研究の内容

　水素の自然発火温度は525℃前後と高く、低温で燃焼させるためには、高活性水素を製造可能な触媒の利用が不可欠である。これまでパラジウムや白金系触媒が用いられているが、供給面や価格面などの不安を抱えている。
　当研究室では、従来の触媒に比べ供給面や価格面で有利な触媒の研究に取り組み、その結果、高活性な水素イオンを生成可能な銀系化合物を発見した。本触媒は、水素を供給すると高い活性を持つ水素イオン“Gin De Ride（銀-Derived Hydride, GDR）”を与えるため、まず低温で水素と酸素を同時供給することにより生成GDRを燃焼させ、次いで発生熱と余剰GDRを利用すれば各種合成反応を効率的に行うことが出来る。
　現在、CO₂メタネーション用の触媒との複合化により、低温で反応が進行することを見出している。

研究の内容

これまで、水産動物の鮮度保持に有用なスラリーアイスの製造量は、貯蔵時間を考慮した計算法が無かったため、多くの場合、過剰な量が製造され使用されてきた。そこで当研究室では、先に記載したように、保管用容器の総括伝熱係数を用いて、その場で迅速に、スラリーアイスの質（塩分濃度や水／氷混合比）と量（貯蔵可能時間）を同時に最適化する装置を開発した。本法は、真水由来の塩分を含まない液状氷の製造にも適用可能なため、水産動物以外の食品（野菜・果物・畜産動物）にも利用でき、現在その発明内容の権利化などに取り組んでいる。

研究の内容

超小型衛星の熱設計をしやすくすることを最終目標に、超小型衛星の熱制御に適した熱制御材として、結晶構造の変化により蓄熱する蓄熱材の開発を行っています。
多くの蓄熱材が固相-液相の相変化によって蓄熱しています。微小重力下での液相は、伝熱面との濡れ性が悪いと伝熱面に接触せず、熱伝達が著しく悪くなるという欠点があります。そこで、本研究では、固相-固相の結晶構造の変化により蓄熱するトランス-1,4-ポリブタジエンに注目しています。
開発された蓄熱器は、2014年6月20日に打ち上げられた超小型衛星HODOYOSHI4号機に搭載され、宇宙での性能実証試験が行われてきました。HODOYOSHI4号機のデータを解析したところ、蓄熱器が宇宙空間でも所定の温度で蓄熱・放熱していることが確認されました。

研究の内容

【背景】熱電変換は、廃熱を再資源化する技術として注目されています。いくつかの酸化物が実用材料PbTeの性能指数ZTを超える熱電材料になると提案されましたが、再現性がなく、実用化されることはありませんでした。当研究グループは、Ba_1/3CoO₂が室温においてZT ~0.11を示すことを発見しましたが、その高温特性は未解明のままでした。
【アプローチ】Ba_1/3CoO₂エピタキシャル薄膜を作製し、安定な加熱温度範囲を調べ、その温度範囲内における熱電特性を計測しました。
【結果】
・Ba_1/3CoO₂が空気中・600℃においてZT = 0.55を示すことを発見。
・実用化された非酸化物熱電変換材料の性能に匹敵する高いZT。
・高温・空気中で再現性良く安定した高性能を発揮。

研究の内容

炭素資源中の窒素（Fuel-N）は燃焼時にNO_xやN₂Oとして排出され、また、高温ガス化では主にNH₃に変化し後段のガス燃焼時のNO_xソースとなる。本研究では、燃焼やガス化の前段の熱分解過程においてFuel-Nを無害なN₂に変換する方法の開発に取り組み、イオン交換法で担持したCaイオンは熱分解時にCaOナノ粒子に変化し、N₂生成に触媒作用を示すことを見出した。
また、褐炭中に元々含まれるFeイオンや褐鉄鉱中に多く存在するFeOOHは加熱過程で容易に金属鉄ナノ粒子となり、この触媒上でNH₃、ピリジン、ピロールの分解反応を行うと、N₂が選択的に生成することを見出した。このような含N種は石炭ガス化で生成する粗ガス中に含まれるので、これらの化合物の除去を目的とした新しい高温ガス精製法の開発への展開を図っている。

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Al，Zn，Fe，Cuなどの実用金属基板上にTiF62-を含む水溶液からわずか数秒の電解により酸化チタン薄膜を得ることに成功しました。得られた酸化チタン薄膜はアナターゼ結晶性であり，熱処理することなく，光触媒活性を示します。表面の有機物をUV照射で分解し，超親水化するなどの優れた特性を確認しています。この酸化チタン膜には基板元素がドープされることから可視光応答性などの新たな機能発現も期待できます。透明導電膜などへの成膜も可能です。

