることが期待されます。

また、電磁気学では長い間「電気と磁気」の双対性(※８)が議論されてきました。つまり、「電場と磁場」、「電気双極子と磁気双極子」、「電流とスピン流」のように電気と磁気には互いの対応物があるという仮説です。ところが、「電荷」に対する磁気の対応物であるはずの「磁荷（磁気モノポール）」だけが実験で見つかっていません。今回、磁気ヘッジホッグの新しい性質や現象が発見されたことで、電気と磁気の双対性が完全に成り立つ「物質中の新しい電磁気学」が開拓されることを期待しています。

一方、今回の成果には高い技術応用上の意義もあります。磁場の時間変化や磁気モノポールの運動から電場が生じるように、磁気ヘッジホッグの運動もまた、伝導電子に作用する創発電場を生み出します。光やマイクロ波で磁気ヘッジホッグを駆動することで物質中に生み出される創発電場・創発磁場を活用した新しいデバイス機能の研究・開発が促進されることを期待しています。

今後の課題

本研究は、磁気ヘッジホッグ格子が光やマイクロ波に応答して示す新しい集団振動現象を実験に先駆けて理論的に発見し、その性質を明らかにしました。今後、MnSi1-xGexやSrFeO3などの実際の物質において、これらの結果を実験的に検証することが取り組むべき課題です。また、磁気ヘッジホッグの振動現象により発生する創発電場の性質を明らかにし、それに由来する興味深い物性現象や、それを活用した新しい物質機能を開拓することも重要な課題です。

研究者のコメント

本研究成果は、物質中の創発磁気モノポールに由来する固有の現象とその背後にある微視的メカニズムを明らかにしたという点で意義深いものです。本研究を皮切りに、物質中の創発磁気モノポールの性質や、それに由来する物性現象および物質機能の研究が今後活発に行われることを期待しています。

用語解説

※1　磁気モノポール
磁石のN極とS極のどちらか一方の性質のみを持つ粒子のこと。

※２　磁気ヘッジホッグ、アンチ磁気ヘッジホッグ
ある種の磁性体中に現れる図のような磁気モーメントの3次元配列。これらの磁気構造は交換相互作用を通じて伝導電子に働く仮想的な磁場（創発磁場）を生み出す。局所的な創発磁場の空間分布は、磁気ヘッジホッグでは湧き出し、アンチ磁気ヘッジホッグでは吸い込みになっており、それぞれ磁気モノポールとアンチ磁気モノポールに対応する。

※３　創発電磁場（創発磁場、創発電場）
金属磁性体中を動き回る伝導電子のスピンは、原子上に局在する磁気モーメントと相互作用し、各原子上で磁気モーメントと平行になろうとする。これにより伝導電子の波動関数はある種の位相を獲得するが、量子力学の枠組みから、その位相の積分値に対応する実効的な電磁場が伝導電子に作用することが分かる。この実効的な電場・磁場のことを創発電場・創発磁場と呼ぶ。特に創発磁場は近接する磁気モーメントが張る立体角の和に比例する。立体角の和が+4p（-4p）である磁気ヘッジホッグ（アンチ磁気ヘッジホッグ）は一つの磁束量子とみなすことができる。

※４　磁気ヘッジホッグ格子
磁気ヘッジホッグとアンチ磁気ヘッジホッグが空間周期的に配列した磁化構造のこと。その磁化配列は数学的には複数の螺旋状の磁化配列の重ね合わせで表現することができる。MnSi1-xGexやSrFeO3で観測されている磁気ヘッジホッグ格子は4つの磁気螺旋の重ね合わせで表現されるので4重波数磁気ヘッジホッグ格子、MnGeで観測されている磁気ヘッジホッグ格子は３つの磁気螺旋の重ね合わせで表現されるので３重波数磁気ヘッジホッグ格子と呼ばれる。

※５　テラヘルツ・ギガヘルツ
周波数の単位。1テラヘルツは1秒間に1兆回の振動、1ギガヘルツは１0億回の振動を表す。

※６　近藤格子モデル
各原子に局在した磁化と、原子間を動き回る伝導電子を持つ金属磁性体を記述する数理モデル。伝導電子は局在磁化と交換相互作用を通じて結合すると同時に、局在磁化間に働く長距離交換相互作用を媒介する。近藤格子モデルではモデルパラメータを適切に選ぶと、磁気ヘッジホッグ格子を含む多彩な長周期の磁気構造を再現することができる。

※７　チェビシェフ多項式展開法
近藤格子モデルのような量子力学モデルの数値シミュレーションを効率的に行うための手法の一つ。量子力学の数値シミュレーションでは、通常、ハミルトニアンと呼ばれる非常に大きな行列を対角化する必要がある。特に、物理量の時間発展をシミュレーションする場合には、そのような対角化を何度も行う必要があるが、行列の対角化には膨大な計算時間を要する。そこで、物理量の表式を無数の多項式の和で表現することでハミルトニアン行列を対角せずにその物理量を計算する「多項式展開法」という手法が開発された。中でも、多項式として特に代数学において「チェビシェフ多項式」と呼ばれる多項式を使うと、物理量の表式が少ない多項式の和で表現できるため、効率的にシミュレーションを行うことができる。このような手法のことをチェビシェフ多項式展開法と呼ぶ。

※８　双対性
電磁気学の基礎方程式である４つのマクスウェル方程式では、磁気モノポール（磁荷）の存在を仮定すると電場と磁場、電荷と磁荷を入れ替えても等価な式が得られる。このような「電気」と「磁気」の対応関係を双対性と呼ぶ。

論文情報

雑誌名：Physical Review Letters
論文名：Theory of Collective Excitations in the Quadruple-Q Magnetic Hedgehog Lattices
(和訳:４重波数磁気ヘッジホッグ格子における集団励起の理論)
執筆者名（所属機関名）：衛藤倫太郎 (早稲田大学大学院先進理工学研究科物理学及応用物理学専攻・博士課程2年/日本学術振興会特別研究員DC1)、望月維人 (早稲田大学理工学術院先進理工学部応用物理学科・教授)
掲載予定日時（現地時間）：2024年5月31日（金）
掲載URL：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.226705
DOI：https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.132.226705

研究助成

研究費名：国立研究開発法人科学技術振興機構 戦略的創造研究推進授業CREST
研究課題名：Beyond Skyrmionを目指す新しいトポロジカル磁性科学の創出
研究代表者名（所属機関名）：于秀珍（理化学研究所）

研究費名：日本学術振興会 科学研究費助成事業 基盤研究(A)
研究課題名：スキルミオニクス創成に向けた基盤技術と材料の開拓（課題番号：20H00337）
研究代表者名（所属機関名）：望月維人（早稲田大学）

研究費名：日本学術振興会 学術変革領域研究(A)「「学習物理学」の創成－機械学習と物理学の融合新領域による基礎物理学の変革」（公募研究）
研究課題名：スピン模型のトポロジカル相転移を検出する汎用的な機械学習手法の開発（課題番号：23H04522）
研究代表者名（所属機関名）：望月維人（早稲田大学）

研究費名：日本学術振興会 学術変革領域研究(A)「キメラ準粒子が切り拓く新物性科学」（計画研究）
研究課題名：キメラ準粒子の理論（課題番号：24H02231）
研究代表者名（所属機関名）：村上修一（東京工業大学）

研究費名：早稲田大学特定課題研究助成
研究課題名：電気磁気結合を利用した効率的な光誘起磁性スイッチング機能の理論設計（課題番号：2024C-153）
研究代表者名（所属機関名）：望月維人（早稲田大学）

研究費名：日本学術振興会 特別研究員奨励費
研究課題名：トポロジカル磁性における磁気励起と光誘起現象に関する理論研究（課題番号：23KJ2047）
研究代表者名（所属機関名）：衛藤倫太郎（早稲田大学）

