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講義No.07674

原子を並べ替えて物質をデザインする「物質設計」とは?

ナノの世界を支配する不思議なルール

 物質を構成する原子や分子は、ナノメートル(10億分の1メートル)というとても小さなスケールの世界に存在しています。ナノの世界は、ニュートン力学ではなく、量子力学において波動関数のふるまいを与える基礎方程式「シュレディンガー方程式」によって成立しています。ですから、壁に向かって放たれた粒子がすり抜けてしまうなど、私たちの感覚では考えられないような不思議な現象が起こっています。こうしたナノの世界を支配するルール「指導原理(法則)」を明らかにする研究が、世界各国で行われています。

原子の並び方を知ると物質の性質がわかる

 硬い、柔らかい、光を反射する、電気を通すなど、物質が持つさまざまな特性はすべて、その物質の電子の状態によって決まります。電子の状態は原子の並び方と表裏一体の関係にあるため、原子の並び方を知ることは、その物質の性質を知ることにつながります。
 これを逆の方向から考えてみると、「こういう性質を持つ物質がほしい」という時に、その性質をもたらすような原子の並び方をコンピュータで計算して見つけ出す、つまり物質をデザインすることも可能になります。こうしたナノテクノロジーの分野の研究を「物質設計」と呼びます。

ルールを知ることが成果への近道

 例えば、燃料電池は、水素と酸素を反応させて電気を作り出す際に触媒が必要になりますが、触媒として用いられるプラチナは非常に高価で、コスト面での大きな課題となっていました。しかし最近、物質設計に基づく研究開発によってプラチナに代わる安価な触媒となる物質を作り出そうとするプロジェクトが、産学連携で進められています。
 物質設計では、ただやみくもに原子を並べ替えてもうまくいきません。指導原理(法則)に従って並べ方を試していくことが、意味のある発見につながります。まずナノの世界のルールについて探究すること(法則を見つけること:サイエンス)が、工学(新しい付加価値を創り出すこと:エンジニアリング)の段階での成果をもたらすのです。

参考資料
1:コンピュータシミュレーションで探るナノワールド

再生スピードを変更できます。

物質の機能を原子レベルでデザインする

夢ナビライブ2016 東京会場

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数式は言葉である

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物性の違いは何から生まれる?

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原子の並べ方

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講義を視聴する(30分)

この学問が向いているかも 計算物性工学

電気通信大学
情報理工学域Ⅲ類(理工系) 電子工学プログラム 教授
中村 淳 先生

メッセージ

 進路について考える時は、どちらが得をするかという損得勘定では決めないでください。
 私は自分の研究が世界で一番面白いと思って取り組んでいますが、ほかの先生たちも、それぞれ自分の研究が一番面白いと思っています。ですから、あなたがどんな進路選択をしても、必ず楽しい研究ができると思います。
 大切なのは、もし迷ったら、ほんの少しでいいので、一歩足を踏み出して、前に進んでみることです。このメッセージに目を通しているあなたは、もうその一歩を踏み出しているはずです。私の研究室で、一緒に楽しく研究していきましょう。

先生の学問へのきっかけ

 子どもの頃は天文学者になりたいと思っていました。高校に入学した時、天文部に入ろうと部室を訪ねたら誰もいなかったので、なぜか隣の音楽室で活動をしていた合唱部に入ってしまいました。合唱にハマり、進学先の大学は入りたい合唱部があるところを選びました。
 その後、大学で出会った教授が取り組んでいた結晶学の研究に感銘を受け、その教授の研究室に入りました。同年の1990年にIBMが金属原子を並べて文字を書くことに成功したというニュースを知り、原子サイズのナノテクノロジーの世界の研究に携わるようになったのです。

先輩たちはどんな仕事に携わっているの?

電気・化学・材料・自動車企業での研究開発/大学・高専の教員/ソフトウェア開発/人材育成コンサルタント

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中村 淳 先生がいらっしゃる
電気通信大学に関心を持ったら

 電気通信大学は、日本初の電気通信単科大学として無線技術者の養成はもとより、電気通信科学のあらゆる分野にわたって古くから研究者や技術者を送り出してきました。先端科学技術を支える全分野を網羅し、電子・情報分野に特化した研究、教育を行うユニークな大学です。社会に信頼され、社会から頼りにされる大学を目指し、ものづくりに意欲を燃やす学徒の期待に応える教育環境を提供します。

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