ナノ材料による高効率エネルギーデバイスを実現し、地域や世界の諸問題を解決に導く

古田 寛FURUTA Hiroshi

専門分野

薄膜工学、ナノ材料、電子物性、応用光学・量子光工学、エネルギーデバイス(変換・蓄エネ)、メタマテリアル

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ナノテクノロジーの急速な進展により、ナノマテリアルがもつ構造とサイズに起因する圧倒的に高性能な電子・光物性が次々に発見されている。古田教授は、カーボンナノチューブ(CNT)をはじめとするナノマテリアルの構造を制御することで、新たな電子・光・熱物性を持つメタマテリアルを創り出し、これらを高効率なエネルギーデバイスへの応用につなげる研究を行ってきた。
CNTは地球上に豊富に存在する炭素のみで構成されているにもかかわらず、高い電気伝導性や熱伝導性をもつ素材として期待が寄せられている。このCNTを用いて高機能な素材やデバイスを実現し、地域と世界のエネルギー諸問題の解決をめざすという大きなテーマに挑んでいる。
ナノスケールの回路設計によって光の新たな性質を引き出す

 メタマテリアルは、原子・分子より大きく、電磁波より小さいスケールで回路設計された電極などの人工構造体で、通常の物質では実現不可能な物性や機能を発現する。そんなメタマテリアルの構成材料として有望視されているのが、電気・光特性に優れたCNTだ。ナノテクノロジーの手法として、従来は素材を加工して微細なものをつくるトップダウンプロセスが用いられてきた。しかし、このプロセスはサイズの下限を迎えつつあることから、原子・分子を組み合わせて配置し、秩序ある構造を自発的に組み上げていくボトムアッププロセスの研究が盛んに行われている。
 CNTは、基板上に堆積させた触媒の微粒子に原料ガスを供給することで、植物のように成長させることができる。このように「自己組織化された成長プロセス」をもつCNTは、メタマテリアルに不可欠な微細かつ複雑な構造体をボトムアッププロセスで簡易に作製できる可能性を秘めているのだ。
 自然界に目を向けると、自己組織的なパターン形成は至るところで確認できる。カタツムリの殻表面にある高度な洗浄機能やトカゲの足指に生えた剛毛の粘着機能などはその一例であり、多くの生物には自己組織化によって構築されたナノテクノロジーが実装されている。古田教授はこうした自然界の自己組織化現象に倣い、CNTを用いて様々なナノ構造体を作製し、メタマテリアルとなり得る特異な機能性を見出してきた。
 基板に対して垂直方向に向きを揃えて並ぶ高密度のCNTは、森のように見えることから「CNTフォレスト」と呼ばれ、あらゆる波長の光を高感度に吸収できる「最も黒い材料」として注目されている。古田教授らは、CNTフォレストでメタマテリアルを作製しようと、フォーカスドイオンビーム(FIB)を用いた触媒の微粒子のパターン加工を施し、微粒子配列をメタマテリアル形状のひとつであるスプリットリングレゾネータ(SRR)形状に成形する技術を開発。この技術を利用して作製したSRR構造のCNTフォレストの物性を評価した結果、回路中の共鳴現象によって赤外光に対する反射強度が減少し、メタマテリアルの性能を示すことが明らかになった。これはCNTでメタマテリアルを作製した世界初の成果として、著名な論文誌に掲載され高い評価を得た。
 また、炭素膜の下に低密度なCNTフォレストが自己組織的に形成される構造に着目し、構造の厚さを制御することに成功。この構造がもつ優れた光学特性を初めて見出し、霜柱のような構造から「霜柱状CNTフォレスト」と名付けた。さらに、炭素膜に周期的な穴の開いたフィッシュネット形状に加工した霜柱状CNTフォレストは、加工のない構造に比べて赤外光に対する吸収が増加することも明らかにし、メタマテリアルの特性を引き出した。
 古田教授らは、これらの成果について、CNTフォレストをメタマテリアルに応用した「CNTフォレストメタマテリアル」と掲げ、世界に先駆けた研究を進めている。
「CNTフォレストメタマテリアルは、これまでにない物性を回路設計によってつくり出せるエキサイティングな融合分野です。特定の波長だけを吸収して利用する環境負荷の少ないシステムの構築が可能になるだけでなく、耐熱性が高いというCNTの利点を生かし、融点の低い金属のメタマテリアルでは困難だった太陽エネルギーを有効利用するシステムへの応用が期待されています」

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(プラズマスパッタリング装置:カーボンナノチューブの種である触媒超微粒子を堆積している)

CNTフォレストメタマテリアルの大面積化を実現する作製手法を開発

 CNTフォレストメタマテリアルをエネルギーデバイスへ応用するためには、大面積化が必要になる。しかし、FIB加工を用いる手法は大面積化が技術的に困難とされている。そこで、古田教授らは代替手段として、半導体の高集積化に必須とされるドライエッチング法を用いることで、CNTフォレストを自己組織的に組み上げる新たな手法を開発。その手法で作製したCNTフォレストにおいて、メタマテリアルの特性である特定の波長の吸収・反射を制御できることも明らかにした。大面積化が原理的に可能な自己組織化の手法によって、CNTフォレストを作製し、そこにメタマテリアルの特性を見出したことは、CNTフォレストメタマテリアルの大面積化を実現する糸口を掴んだといえるだろう。
 さらに、これらの成果を応用につなげようと、CNTを用いて高効率な太陽熱温水器の開発にも取り組んでいる。これまでに光吸収剤に市販の材料とCNTを用いた場合の温度上昇を比較し、CNTの方が温度上昇しやすいことを見出すなど、性能向上に向けた検討を進めている。
 古田教授がこのような研究開発を通して実現したいのは、ナノマテリアルで地球のエネルギー問題を解決すること。特に地方や発展途上国でエネルギー問題の解決につながるような低環境負荷かつ低コストなエネルギーデバイス開発をめざしている。
「日本では、エネルギー供給体制を大規模集中型から再生可能エネルギーを活用した自律分散型へと移行しようとする動きがあります。特に山間部に集落が分散する高知は、自律分散型へのニーズが高い。本学が進めている『里山社会実装モデルプロジェクト』と連携し、個人が管理できる小規模なエネルギーデバイス開発を高知で実現することが目標です」
 SDGsでは、2030年までに世界が達成すべき目標のひとつとして、「すべての人が安全で安価な飲み水を入手できること」が掲げられている。これに対して、「発展途上国で海水から蒸留水を生成する過程に、未利用の熱エネルギーを回収する技術を活用することも視野に入れている」という。基礎研究から応用までを通してCNTの可能性を実証してきた古田教授。今後も、常識にとらわれず、自然をよく学び、人類の持続的な発展に貢献できるナノテクノロジー開発を続けていく。

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掲載日:2022年4月