【キーワード】
磁気ヘッジホッグ、磁気モノポール、創発電磁場、励起振動

公募要領_理工学術院_先進理工学部_化学・生命化学科

公募要領_理工学術院_創造理工学部_経営システム工学科（管理会計、コスト分析、財務分野）

公募要領_理工学術院_創造理工学部_経営システム工学科（統計科学、応用統計化学）

公募要領_理工学術院_創造理工学部_社会文化領域

新規ナノ構造体を基盤とするナノ注射器が拓く細胞治療の未来
1,000万個の細胞に複数タンパク質を「高効率」「高生存率」導入

タンパク質を用いたがん治療およびNMR解析への利用を実証

発表のポイント

• 導電性高分子と金属から成る複合ナノチューブシートを改良し、複数のタンパク質を細胞内に高効率・高生存率で導入するための新規ナノ構造体（ナノ注射器）を開発。
• 再生医療分野で取り扱うために必要な細胞数である1,000万個以上の細胞に対して、導入効率89.9％、細胞生存率97.1％でタンパク質導入に成功。
• 乳酸オキシダーゼ酵素（LOx）およびユビキチン（UQ）などの任意タンパク質を導入可能。
• タンパク質導入によるがん細胞の死滅およびNMR解析に成功。

早稲田大学大学院情報生産システム研究科の三宅丈雄（みやけたけお）教授らの研究グループと理化学研究所生命機能科学研究センターの美川務（みかわつとむ）専任研究員らの研究グループは、2021年に報告した導電性高分子で被覆された金属製ナノチューブシート^※1をこれまで細胞内に届けることが困難であったタンパク質向けに改良し、タンパク質の細胞内への輸送速度や細胞内での機能維持の向上を実現しました。本研究では、この技術を用いて、乳酸オキシダーゼ酵素（LOx）を正常細胞とがん細胞に導入し、がん細胞のみが死滅することを確認しました（図1）。実験では、酵素が細胞内まで届けられた場合は24時間後にがん細胞が3%まで死滅するのに対し、酵素を細胞内に届けない条件では33%残ることが確認されました。一方、安定同位体標識タンパク質（ユビキチン）を細胞内機能解析手法であるin-cell NMR解析^※2に必要な1,000万個（107個）以上の細胞に対して、高効率および高生存率で導入することに成功しました。

以上は、科学研究費補助金、科学技術振興機構（JST） 戦略的創造研究推進事業 さきがけ「電子・イオン制御型バイオイオントロニクス」（JPMJPR20B8）、旭硝子財団の助成による成果であり、2024年5月14日（現地時間）に科学誌『Analytical Chemistry』にオンライン版で公開されました。
論文名：A Hybrid Nanotube Stamp system in Intracellular Protein Delivery for Cancer Treatment and NMR Analytical Techniques

図1.ナノ注射器でのタンパク質導入および細胞応用

（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）

体外で細胞に物質を導入し、細胞を加工する技術開発は、再生医療および細胞治療におけるコア技術です。これまでは、化学/生物的手法（ウィルスベクター）と物理的手法（エレクトロポレーション）が利用されていましたが、これら手法は、細胞が外界から物質を取り込む作用であるエンドサイトーシスにより細胞内への取り込みを行うため、時間がかかる、効率が悪い、導入する過程で細胞が死んでしまうなどの課題を有していました。

こうした課題を解決するため、中空管のマイクロ/ナノニードルを細胞に挿入することで、目的の物質を細胞内に導入するナノ注射器に関する取り組みが盛んですが、開発が進むナノ注射器は単針であり、かつ、マイクロサイズの細胞に単針を挿入するマニュピレータが必要であるため、主に1細胞ごとに導入する必要がありました。そこで本研究グループは、ナノチューブを配列した2次元薄膜（シート）を開発し、本ナノチューブを細胞に刺入することで短時間、かつ、高効率に物質を細胞に届けるナノ注射器の開発に成功しました。さらに本研究では、このナノ注射器を用いることで、これまで物質導入が困難であった機能性タンパク質を再生医療分野で取り扱うために必要な細胞数（10⁷個以上）に高効率および高生存率で導入できることを確認しました。さらに、本技術をがん治療やNMR解析などの細胞応用に利用できることを実証しています。

（２）今回の研究で実現したこと

本研究グループでは、これまで金属製のナノチューブを開発し、そこへ導電性高分子を被覆することでナノスケールの構造体（ナノ構造体）および物質輸送を制御できるナノ加工技術（新しいナノ材料）の開発に取り組んできました。さらに、新規ナノ構造体を基盤とするナノ注射器を開発し、細胞内に低分子（蛍光物質：約1nmサイズ）・中分子（タンパク質：約数nm）・高分子（細胞小器官：500nm以上）を導入する取り組みを実施してきました。
今回、複数のタンパク質を細胞内に高効率・高生存率で導入するためのナノ構造体を開発し、様々な細胞（がん細胞（HeLa））、マウス由来上皮細胞（NIH3T3）、ヒト由来繊維芽細胞（HPS）、脂肪由来幹細胞（MSC）、角膜上皮細胞（HCE-T）など）で実現できることを確かめました（図2）。

図2.新規ナノ構造体を基盤とするナノ注射器の開発とタンパク質導入結果

（３）性能評価

本技術を用いた2つの事例①乳酸オキシダーゼ酵素（LOx）導入によるがん細胞の死滅、②安定同位体標識タンパク質導入によるNMR解析を紹介します。

まず、①LOx導入によるがん細胞の死滅に関しては、原理はとてもシンプルで、細胞内でLOxが乳酸濃度に応じて過酸化水素（H2O2、強力な酸化剤）を生成し、その結果として細胞をアポトーシス（細胞の自然死）に導きます。図3に示したようにがん細胞（HeLa）と正常細胞（MSC）内の乳酸濃度は10倍程度異なるため、がん細胞の中では酵素反応によって過酸化水素 がより多く生成されることになります。本実験では、HeLaとMSCへのLOxの導入効率は共に95％以上を示しました。LOxを導入したMSCと何も処理しなかったMSCを比較すると、ほぼ同じ生存率（100%以上）を示すのに対し、がん細胞ではLOx導入後、生存率が時間と共に下がることを確認しています。さらに、LOxの導入量に応じて、生存率が変化することを確かめており、このことは酵素反応の結果としてがん細胞が死滅したものであると考えています。

図3.ナノ注射器を用いたLOx酵素の細胞内導入およびがん細胞の死滅結果
（生細胞はカルセインAMで蛍光染色を行い、死細胞はPIにて蛍光染色を行った。）

また、②安定同位体標識タンパク質導入によるNMR解析においては、①同様の手法でユビキチンタンパク質をHeLa細胞に導入しNMR解析を行いました（図４）。NMR解析には、高濃度のタンパク質が導入された細胞が10⁷個程度必要となるため、ナノ注射器システムでも十分な数の細胞を用意し、さらには、十分な量のタンパク質が細胞内に導入されたかどうかを確かめました。結果として、1.8×10⁷個の細胞に5-10mMの安定同位体標識ユビキチンが入ったことをNMR解析から明らかにしました。

図4.ナノ注射器を用いた安定同位体標識ユビキチン（UQ）の細胞内導入およびNMR解析結果

（４）今後の展望

今後は、任意のタンパク質や低分子を同時に細胞内に導入することで、細胞機能改変（ダイレクトリプログラミング）あるいは細胞内機能解析（In-cell NMR）などの開発にも取り組みたいと考えています。また、動物性細胞以外の細胞（植物、酵母、乳酸菌など）への展開も見込んでいます。これらを1研究室で実現することは困難ですので、本プロジェクトにご興味のある企業や研究機関からのお問い合わせをお待ちします。

（５）用語解説等

※1　2021年に報告した導電性高分子で被覆された金属製ナノチューブシート：

https://www.waseda.jp/top/news/74747
細胞用電動ナノ注射器「電気浸透流ナノポンプ」を開発― 細胞治療に向けた新たな細胞内物質導入機器

※2　in-cell NMR解析：

核磁気共鳴分光測定法（NMR法）を用いて生きた細胞の中の生体分子を観測および解析する手法

（６）論文情報

雑誌名： Analytical Chemistry
論文名：A Hybrid Nanotube Stamp system in Intracellular Protein Delivery for Cancer Treatment and NMR Analytical Techniques
執筆者名：Bowen Zhang, Bingfu Liu, Zhouji Wu, Kazuhiro Oyama, Masaomi Ikari, Hiromasa Yagi, Naoya Tochio, Takanori Kigawa, Tsutomu Mikawa, and Takeo Miyake.
掲載日（現地時間）：2024年5月14日
掲載URL：https://doi.org/10.1021/acs.analchem.3c05331
DOI：10.1021/acs.analchem.3c05331