研究の内容

”同位体顕微鏡システム”の特質である「安定同位元素イメージング技術」を有効活用する利用課題を募集、選定、実施することにより産業イノベーションへの展開を図ります。
同位元素というと、すぐに年代測定が思い浮かびます。事実、これまで同位体顕微鏡システムは主に鉱物など宇宙科学の分野で、同位体比の分析に使われてきました。これは、入手した試料の断面の「ありのまま」を観察して得られる成果です。その測定手法の発想を変えることで、同位体顕微鏡システムを産業応用に展開できます。すなわち、「ありのまま」を観るのではなく、積極的に同位体元素を調べたい試料に「ドープ」することで、今まで見ることができなかった目的のイメージングを測定することが可能になります。しかも、放射性同位体ではなく、安定性同位体を使って安全に作業することができます。

研究の内容

熱電変換は、廃熱を再資源化する技術として注目されています。熱電材料として、金属カルコゲン化物が知られていますが、熱的・化学的安定性や、毒性の問題があります。層状コバルト酸化物は高温・空気中においても安定ですが、熱伝導率が高く、変換性能が低いという問題がありました。研究グループは，層状コバルト酸化物A_xCoO2の熱伝導率を下げるために，図1に示す戦略を考えました。図2に，室温において計測したA_x置換A_xCoO2薄膜の層に平行な方向の熱電特性をまとめて示します。熱伝導率はA_x原子量の増加に伴って単調に減少する傾向を示しました。Ba1/3CoO₂の室温の熱電変換性能指数は0.11です。性能指数ZTは高温になるほど上昇します。さらに熱電変換性能を増強することで、安定で実用的な熱電変換材料が実現すると期待されます。

研究の内容

燃焼装置や燃焼ガス排気系統でしばしば音響振動が生じ、騒音の発生や燃焼措置の寿命を低下につながる。これは、燃焼装置や排気系統で生じる発熱変動と音響圧力変動が連動することより生じるが、これが生じる物理過程の解析と抑制技術の検討を行っている。研究の手法としては、単一の円管内に可燃性ガスを封入しその一端に着火させ火炎が管内を伝播する際に生じる音響振動現象を用いる。この伝播現象に種々の境界条件（開放端条件・伝播方向・混合ガス組成・伝播管直径と長さ・火炎面の構造等）を与え、音響振動現象を引き起こした上で、その要因を燃焼の不安定性解析手法により理解する。ここで再現された振動現象は単純化された系で観察されるものであるが一般性のある現象であり、実際の燃焼機器や排気系統で生じる音響振動現象の理解に直接つながるものである。

研究の内容

リチウムイオン電池はそのエネルギー密度の高さから利用が急激に拡大している。一方で電池内部の電解液に有機溶媒を使用していることから火災安全性の確保が重要である。本研究は有機溶媒の燃焼抑制を目指して燃焼抑制剤添加効果の定量化手法の開発や燃焼抑制に効果のある添加剤の探索、さらには、電解液に含まれるリチウム塩自体の有機溶媒の燃焼性に及ぼす効果などを研究している。また、電解液の燃焼素反応機構を考慮した火災現象のモデル化および数値解析を実施している。

研究の内容

燃焼現象は局所的な温度上昇を伴うことから周辺に自然対流が常に生じる。このことが現象を複雑化し、その基本的理解を難しくしている。本研究では微小重力環境を活用することで、自然対流を取り除き燃焼現象に含まれる基礎的過程（拡散・熱伝導・すす生成・着火・火炎伝播等）を理解し、このような現象が介在する燃焼装置や燃焼現象の数値予測やモデリングに役立てていこうとするものである。北海道大学には常時利用可能な40m級の大型落下塔があり、微小重力実験を容易に実施可能な環境にある。また、国際共同研究による航空機を用いた微小重力実験や国際宇宙ステーションによる実験も進めており、微小重力場を利用した燃焼研究を行う上で恵まれた環境にある。

研究の内容

糖鎖および複合糖質のシアリル化（シアル酸の付加）は発生、分化、疾患、感染、免疫等の様々な生命現象に関与する重要なバイオマーカーである。MALDI(マトリクス支援レーザー脱離イオン化）法は簡便かつ高感度なソフトイオン化法であるが、未修飾のシアル酸を有する糖鎖はイオン化効率が低く、さらにシアル酸の開裂等によりスペクトルが複雑化するという問題が存在する。本技術では、従来のマトリックスに対する添加系を改良することにより、一切の修飾工程を経ることなくシアリル化糖鎖及び複合糖質を、シアル酸の脱離を抑制した状態で高感度・高分解能測定に成功した。開裂パターン変化と高感度化に伴い、TOF/TOF解析や疑似MS³解析等も超微量サンプルで実施可能となった。本法は化学修飾と分離工程が不要であり、反応追跡や迅速検体解析が可能となる。

研究の内容

研究の内容

Single-Slope A/D変換器は、アナログ値を時間に変換してデジタル化します。そこで、Time to DigitalConverter (TDC) を用いることで、変換時間を大幅に削減できます。しかしながら、消費電力が大幅に増加してしまいます。TDCを間欠動作させることでTDC部の消費電力を数十分の一に削減し、高速化と低電力を両立いたします。本手法の特徴として、以下が挙げられます。
・低電力/高速化/小面積なA/D変換器の実現
・高精度・粗精度な２つの計測の同期・整合性を原理的に保証
・A/D変換特性が連続的で補正が容易。