（８）研究助成

科学研究費補助金
科学技術振興機構（JST） 戦略的創造研究推進事業 さきがけ「電子・イオン制御型バイオイオントロニクス」（JPMJPR20B8）
旭硝子財団

不規則なガラス構造に隠された規則性

原子の柱が作り出す密度の”むら”の構造抽出に成功

発表のポイント

最先端の電子顕微鏡法の１つであるオングストロームビーム電子回折法^※1を用いて、シリカ(SiO₂)ガラス^※2の非常に細かい構造を直接観察することに成功した。

ガラスに存在する原子のナノスケール柱状構造^※3及びその配列に関係した複数の異なる周期性を発見した。

これらの柱状構造がほぼ周期的に配列することで「擬格子面^※4」と呼ばれる面状の領域が形成され、これにより古くから議論されてきたガラスの「FSDP^※5(First Sharp Diffraction Peak)」と呼ばれる特徴的な回折ピークの起源を解明した。

この柱状構造の配列は、ガラスにおける密度の”むら”（密度ゆらぎ）と密接に関係しており、例えば、ガラスを電池用材料、窓ガラス、光ファイバーとして利用する際のイオン伝導特性、強度、光学特性の改善に繋がる基礎として重要となる。

早稲田大学理工学術院教授 平田秋彦（ひらたあきひこ）、東北大学未踏スケールデータアナリティクスセンター教授 志賀元紀（しがもとき）、物質・材料研究機構マテリアル基盤研究センターグループリーダー 小原真司（こはらしんじ）らの研究グループ（以下、本研究グループ）は、オングストロームビーム電子回折法を用いることで、ナノスケール柱状構造がほぼ等間隔に並んで形成される局所秩序構造を、一見不規則な構造を持つとされる、もっとも一般的なガラス材料であるシリカ(SiO₂)ガラスの中に見い出しました。この秩序構造は、複数の異なる周期からなる密度ゆらぎを含む複雑な構造であることがわかりました。このような柱状構造配列の発見は、ガラス構造の科学に新たな視点を与え、さらに、柱状構造配列が作る密度ゆらぎの理解は、ガラス材料の特性や性能を制御するために欠かせない知見となると考えられます。

本研究成果は、Springer Nature社発行の科学ジャーナル『NPG Asia Materials』誌に、2024年5月10日（金）（現地時間）にオンラインで掲載されました（論文名：Direct observation of the atomic density fluctuation originating from the first sharp diffraction peak in SiO₂ glass）。

（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）

我々の生活に欠かせないガラスは、その原子レベルでの構造に関して古くから議論がなされてきました。中でも代表的なガラスであるシリカ(SiO₂)ガラスは、Siの周りに4つのOが共有結合しSiO₄正四面体が頂点に位置するOが四面体の頂点を共有して連結することにより、リング構造を作り、そのリングサイズの分布に特徴を持つこともわかっています。このようなガラスにX線や中性子線などの波長の短い波を当てると、波が原子配列によって干渉されて特徴的なパターンが出ますが、特に原子間のスケールよりも大きい周期に対応する「FSDP(First Sharp Diffraction Peak)」と呼ばれる回折ピークの出現について、古くから多くの議論がなされてきました。これを理解するために、例えば、擬格子面の概念が提唱されておりましたが、その具体的な起源については不明な点が残されていました。

（２）今回の新たに実現しようとしたこと、明らかになったこと、新しく開発した手法

本研究では、ガラスにおける擬格子面の正体を明らかにするため、シリカガラスで見られるFSDPに着目し、この回折ピークをシリカガラスの局所領域（1nm以下の領域）から得る目的で、本研究グループが開発してきたオングストロームビーム電子回折法を用いました（図2）。特に今回、エネルギーフィルターを導入することで、局所領域からのFSDPを明瞭に撮影することに成功しました。また、シミュレーションによって構築された構造モデルからも、近年本研究グループが開発したオングストロームビーム電子回折の理論計算結果を用いて、この実験結果を再現する局所構造を抽出することが可能となりました。この構造モデルは、X線および中性子回折の結果を再現するように分子動力学法^※6と逆モンテカルロ法^※7を組み合わせて作成されたものです。

抽出した局所構造に高速フーリエ変換を適用することにより、構造中に存在する擬周期が原子の柱状構造の配列から生じることが明らかとなりました。この柱状構造はブリッジの役割を果たす原子によってお互い接続されることで、おおよそ等間隔に並んで擬格子面を構成していることが特徴であり、これによりFSDPが生じるものと推察されます。また、このような柱状構造が取り囲むように柱状の空隙も形成されており、明瞭な密度ゆらぎの存在が示唆されます。さらに、この密度ゆらぎを特徴づける複数の周期が混在し、複雑な階層的構造が形成されていることもわかりました（図3）。

このような柱状構造は、局所構造についてある特別な方向から見た時に、その方向に沿って存在するものであり、構造モデルの中からこのような場所を見つけるためには、今回使用したオングストロームビーム電子回折計算は非常に強力な手法です。また、この局所構造中の柱状構造は、結晶において見られるものと類似していることもわかりました。しかし、ガラス中の柱状構造は、結晶には存在しないリング構造である5員環や7員環を多く含んでおります。これにより構造の乱れが導入され、結晶のように広範囲にわたって周期構造が続かない原因となっているものと考えられます。

（３）研究の波及効果や社会的影響

結晶材料では、その原子配列である結晶構造が決定され、転位などに代表される格子欠陥が明確に定義されていることから、これらを制御することで様々な用途に対応した材料開発が行われてきています。一方で、ガラス材料に関しては、原子配列の決定は周期性が無いことから難しく、欠陥構造の定義も未だ明確なものはありません。

本研究では、ガラス構造中の局所秩序をナノスケール柱状構造の局所的な配列として捉えられることを示しております。ナノスケール柱状構造の配列が様々な長さの密度揺らぎを作ることから、平均的な周期から大きく逸脱した領域はガラス構造のある種の欠陥として理解することができます。このような欠陥は、ガラス材料のイオン伝導性、機械的物性、光学特性、などに大きく影響することが予想されます。これらの特性は、ガラス材料を電池の負極材や固体電解質、窓ガラス、光ファイバーなどとして利用する上で重要なものであり、欠陥の理解は材料特性を向上させる上で役立つことが将来的に期待されます。

（４）課題、今後の展望

今後は、ガラスの種類や作製法によって、どのような密度ゆらぎ、特に欠陥と呼べるような構造が導入されるかを系統的に調べ、それにより、上述した電池用材料、窓ガラス、光ファイバーなどの応用において、それら欠陥構造がイオン伝導特性、強度、光学特性などの物性にどのような影響を及ぼすかを調べる予定です。また、それらを制御することにより、さらに性能の高いガラス材料の開発が進むことが期待されます。

（５）研究者のコメント

• 今回見出したナノスケール柱状構造の配列は、我々独自の実験および解析手法を用いることで目に見える形として初めて抽出されたものであり、これまで広く議論されてきたリング構造としての見方と実験で観測される回折データを結び付けるという点で、ガラス構造の見方に新たな視点を加えるものだと考えています。（平田）
• ビーム径の大きさのため平均化され埋もれていた構造秩序を、極限まで絞り込んだ電子ビームを用いて、初めて観測した成果です。新しい観測は理論を刺激し、その逆もあり、多様な研究者の連携がこの分野の推進に不可欠と考えています。（志賀）

（６）用語解説

※1　オングストロームビーム電子回折法

ガラス構造の局所領域から回折パターン（物質に波を当てたときに得られる干渉パターン）を取得するための透過電子顕微鏡を用いた実験方法。通常、マイクロビームあるいはナノビーム電子回折と呼ばれるが、ガラス構造の観察には特にオングストロームスケール（1nm以下）での観測が本質的に重要となるため、このように呼んでいる。ガラス構造の10nm以上の十分に広い領域から回折パターンを取得した場合は、ハローリングと呼ばれる複数の回折リングが見られるが、領域が1nm以下になると回折スポットを呈するようになり、これが局所構造を反映していると考えられる。

※2　シリカガラス

シリコンと酸素から成りSiO₂の化学組成を持つガラス物質のこと。ガラスとは通常液体状態が冷却されて過冷却状態になり、さらなる冷却により粘性が極度に高まることで得られる固体状の物質を指す。過冷却液体からガラスへの転移をガラス転移といい、体積の温度に対する変化率（熱膨張係数）等が「ガラス転移が起こる温度（ガラス転移点）」を境に変化する。このガラス状態の原子配列に本研究では特に着目しており、それは結晶のような規則性を持たない不規則なものである。

※3　ナノスケール柱状構造

本研究において、シリカガラスの中に見いだされた原子が結合してできた2nm程度の長さを持つ直線状の構造。これは独立して存在するわけではなく、ブリッジ原子と呼ぶ原子によってお互いに接続されている。また、同じ領域に対して他の方向から見た場合に、その入射方向に沿って別の柱状構造が存在する可能性もあり、この特徴は結晶構造の場合と同様である。

※4　擬格子面

結晶学や固体物理学では、原子が規則正しく並んだ結晶構造において、周期性を反映する格子という概念を考え、それを基に原子を置いていくことで結晶が作られるとする。この格子中に作られる周期的に配列される面が格子面であり、結晶構造にX線、電子線、中性子線のような波長の短い波をあてた場合、格子面の間隔がある条件を満たすと波が強めあう性質があるため、この概念が重要となる。一方、ガラスなどの不規則な構造では、このような明瞭な格子面は存在しないが、局所的にある程度の規則性を示す部分があり、これを擬格子面とここでは呼んでいる。擬格子面の存在は、結晶のおける格子面と同様に波が強め合う原因となると考えられている。

※5　FSDP

First Sharp Diffraction Peakの略。シリカガラスのような化学結合によるネットワークから構成されるガラス構造に対し、X線、電子線、中性子線のような波長の短い波をあてることにより現れる回折ピーク（Diffraction Peak）のうち、もっとも小さい回折角で観測されるもの。低角側から数えて最初に出現するピークであり、ガラスのような非晶質物質にしてはシャープであるため、この名前がついている。このピークに対応する距離スケールは4Å前後であり、原子間距離のスケールより２倍程度大きいことが特徴である。つまり、原子の結合よりも大きいスケールの構造を反映したものであると考えられる。

※6　分子動力学法

物質中の原子や分子の時々刻々の動きをシミュレートする方法。原子あるいは分子の間に働く力を仮定し、運動方程式を差分法と呼ばれる数値計算により解く。

※7　逆モンテカルロ法

回折実験から得られた構造因子や2体分布関数にフィットするような原子配列モデルを求める方法。基本的には実験値と計算値の差が少なくなるよう、乱数を用いて原子を変位させる。 

（７）論文情報

雑誌名：NPG Asia Materials
論文名：Direct observation of the atomic density fluctuation originating from the first sharp diffraction peak in SiO₂ glass
執筆者名（所属機関名）：平田 秋彦（早稲田大学）、佐藤 柊哉（東京理科大学）、志賀 元紀（東北大学）、小野寺 陽平（物質・材料研究機構）、木本 浩司（物質・材料研究機構）、小原 真司（物質・材料研究機構）
掲載日（現地時間）：2024年5月10日（金）
掲載URL：https://www.nature.com/articles/s41427-024-00544-w
DOI：https://doi.org/10.1038/s41427-024-00544-w

（８）研究助成

研究費名：科学研究費 挑戦的研究(萌芽) 課題番号：23K17837
研究課題名：ガラス構造における擬格子面と位相幾何的秩序
研究代表者名（所属機関名）：平田 秋彦（早稲田大学）

研究費名：科学研究費 学術変革領域研究(A) 課題番号：20H05884
研究課題名：数理情報科学に基づく超秩序構造の網羅的解析
研究代表者名（所属機関名）：志賀 元紀（東北大学）

研究費名：科学研究費 学術変革領域研究(A) 課題番号：20H05881
研究課題名：先端量子ビーム手法群によるナノ・メゾスケール元素選択構造計測
研究代表者名（所属機関名）：小原 真司（物質・材料研究機構）

【キーワード】

ガラス、オングストロームビーム電子回折、ナノスケール柱状構造、FSDP(First Sharp Diffraction Peak)、擬格子面、密度ゆらぎ

電力系統の混雑緩和を実現するシステムのフィールド実証を開始

2050年カーボンニュートラルに向け、分散型エネルギーリソースの活用による配電用変電所の混雑緩和の実現性を検証

学校法人早稲田大学は、東京電力パワーグリッド株式会社、株式会社三菱総合研究所、関西電力送配電株式会社、京セラ株式会社、国立大学法人東京大学生産技術研究所（東京大学）、中部電力パワーグリッド株式会社、東京電力エナジーパートナー株式会社、東京電力ホールディングス株式会社および三菱重工業株式会社の10者からなるコンソーシアム（以下、「本コンソーシアム」）において、NEDO（国立研究開発法人新エネルギー・産業技術総合開発機構）とともに「電力系統の混雑緩和^※1のための分散型エネルギーリソース制御技術開発 (FLEX DERプロジェクト)」（以下、「本事業」）に取り組んでいます。

本年5月1日より、本事業において、蓄電池などの分散型エネルギーリソース（以下、「DER」)^※2を活用した系統混雑緩和の実現性を確認するフィールド実証を開始したことをお知らせします。

フィールド実証では、実際の電力系統に実証用システムを構築し、配電用変電所の混雑緩和の実現性を確認するための技術的検証を行います。具体的には、再生可能エネルギー（以下、「再エネ」）の導入拡大によって大量に連系された太陽光発電の発電電力により、将来、配電用変電所の変圧器において混雑の発生が懸念される栃木県那須塩原市内の特定エリアにて実証用のDERフレキシビリティシステム^※3の検証を行います。

この検証結果を既存設備に最大限活用し、再エネ導入量を拡大させるためのシステム開発に活かすことで、2050年カーボンニュートラル実現に貢献してまいります。

• 本事業における早稲田大学の担当部門は、スマート社会技術融合研究機構（機構会長　林泰弘、機構長　田辺新一 ）です。

【注釈】

※1：再エネの大量導入時に、再エネにより発電された電力が電力系統へ大量に送り込まれることにより、電力系統の送配電線の電力潮流が増加し送配電可能電力量が減少することを電力系統の混雑という。一方、この混雑を解消する取り組み（負荷の消費電力を大きくし再エネの発電電力を吸収するなど）により送配電可能量が回復することを混雑緩和という。

※2：発電設備や蓄電設備、電気自動車、ヒートポンプなどの需要設備の総称。「Distributed Energy Resources」を略して「DER」とも呼ばれる。

※3：DERフレキシビリティとは発電電力や負荷の消費電力の大きさを柔軟に変化させることが可能な能力。本事業で、DERフレキシビリティシステムは、下図に示す三つのシステム／プラットフォームにより構成されるものと定義して開発を進めている。図中の「DSO」は「Distribution System Operator」の略で、一般送配電事業者である配電系統運用者を指す。

「電力系統の混雑緩和のための分散型エネルギーリソース制御技術開発 (FLEX DERプロジェクト)」の概要

1．背景

「第6次エネルギー基本計画」で示された「再生可能エネルギーの主力電源化」に向け、系統の増強と並行しながら既存系統を最大限に活用するために必要な技術開発が求められており、その一つとして分散型エネルギーリソース（以下、「DER」)の出力を制御し、電力系統の混雑緩和を行う技術があります。

本事業^※1では、再生可能エネルギー（以下、「再エネ」）の発電電力に起因して混雑が生じる配電用変電所の変圧器を対象に、その供給エリアにおいて、アグリゲーター^※2などと一般送配電事業者をつなぎ、DERの電力需要パターン制御（需要シフトなど）をすることで混雑緩和を実現するDERフレキシビリティシステムの構築に向けた技術開発を行っています。

2．フィールド実証の概要

（１）　概要

本事業では、DERフレキシビリティを活用した系統混雑緩和の実現性をフィールド実証により確認するため、検討事項を「一般送配電事業者における課題検討」（WG1）、「DERフレキシビリティ活用プラットフォームにおける課題検討」（WG2）、「アグリゲーターにおける課題検討」（WG3）、「フィールド実証」（WG4）の四つの項目に分類しております。

今回の栃木県那須塩原市におけるフィールド実証に向けては、一般送配電事業者がDERフレキシビリティを調達する際の募集要件やデータ連係手順案などを反映した業務フロー案を基に、各項目（WG）間で連携しながら検証項目の抽出やユースケースの設定、シナリオ案の作成について取り組むとともに、DERの導入（系統用蓄電池システムの設置など）や各種測定器の設置などフィールド実証の環境構築を並行して進めてきました。