研究の内容

画像処理では一般に取り扱うデータ量が膨大であるため、ハードウェア/ソフトウェアを組み合わせたシステム全体としての最適化が必要不可欠です。本研究室では、画像処理のアリゴリズムおよびその実装に関する検討を相補的に行うことにより、画像処理システムの構成手法に関する研究を行っています。その成果の1つであるRetinex理論に基づく動画像リアルタイム適応的明るさ補正(図1)では、逆光などの照明変化が大きい状況下で撮影された映像の明るさを、適応的かつリアルタイムで補正することが可能です。また、コスト最適化に基づく高品位な画像平滑化(スムージング) (図2)に関する研究も進めており、これは写真のイラスト化といった画像加工処理や、各種画像処理の前処理、明るさ補正、細部強調などへの応用が期待されます。

研究の内容

乗り物内の無線伝搬環境は，周囲が金属であることによる多重反射，加えて内部に什器や乗客の存在により，従来の伝搬モデルとは異なる特殊な環境になる。そのため，実運用状況の無線接続品質を見積もるには，乗客人体等による電波の吸収・散乱の効果を含めた電波伝搬特性の評価が必要となるが，実測や簡便な数値解析（レイトレース等）にてこれらを評価することは困難である。本研究は，従来困難であった乗り物内の伝搬環境モデリングに取り組み，超大規模解析空間におけるシミュレーション手法をスーパーコンピュータの利用により実現するものである。

研究の内容

音響波を用いた物性評価や機能性デバイスの設計・製作・評価において、音響波伝播の可視化は極めて有益です。このために、サブピコ秒時間幅の超短光パルス(ポンプ光)を試料に照射して表面音響波を励起し、その伝播の様子を遅延された光パルス(プローブ光)で観測します。遅延時間およびプローブ光の照射位置を走査することで音響波の時間分解二次元イメージを得ます。時間分解能はピコ秒、空間分解能は1μm、周波数帯域はGHz程度です。この方法では周期的な光パルス列を用いるために、従来はその繰り返しの整数倍周波数の音響波のみ励起・検出可能でしたが、開発した技術により、任意周波数の音響波の励起・検出が可能になりました。さらにこれを発展させて光パルスの繰り返し周波数とは全く非同期な振動のイメージングも可能となり、応用範囲が一層広くなりました。

研究の内容

本研究は、不純物を含む金属ナトリウムを電解精製によって高純度化するプロセスの開発です。原料となる金属ナトリウムは、使用済みナトリウムー硫黄電池の中から回収したものになります。これを図１の電解槽模型の左上（陽極）に設置し、電流を流す事でナトリウムイオンが電解液に溶解し、ナトリウムのみが右上の高純度ナトリウム（陰極）側に順次析出します。このプロセスは200℃以下で操業が可能になります。この電解で得られた高純度ナトリウムは電池の原料や他の用途としても使うことができる純度です。ナトリウム資源を海外に依存している本邦であるからこそ、この技術が今後広く応用できると考えています。　　

研究の内容

現在主流のCMOS素子を性能面と電力面で超えるスピンデバイスを提案し、その性能を物性理論で解析する研究をしています。この研究によって、CMOSデバイスを超える性能を持ちながら、省電力なデバイスを創生することが主な研究目的です。普段は、新規なスピンデバイスの性能を計算するために、場の量子論や相対論を用いてスピン伝導率などを計算しています。現在、研究している対象はトポロジカル絶縁体とスカーミオンですが、トポロジカル絶縁体はバルクでは絶縁体であるが、表面のみ自発的にスピン流が流れる物質であるので、上手くデバイスに応用できれば、トポロジカル絶縁体自体は無散逸なので超省電力のデバイスの作製が可能になります。またスカーミオンは磁性体に発生する特異な渦であり、これも電流駆動することでスイッチの役割を果たすことが期待されます。

研究の内容

液体中で生成されるプラズマは、ナノテクノロジー、環境工学、および医療工学の観点から高い関心を集めているが、プラズマの発生に高電圧を必要とすることが障害となる場合がある。一方、超音波工学の分野では、音響キャビテーションが崩壊する瞬間に気泡の内部がプラズマ化することが知られていた。我々は、超音波が印加された液中にパンチングメタル板を挿入するという極めて簡単な方法により、位置の固定が困難な音響キャビテーションを定在化させ、高効率に発生させることに成功した。高電圧を用いない液中プラズマ生成法としてユニークであるとの評価を受けている。現在は、本方式のメカニズムを解明し、大型装置を設計するための指針を得ることに注力しているが、今後は、新しいプラズマ応用技術としての様々な展開を図りたいと考えている。