このたび、フィールド実証の準備が整ったため、本年5月1日より、フィールド実証を開始しました。大量に連系された太陽光発電の発電電力により、配電用変電所の変圧器で混雑が発生することを想定し、複数のユースケースに沿って、実証用のDERフレキシビリティシステムの検証を行います。

（２）　実証期間

2024年度中に複数時期にて実証を行う予定であり、第１回目は2024年5月14日までの予定で5月1日に開始しています。

（３）　実証場所

太陽光発電を主とする再エネの導入拡大により、将来、混雑の発生が懸念される栃木県那須塩原市にある配電用変電所を抽出し、選定されたエリアにてフィールド実証を行います。

3．今後の予定

NEDOと本コンソーシアム^※3は、本フィールド実証での検証結果を基に、DERフレキシビリティシステムの要求仕様をまとめ、標準的な業務フローや通信仕様を確立します。

これによりDERを最大限活用できる仕組みを実現し、国内における再エネのさらなる普及拡大に貢献します。

【注釈】

※1　事業名： 電力系統の混雑緩和のための分散型エネルギーリソース制御技術開発（FLEX DERプロジェクト）

事業期間： 2022年度～2024年度
事業概要： ［https://www.nedo.go.jp/activities/ZZJP_100237.html］

※2　DERなどを統合制御し、エネルギーサービスを提供する事業者。

※3　東京電力パワーグリッド株式会社、学校法人早稲田大学、株式会社三菱総合研究所、関西電力送配電株式会社、京セラ　　株式会社、国立大学法人東京大学、中部電力パワーグリッド株式会社、東京電力エナジーパートナー株式会社、東京電力ホールディングス株式会社、三菱重工業株式会社の10者を指します。図2の四つの項目（WG）に分類し、各WG間で連携して検討を実施しています。

参考

系統用蓄電池システムの概要

フィールド実証用に設置した系統用蓄電池システムを東京電力パワーグリッド：箒根蓄電所として運用開始しております。

＜設備情報＞

設置場所：栃木県那須塩原市関谷地区
設備面積：528㎡
設備容量：リチウムイオン電池
・出力：1,999kW
・公称電力容量：6,310kWh

「透明度」「電気伝導度」「柔軟性」に優れる多点マイクロ電極搭載コンタクトレンズを開発

網膜の局所的応答測定に成功し緑内障や網膜色素変性症に伴う盲点評価へ期待 今後事業化に向けた臨床試験へ

発表のポイント

• 市販のコンタクトレンズに搭載可能な、小さく透明で柔らかい複合マイクロメッシュ電極を実現
• 本研究グループがこれまでに開発した導電性高分子を用いた電極技術により実際に市販のコンタクトレンズへの貼付、および局所的に絶縁することに成功
• これにより、網膜の局所的な応答を計測する複数点同時網膜電位計測が可能
• 本成果は、緑内障や網膜色素変性症に伴う盲点評価につながります

早稲田大学大学院情報生産システム研究科の三宅丈雄（みやけたけお）教授、・アザハリ・サマン助教の研究グループと山口大学大学院医学系研究科眼科学講座の木村和博（きむらかずひろ）教授・芦森温茂（あしもりあつしげ）助教らの研究グループは、市販のコンタクトレンズに搭載可能な、小さく透明で柔らかい多点マイクロ電極を開発し、これまで技術的な課題のあった網膜の局所的な応答を測定することが可能となることを確かめました。これは、半導体微細加工技術によって、実用にも耐えうる82%以上の光透過性を持ち、かつ、微小な電位を計測可能な複合マイクロメッシュ電極(導電性高分子と金の複合化)です。さらに、市販のコンタクトレンズに本マイクロ電極を貼り付け、網膜電図（ERG）計測に用いる以外のリード線を絶縁化することにも成功しました。開発した電極は、角膜上皮細胞を用いて95％以上の生存率を実現できること、また、家兎試験によって市販のERG電極と同等の性能を有することを確認しました。さらに、アレイ化された７マイクロ電極でERGを多点計測できることを確かめました。これら成果は、緑内障や網膜色素変性症に伴う盲点評価などにつながります。

以上は、国立研究開発法人日本医療研究開発機構（AMED）、キヤノン財団の助成による成果であり、2024年5月7日にWileyの科学誌「Advanced Materials Technologies」にオンライン版で公開されました。

図1. 透明で柔らかいマイクロ電極による多電極網膜電位計測システム

（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）

網膜電図（ERG，Electroretinogram）^※1は、光刺激に応答する網膜（視神経細胞が刺激される）から発生する電位を角膜上のセンサ電極で測定します。一般的には、網膜変性疾患の検査で利用されることが多く、基礎研究から臨床的な応用まで幅広く利用されています。

ERG測定には、電気化学計測（ポテンショスタットなど）と同様、検出電極（間電極）、参照電極（不間電極）、接地電極からなる3電極システムが必要です。検出電極は角膜または結膜に、参照電極は測定器のグランドに相当し、接地電極は耳たぶなどに接触させます(図２参照)。歴史的には、角膜上で計測するタイプと結膜周辺（リングやフックタイプのワイヤー電極）で検出する２種類のタイプが存在しますが、現在では角膜上で測るタイプが主流となっており、実用性や安全性の観点でレンズ形状に加工された硬質なプラスチック上に金属が配線された製品が市販されています。これら一般的な１電極によるERG計測は、学術的には全視野網膜電図（FF-ERG, full field electroretinogram）と言い、網膜の局所的な応答を取得することができないなどの課題を有していました。局所的な応答（=空間的な差異を調べる）を測定する方法として、多局所網膜電図（MF-ERG, multifocal electroretinogram）や多電極網膜電図（ME-ERG, multi-electrode electroretinogram）があります。MF-ERGは、光を網膜の特定の位置に照射し、その際のERGを単一電極で計測する手法となるため、高解像度でスキャン可能な光刺激装置が必要となります。一方、ME-ERGは、FF-ERGと同等の光照射システムが利用できますが、電極を多点配置して測定することが必要となるため、電極およびレンズ全体の透明性および加工技術などの高度化に課題を有していました。

図2．本研究で実現された主な成果

（２）今回の研究で実現したこと

このような背景の中、本研究グループは、半導体微細加工技術と電気メッキ技術を組み合わせることで透明度、電気伝導度、柔軟性に優れるメッシュ電極を作製し、ERG計測可能な多電極化、市販のコンタクトレンズ上への接合および局所的絶縁化に成功しました（図2）。また、安全性に関しては、角膜上皮細胞による細胞生死判定および家兎を用いた多電極ERG計測および評価にも成功しました。

（３）そのために新しく開発した手法とその性能

透明で柔らかい金属電極を作製するために、形状（Serpentine, square, zigzag, hexagon：図2左参照）、幅（5, 7, 9μm）およびユニット幅（200, 500, 1000 μm）を変えたマイクロメッシュ電極を作製し、透過性および10%歪を加えた際の抵抗値変化を評価しました（図3）。ここで用いた金属は、電気メッキで作製された金となります。透明性に関しては、すべてのマイクロメッシュ電極において、80％以上の透過性を示しましたが、10％歪においては、Serpentineとhexagonのみ歪に耐えうることを確認しました。ソフトコンタクトレンズを用いた場合、眼圧などの変化によってレンズに～3％程度の歪が生じるため、検出電極の伸縮性が求められます。また、開発したメッシュ電極は市販のコンタクトレンズ上に貼り付け、レンズ表面に作製し、角膜とコンタクトする必要があるため、本研究グループがこれまでに用いてきた導電性高分子を用いた電極技術を用いました（Advanced Materials Technologies, 4, 1800671, 2019.）。従って、金マイクロメッシュ上にＰＥＤＯＴ導電性高分子が被覆された構造となります。複合化されたマイクロメッシュ電極においても、80％以上の透過性を有することは確認済みです。

図3. 複合マイクロメッシュ電極性能評価
（ここでは、電極は１本のみ。上図：電圧印加後のメッシュ電極および配線電極のインピーダンス結果、中図：電圧印加による絶縁化概要図、下図：各電極部位における出力電圧測定）

次に、このマイクロメッシュ電極から計測に繋げるリード電極の絶縁をどうするかという課題が、最終的なターゲットである多点電極によるＥＲＧ計測で必須となることがわかりました。そこで、本研究グループは、メッシュ電極の導電性高分子のみの導電性を維持する方法として（すなわち、リード線に被覆された導電性高分子を絶縁化する方法）、電極全体の両端に直流電流を印加することで、リード線に流れる電流（図３におけるI1）と金マイクロメッシュ上に新たに流れる電流値（図３におけるI2）を電極構造で制御できることに気づき、COMSOL^※2を用いた計算機シミュレーションと実験的に確かめました。シミュレーションの結果より電流密度として約70倍以上の電流値の差があることを確かめ、実験的にリード線上の導電性高分子のみが過酸化されること、また、フーリエ変換赤外線分光法による分子振動解析で導電性高分子の構造変化を確かめました。さらに、通電試験を実施したところ、マイクロメッシュ電極を介してのみ電圧が計測されることを確かめました。

開発した複合化マイクロメッシュ電極の生物学的安全性と動物試験によるＥＲＧ計測電極としての性能を評価しました（図4）。ヒト由来の角膜上皮細胞(HCEC)を用いて、各マイクロメッシュ電極（Au, Au/PEDOT, Zn）上での細胞生存率を求め、その結果AuとAu/PEDOT電極上では90％以上の高い生存率を保つのに対し、Zn電極上では金属イオンのリークにより生存率が50％以下まで低下することが明らかになりました。従って、電気メッキで作製したAu/PEDOT複合電極は、十分な安全性を有していると言えます。さらに、本複合マイクロメッシュ電極をアレイ化(７電極)した多電極レンズを試作し、家兎の眼に装着させて各電極からＥＲＧが計測できることを確認しました。本研究で開発したメッシュ電極から取得した網膜電位信号は、市販のＥＲＧ電極と同等の性能を有していることを確認しています。

図4. 安全性および多点電極ERG計測評価
（上図：各電極における細胞生存率評価と蛍光顕微鏡評価、下図：家兎を用いたME-ERG計測結果）

（４）今後の展望

今後は、事業化に向け、本計測レンズを用いて臨床試験に取り組みます。また、本プロジェクトにご興味のある企業からのお問い合わせをお待ちします。

（５）用語解説

※1　網膜電図
可視光を照射した際に，網膜から発生する電位の変化を記録します。これによって、網膜が正常に働いているかどうかを診断することができます。

※2　COMSOL
有限要素法を基盤とするシミュレーションソフトウェア。基本的工学分野から様々な応用分野における計算機シミュレーションを実現することができます。

（６）論文情報

雑誌名：Advanced Materials Technologies
論文名：Multi-electrode Electroretinography with Transparent Microelectrodes Printed on a Soft and Wet Contact Lens
執筆者名：Lunjie Hu, Saman Azhari, Qianyu Li, Hanzhe Zhang, Atsushige Ashimori, Kazuhiro Kimura, and Takeo Miyake
掲載日（現地時間）：2024年5月7日
URL：https://doi.org/10.1002/admt.202400075
DOI：10.1002/admt.202400075

（７）研究助成

日本医療研究開発機構医療機器等研究成果展開事業（開発実践タイプ），JP23hma322020
キヤノン財団研究助成

2024年度 基幹・創造・先進理工学部一般入試（2月16、17日実施）の「数学」「物理」「化学」「生物」「空間表現」の記述解答問題について、出題の意図を公表いたします。

●2024年度理工一般　出題意図（数学）
●2024年度理工一般　出題意図（物理）
●2024年度理工一般　出題意図（化学）
●2024年度理工一般　出題意図（生物）
●2024年度理工一般　出題意図（空間表現）

※一般入試問題およびマーク解答問題の解答については、こちらを参照ください。

早稲田大学先進理工学部応用化学科_公募要領

このたび、早稲田大学の研究者4名が、科学技術分野で顕著な功績があったとして、「令和6年度 科学技術分野の文部科学大臣表彰」を受賞しました。
日本の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開発を行った研究者を表彰する「研究部門」に、理工学術院の片岡淳教授、熊谷隆教授、嶋本薫教授および文学学術院の竹村和久教授が選ばれました。なお、当該部門の応募件数は226件で、受賞件数は51件（59名）でした。

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：元素の色を可視化する革新的薬物動態イメージング研究
理工学術院　片岡 淳　教授

受賞コメント
この度は、文部科学大臣表彰・科学技術賞（研究部門）を戴きまして誠に光栄に存じます。学生時代より宇宙のロマンに惹かれ、目に見えない光であるＸ線やガンマ線を駆使した巨大ブラックホールの研究や、衛星搭載カメラの開発に従事してきました。2012年には宇宙分野で科学技術賞（若手科学賞）を戴きましたが、今回のテーマは、より身近な医療への新たな展開となります。たとえば宇宙の元素合成を応用すれば、これまで可視化が難しかった様々な薬剤、たとえば抗がん剤の体内動態を可視化することができます。さらに、「宇宙を観る眼で人体を診る」新しい手法を開発しました。理工医薬を横断する壮大なテーマで毎日が勉強の日々ですが、良い共同研究者と学生さんに恵まれ、楽しく研究を進めています。これまでご支援を賜わりました多くの皆様に心より感謝申し上げると同時に、今後も変わらぬご指導、ご鞭撻の程、何卒よろしくお願い申し上げます。

受賞業績：複雑な系の上の異常拡散現象の研究
理工学術院　熊谷 隆　教授

受賞コメント
この度、科学技術賞（研究部門）をいただき、大変光栄に存じます。共同研究者の皆様はじめ多くの方々のお力添えの賜物であり、心から感謝しております。また、２年前に本学に赴任しまして以降、早稲田大学には快適な教育・研究環境を提供していただき、同僚の皆様にはいつも温かく接していただいております。この場を借りて深く御礼申し上げます。
私の研究テーマは、複雑な形状を持つ図形上の拡散現象の解析です。形状が複雑なため、通常の拡散とは異なる異常拡散現象が生じますが、確率論や解析学を用いて異常拡散の程度を定量的に評価し、図形のどのような性質が異常拡散を引き起こすのかを研究しております。このテーマは様々な応用分野に関連しており、諸分野の研究者の皆様との交流を通じてさらなる研究の発展に繋げたいと考えております。皆様のご研究で関連がありそうな問題がございましたら、是非お声がけください。どうぞよろしくお願いいたします。

受賞業績：航空宇宙通信の多角的な研究
理工学術院　嶋本 薫　教授

受賞コメント
この度は、文部科学大臣表彰・科学技術賞（研究部門）を受賞させて頂きまして、誠に光栄に存じます。中学生時代BCL（海外短波放送受信）が一大ブームを起こしており、私も短波ラジオを片手に海外の珍放送局の探索などを行っていました。日々刻刻と変化する電波伝搬状況に一喜一憂するうちに１０W程度の出力で地球を１周以上も伝搬することに興味を覚え独学で無線通の勉強し始めましたが、当時使っていた関連書籍の著者が皆同じ大学の出身者だったので中学の時点で志望校を決定していました。修士時代から世界初の衛星データ通信ネットワーク構築の研究に従事し、その後大学で教員になってからは低軌道衛星、成層圏飛翔体、航空機間通信など先駆けて研究発表を行い、今では宇宙エレベータ通信まで手掛けています。また同時に６Gに向けた地上系モバイル通信や光と無線を組み合わせたバイタルセンシングなど幅広い分野も手掛けていますが、一方で原点である短波帯の電波伝搬の研究も継続しています。今でも短波帯の信号を受信するたびに当時を思い出し初心に帰る気がします。

受賞業績：行動意思決定論の再構築とそれに基づく社会実践研究
文学学術院　竹村 和久　教授

受賞コメント
この度は、文部科学大臣表彰・科学技術賞（研究部門）をいただき、光栄に存じます。今回の受賞は、共同研究者の皆様、早稲田大学の教職員・学生をはじめとして多くの方々のご支援の賜物であり、謹んでお礼申し上げます。
行動意思決定論は、心理学、経営学、行動経済学、感性工学、行動計量学、神経科学、精神医学などのさまざまな分野と密接な関係を持っています。簡単に言うと、「人々がどのような意思決定をしているか」、「どのようにしたらより良い意思決定ができるか」、「どうしたら最悪の意思決定を回避できるか」ということを課題としています。これからも研究に微力を尽くしたいと存じますので、ご指導、ご鞭撻のほどよろしくお願い申し上げます。
尚、これまで学部や大学院で、心理学、経済学、情報工学、経営工学、統計学、精神医学などを勉強させていただきましたが、その中でご指導いただいた諸先生、ご助言をいただいた諸先輩、友人の皆様に、改めて感謝申し上げます。

硫黄と水素結合を組み合わせ、発光デバイスの効率向上につながる新材料を実現

屈折率1.8超、分解可能な透明プラスチックを開発

発表のポイント

「分極性水素結合」という新たな構造に着目し、8以上の超高屈折率と可視光透明性を同時に満たすプラスチックを開発した。

今回開発したプラスチックは、優れた光学特性と柔軟性、リサイクル性を併せ持ち、従来よりも低負荷で発光電気化学セル (LEC) を作動させることにも成功した。

有機ELディスプレイの輝度や光学素子の画素向上が期待できるほか、光学プラスチックに環境適合性を付与する第1歩に繋がる。

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、および渡辺清瑚（わたなべせいご）次席研究員、ミュンヘン工科大学 StraubingキャンパスのRubén D. Costa 教授、およびLuca M. Cavinato 博士課程学生らの研究グループ（以下、本研究グループ）は、硫黄を含む水素結合を組み込んだ独自の高分子を設計し、従来達成が難しいとされていた1.8以上の超高屈折率と透明性を両立し、使用後には分解できる新しいプラスチックを開発しました。

従来の超高屈折率高分子は多くが着色を呈するため、有機発光ダイオード (OLED) などの可視光用途への応用が難しい課題がありました。今回開発した材料はポリマー鎖同士が「分極性水素結合」により密に絡み合うことで、着色なく屈折率を向上できるほか、柔軟性と分解性も併せ持つため、従来よりも低負荷で作動する、リサイクル可能な発光素子の実現に繋がります。本研究の概念は、有機ELディスプレイの輝度向上や、より高画素なマイクロレンズを実現できる透明材料の開発に繋がるほか、環境適合性の高い光学プラスチックの設計指針を提示する重要な知見を与えるものと考えられます。

本研究成果は、2024年4月12日 (金曜日) 8時（現地時間）にWiley-VCH刊行の『Advanced Functional Materials』誌にオンライン掲載されました（論文名：Polarizable H-bond Concept in Aromatic Poly(thiourea)s: Unprecedented High Refractive Index, Transmittance and Degradability at Force to Enhance Lighting Efficiency）。

（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）

高屈折率ポリマー (以下、HRIP) ^*1 は発光デバイス (有機発光ダイオード (OLED) など) の輝度や効率の向上に欠かせない材料で、デバイスのコーティング剤として使うことでより多くの光を取り出せるようになります。近年、HRIPの屈折率を向上させる研究の進歩は顕著で、例えば硫黄の含有率を高める手法が基本的な方法論として確立されています。一方で、HRIPの開発において屈折率と可視光透明性はトレードオフの関係にあるため、1.8以上の超高屈折率と、発光素子に適用できる十分な透明性を併せ持つHRIPの実現は困難でした。

（２）今回の新たに実現しようとしたこと、明らかになったこと、新しく開発した手法

（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、HRIPがフィルムなどの固体状態で生じる高分子鎖の隙間 (空気など) が屈折率低下の要因であると捉え、分子間の相互作用力の一つである水素結合^*2を組み込むことで隙間を減らし、屈折率が向上すると着想しました。その結果、透明性を保てる範囲で硫黄含量をできるだけ大きくしつつ、この隙間の割合を減らした分子設計を施すことで、HRIPの屈折率と透明性を同時に向上させることに成功しました。

（そのために新しく開発した手法）

研究グループは以前、硫黄を含むポリマーの1つであるポリ(フェニレンスルフィド) ^*3の側鎖に、水素結合性のヒドロキシ基 ^*4を導入することで、屈折率が劇的に向上することを見出しました (Macromolecules 2022: https://doi.org/10.1021/acs.macromol.1c02412など)。今回の研究は、本概念を拡張し、HRIPの構造としてポリ(チオウレア^*5)に初めて着目したものです (図２)。

チオウレアに含まれる硫黄原子は分極^*6しやすいため、密で無秩序な「分極性水素結合」を形成できる特殊な性質を示し、可視光域 (400-800 nm) で超高屈折率 (1.8) と十分な透過率 (92%以上) を両立しました。溶液プロセス^*7により均一で透明な薄膜も作製でき、ポリ(チオウレア)をコーティングした発光電気化学セル (LEC)^*8の外部量子効率^*9は最高12% (相対比) 向上しました。またポリ(チオウレア)に対し、原料のジアミン化合物を添加して50℃で加熱するのみで、急速に分子量^*10が低減し原料に近いレベルまで分解できることを明らかにしました。この性質は材料の循環性や再利用性の向上に寄与し、寿命を高めることにも繋がります。

（３）研究の波及効果や社会的影響

本研究で開発したポリ(チオウレア)は、従来の光学材料が抱えていたトレードオフを解消できるとともに、穏和な条件での分解性を付与した初めての例であり、従来よりも低負荷で作動しリサイクル可能な有機ELの実現が期待できます。種々の基板に対して簡便に製膜できる点も魅力的で、「一塗りするだけで」発光効率を上げることができる画期的な材料です。

（４）課題、今後の展望

本研究でポリ(チオウレア)が超高屈折率と透明性を両立することは実証されたものの、その限界値は未解明である上、さらに厳密かつ迅速に分解可能な構造を探索する必要があります。今後、ポリ(チオウレア)の化学構造や硫黄含量などを精密に制御することで、「使用時はさらに優れた屈折率と安定性を両立し、使用後のリサイクル効率の高いHRIP」の実現に繋げたいと考えています。

（５）研究者のコメント

HRIPの屈折率を高める研究は顕著に発展していますが、実際のデバイスで要求される透明性、製膜性、耐久性を網羅的に両立できる設計や、環境問題を志向した機能付与に関する研究はまだ十分行われているとはいえません。本研究では、これらの課題を一挙に解決しうる第一歩を実証できたことから、今後更なる化学構造の拡張と材料開拓によって、従来ない画期的機能を示す透明材料が生まれることが強く期待できます。

本論文は早稲田大学とミュンヘン工科大学との共同研究によるものです。ミュンヘン工科大学側の共著者の一人であるRubén Costa教授は、早稲田大学スーパーグローバル大学 (SGU) 創成支援事業によるエネルギー・ナノマテリアル拠点のジョイントアポイントメント教員として早稲田大学に滞在したことがあり、本成果はSGUプログラムによる研究の国際化の成果の一つと位置付けられます。第一著者である渡辺清瑚氏はこの3月に早稲田大学で博士学位を取得し、4月から早稲田大学の講師として研究を継続しています。現在は更なる展開を期待してCosta教授の研究室との共同研究を展開中です。

（６）用語解説

※1　高屈折率ポリマー (HRIP)

定義により異なるが、一般的に7以上の屈折率を示す透明な高分子 (ポリマー) の一群。高屈折率であればあるほど、光を大きな角度で曲げることができる。

※2　水素結合

電気陰性度の低い水素原子と、電気陰性度の高いヘテロ原子 (酸素・窒素・硫黄など) が有する孤立電子対の間で働く静電的な相互作用。

※3　ポリ(フェニレンスルフィド)

ベンゼン環と硫黄の繰り返し構造を有する、スーパーエンジニアリングプラスチック (スーパーエンプラ) の一つ。耐熱性や耐薬品性に優れるなどの特徴を有する。

※4　ヒドロキシ基

酸素原子と水素原子が共有結合でつながった構造を有する官能基。水素結合を形成する代表的な化学構造である。

※5　チオウレア

窒素原子、硫黄原子を多量に含む、水素結合性を示す化学構造の一種。従来は有機合成反応の触媒や、エネルギー貯蔵高分子の部分構造として用いられてきた。

※6　分極

光 (主に紫外〜可視光) が照射された際に電子の偏りが生じる性質。ベンゼン環、硫黄などが分極性の高い官能基の例として挙げられる。

※7　溶液プロセス

ポリマーを溶媒に溶かし、製膜する手法のこと。例えば、溶液を基板に滴下して風乾するドロップキャスト法や、遠心力を利用して製膜するスピンコート法が挙げられる。発光素子の作製工程に用いられる場合が多い。

※8　発光電気化学セル (LEC)

発光素子の一種で、発光する化合物と電解質を混合した発光層を有する点が特徴。一般的な発光素子として知られる有機発光ダイオード (OLED) と比較し、単純な素子構成、要求される印加電圧が低い、より簡便に作成できるなどの利点を有する。

※9　外部量子効率

発光素子に注入されたキャリア (電荷) のうち、光子 (フォトン) として取り出された数の割合。高いほど損失なく光が取り出されていることを意味する。

※10　分子量

化合物の質量。ポリマーの場合、鎖の長さに対応する。分解反応が進行する場合、時間の経過とともに分子量は低く遷移する。

（７）論文情報

雑誌名：Advanced Functional Materials
論文名：Polarizable H-bond Concept in Aromatic Poly(thiourea)s: Unprecedented High Refractive Index, Transmittance and Degradability at Force to Enhance Lighting Efficiency
執筆者名（所属機関名）：Seigo Watanabe¹, Luca M. Cavinato², Vladimir Calvi³, Richard van Rijn³, Rubén D. Costa², Kenichi Oyaizu^1
　1早稲田大学、²ミュンヘン工科大学、³ Applied Nanolayers
掲載日時（現地時間）：2024年4月12日（金）8時
掲載日時（日本時間）：2024年4月12日（金）15時
掲載URL：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202404433
DOI：10.1002/adfm.202404433

（８）研究助成

研究費名：有機エネルギーマテリアル化学の確立と展開
研究課題名：文部科学省　科研費　基盤研究(A) (21H04695)
研究代表者名（所属機関名）：小柳津研一（早稲田大学）

研究費名：ソフト分極構造の多重集積による光・電場機能高分子の革新
研究課題名：文部科学省　科研費　挑戦的研究 (開拓) (22K18335)
研究代表者名（所属機関名）：小柳津研一（早稲田大学）

研究費名：分子間相互作用の制御に基づく含硫黄超高屈折率ポリマーの創出
研究課題名：文部科学省　科研費　特別研究員奨励費 (22KJ2927)
研究代表者名（所属機関名）：渡辺清瑚（早稲田大学）

上記のほかに、早稲田大学理工総研アーリーバード、みずほ学術振興財団 工学研究助成、EU DET-OPEN (MSCA-ITN STiBNite No. 956923) の支援により実施されました。

【キーワード】

透明プラスチック、発光デバイス、屈折率、硫黄、水素結合、分解性

教員人事公募要領

文部科学省卓越大学院プログラム『パワー・エネルギー・プロフェッショナル(PEP)育成プログラム』は、
電力・エネルギー新産業創出に寄与する人材を輩出することを目的とした修士・博士後期5年一貫の博士人材育成プログラムです。
＜ご参考＞
PEP卓越大学院プログラムHP　https://dpt-pep.w.waseda.jp/
パンフレット　https://dpt-pep.w.waseda.jp/pamphlet/
募集要項出願書類　https://www.waseda.jp/fsci/admissions_gs/guidelines/pep/

この度、本プログラムの2024年9月(7期生)・2025年(8期生)進入/編入募集説明会を以下のように開催致します。
当日は、プログラム説明後に現役PEP生も参加して、皆さんの質問にお答え致します。
奮ってお申込みください。
＜概要＞
対象：現在、電力系・エネルギーマテリアル系を専攻分野としている（あるいは現在それらの分野に関心がある）以下の学生、社会人
・学部3年生、4年生
・修士課程／一貫制博士課程1年生、2年生
・2024年9月・2025年4月に以下の参画専攻博士後期課程入学予定者
［参画専攻］
・基幹理工学研究科（機械科学・航空宇宙専攻、電子物理システム専攻）
・創造理工学研究科（地球・環境資源理工学専攻）
・先進理工学研究科（応用化学専攻、電気・情報生命専攻、ナノ理工学専攻、先進理工学専攻）
・環境・エネルギー研究科（環境・エネルギー専攻）

日時：2024年5月23日（木）12:30～13:10（途中入退室可）
形式：Zoomオンラインミーティング（申請フォームから参加登録いただいた方にURL詳細等、5/22(水)を目途にメールでお送り致します。）
内容：・PEP卓越大学院プログラム概要説明（研究指導・支援体制、カリキュラム、進路、経済的支援等)
・2024年9月(7期生)・2025年4月(8期生)進入/編入募集日程
・質疑応答（プログラムコーディネーター林 泰弘教授、PEP事務局が質問にお答え致します。）
・現役PEP生の体験談と質疑応答

＜申請フォーム＞
PEPプログラムに少しでも関心のある方はお気軽に、以下URLよりお申込みください。
https://x.gd/dH9Dl

申込締切：5月23日（木）10:00まで

＜お問合せ＞
PEP卓越大学院プログラム事務局（51号館1F理工統合事務所内）
TEL：03-5286-3238　Email：[email protected]

 

社会文化領域コースの進入説明会を、2024年5月30日 (木) にオンラインで開催します。今回の対象は、総合機械工学科、応用化学科を除く全学科の学生です。
関心のある学生は、以下のポスターおよび社会文化領域ウェブサイト上の情報をよく確認し、必要な手続きをとってください。

• orientation-2024-02

「革新的情報通信技術(Beyond 5G(6G))」のNICT事業に採択

〜ホログラフィックコンタクトレンズディスプレイを実現する革新的基盤技術の開発〜

学校法人早稲田大学(研究分担者 三宅 丈雄 教授)、国立大学法人東京農工大学(代表研究者 大学院工学研究院 高木 康博 教授)、国立大学法人徳島大学(研究分担者 山本 健詞 教授、水科 晴樹 客員准教授)、シチズンファインデバイス株式会社(注1、以下 シチズンファインデバイス)、株式会社シード(注２、以下 シード)は、革新的情報通信技術(Beyond 5G(6G))基金事業 要素技術・シーズ創出型プログラムに関する国立研究開発法人情報通信研究機構(NICT(エヌアイシーティー))の公募事業に採択されました。今後、「ホログラフィックコンタクトレンズディスプレイを実現する革新的基盤技術の開発」をテーマとして研究開発に取り組んでいきます。

サイバー空間を現実空間と一体化させるSociety5.0のバックボーンとなるBeyond5G (6G)の能力を最大限に活用し、人々の豊かな生活を実現するためには、生活の中に溶け込むAR技術の実現が必要になります。本研究開発では、次世代のAR（Augmented Reality：拡張現実）技術実現のために、目に直接装着できるコンタクトレンズディスプレイの実現を目標とします。

これまで、コンタクトレンズディスプレイには「コンタクトレンズ内の表示デバイスに目がピント合わせできない」という根本的な問題がありました。本研究開発では、その解決に「ホログラフィー技術を用いて自然な目のピント合わせを可能にする」という独自の原理を用います。また、将来の幅広い普及を可能にするために、ソフトコンタクトレンズと同程度の薄さ、高い酸素透過率と含水性の両立を目指します。そのためには、従来とはレベルが異なる革新的な小型化・薄型化・ウェットデバイス技術の開発が必要となります。本研究開発は、ホログラフィックコンタクトレンズディスプレイを実現するために最も基盤となるコア技術の研究開発に取り組みます。

ホログラフィックコンタクトレンズディスプレイが実現すれば、サイバー空間と目が直接接続されることになり、必要な情報をいつでもどこでも即座に入手可能になるため、Beyond5Gが提供する「拡張性」が最大限活用されるようになります。

図1　Beyond5GのARディスプレイ

図2　コンタクトレンズディスプレイで実現される社会

図3 本研究開発で開発するホログラフィックコンタクトレンズディスプレイのコア技術

東京農工大学、徳島大学、早稲田大学、シチズンファインデバイス、シードは、2024年度から2026年度までの間に本研究開発に共同で取り組みます。本研究開発で開発するコア技術と各機関の担当を以下に示します。

1. 像形成技術：超薄型ホログラム光学系(東京農工大学)、ホログラム計算(徳島大学)
2. 空間光変調器：超小型・超薄型空間光変調器(シチズンファインデバイス)
3. 電子デバイス技術：薄型アンテナ、共振結合回路、小型回転角センサ(早稲田大学)
4. コンタクトレンズ内蔵技術：構造開発、防水技術、溶出検査、組み立て技術(シード)
5. 視機能への影響評価：焦点合わせ、外界との融合、眼球運動との整合性(徳島大学)