東京大学産学連携プロポーザル

地球科学・資源地質学を専門とするこの研究室では、長年にわたり世界各地の地質調査や海洋調査などの野外調査・試料採取・化学分析などの豊かな経験と実績を有しており、地球表層の岩石分布や岩石中に含まれる元素の化学組成に関する多くのデータを蓄積している。これらのデータを更に広範囲に体系的に収集・分析しデータベース化することにより、特定の金属資源の供給源の候補地を効率的に見出すことが可能となり、例えば資源確保が懸念される希土類元素をはじめとするレアメタルの新たな鉱床の探索を効率的に行うことなどが大いに期待される。

ロケットエンジン、ジェットエンジン等の研究を行っているこの研究室では、これら機械内部での流体解析に必要な実験施設、装置を豊富に有するとともに、充実した計算機環境を利用した数値流体解析が可能で、多くの研究実績を有している。これらをもとに、液体ロケットの燃料タンク内部での液の挙動や、液体の圧送を行う装置内部での液の挙動等、気液二相流が関係する広範な現象の解析が可能である。特に気液界面の捕捉に優れた解析手法（CIP-LSM）を開発しており、これまで多くの成果を上げている。

この研究室では、機能性薄膜や界面の開発と分析技術の研究を進めている。これまでに、高速イオンを用いた軽元素（特に水素）のナノメートルレベルの３次元空間分布測定法を開発した。この手法をさらにリチウムなどの元素への展開をはかりつつある。また，レーザー分光を用いた水素の分光法も開発している。  

生体、インク、建材、土、コンクリート等の高分子水溶液やゲル、無機多孔質材料のうちには水が含まれおり、様々な状態で材料を構成する分子と干渉することで、材料の性質やその経年変化に影響を与えている。この様な材料と干渉する水を総称して結合水と呼び、その分量と分子運動の程度を知ることは、水を媒介した種々の化学反応、相変化の速度や力学的性質を知る上で重要である。非常に広い帯域の水分子の回転運動の速度とその量を測定する方法として、とりわけ誘電分光は、水がもつ大きな双極子モーメントの緩和時間として直接測定できる点で他の分光法にない特徴をもつ。 この研究室では、 1)極微量の材料を広帯域誘電分光することにより、材料中に含まれる種々の緩和時間をもつ水分子の緩和時間分布を測定 2)材料表面（例えば皮膚など）から1mm程度の深さまでの自由水の水分分布を測定する技術を有している。

ナノプローブでは、微細構造の幾何学的形状情報ばかりではなく物性的情報を得ることが可能である。この研究室では、ナノプローブを光照射下にて動作させることによって、被測定試料の光学的特性を可視化・計測する研究に取り組んでいる。このような手法を応用して、太陽電池素子等を解析・診断する技術および装置の開発を行いたい。 ケルビンプローブフォース顕微鏡（KFM）は原子間力顕微鏡（AFM）をベースとした顕微鏡の一種であり、試料の表面形状とポテンシャル像を同時に得ることができる。このKFMを光照射下で用いれば、光起電力特性の計測や、その空間分布の観測が可能となる。図1は、光援用KFMで観察したCu(In,Ga)Se2化合物半導体太陽電池における(a)表面形状像と(b)暗状態での表面電位像、(c)光起電力像である。1mm程度の結晶粒やその粒界付近での光起電力分布が可視化されていることが見て取れる。また、光起電力測定の応用によって、太陽電池材料における重要な特性指標である少数キャリアの寿命や拡散長などの局所的計測にも成功している。一方、光照射に伴う被測定試料の熱膨張量をAFMにて観測する光熱分光計測の開発にも取り組んでいる。図2は、多結晶Si太陽電池上で観測した(a)表面形状像と(b)光熱信号像である。特定の結晶粒界近傍で、光熱信号が増大していることがわかる。これは、この粒界付近で、太陽電池での損失に対応する光励起キャリアの非発光再結合が促進されていることを示している。

ナノプローブを用いて微細構造の幾何学的形状情報ばかりではなく物性的情報（電気的、光学的情報等）を得るための研究を進めている。特長は、ナノプローブの持つ高い空間分解能を生かして、形状情報と同時に各種物性的情報を検知できることにあり、非破壊での評価、大気圧中での評価も可能である。これらの研究を応用して、LSI等、微細構造を有する電子デバイスに関する不良解析・診断技術の開発および装置の開発を行いたい。 磁気力顕微鏡（MFM）を用いて電流誘起磁場を観測する研究において、サブmm幅の微細金属電流路に1mA程度以下の電流を流したときの表面形状像、磁気力信号の振幅、位相成分の観測を通じて、磁気力信号強度と電流値との間によい比例関係があること、位相情報を利用して電流の向きを同定できること、などを確認している。また、カーボンナノチューブをチャネルとする電界効果トランジスタに同様の手法を適用している。図(a)、(b)は、それぞれ、ナノチューブチャネル周囲で観測した形状像と磁気力信号像であり、ナノチューブ近傍での磁気力信号の明瞭な変化が捉えられている。また、図(c)は、様々なバイアス条件に対する磁気力信号強度の依存性であり、トランジスタの電流-電圧特性に相当する。このように、個別ナノチューブチャネルにおける閾値電圧や伝達コンダクタンス特性などの解析が可能である。さらに、ネットワーク状のナノチューブチャネルの中から主たる電流経路の同定にも成功している。

この研究室では、以下のようなマイクロ・ナノエレクトロニクス分野における観察・測定に関する研究開発を行っている。 １．走査プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）と光の複合的利用 　　光誘起電流測定、光起電力マッピング ２．走査トンネル分光法（ＳＴＳ） 　　低次元系半導体材料中の新しい物理現象の観察 ３．新しい走査プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）手法の開発 　　画像獲得の高速化、性能向上のための新しい動作原理の提案 ４．導電性／磁性探針を用いた原子間力顕微鏡（ＡＦＭ） 　　形状と電流の同時測定、ケルビンプローブフォース顕微鏡（ＫＦＭ）による表面 　　電位の測定、磁気力顕微鏡（ＭＦＭ）を利用した微小電流計測

医薬や化学物質の評価において、動物を用いない実験法の開発が望まれており、欧米では動物保護団体の圧力で研究開発が止まることも起こっている。また、ヒトとマウス・ラットやイヌでは反応や代謝が異なるため、系統が近い高価なサルで薬効や毒性を確認する場合も多い。 この研究室では、「人体システムの工学的な再構築」を目標として、ヒト臓器細胞培養を基本技術とし、疾患治療から診断、環境応答評価などに役立つ新規システム・デバイスを開発している。 具体的には、腸管や肺、肝臓などの細胞・組織を組み合わせて、物質動態（吸収・分布・代謝・排泄）が解析可能なin vitroの模擬的オンチップ型人体系の開発を目指している。この中で、物質やガスが透過できる膜素材や細胞が立体的に組織化できる担体、並びに血管系と循環系などを備えたミクロ・デバイスを生産技術研究所の藤井研究室、立間研究室と共同で開発した。  

iPS細胞技術によって患者自身の幹細胞をin vitroで分化誘導して、種々の疾患の治療に用いる再生医療の試みが現実化している。しかし、幹細胞を増殖させながら、目的の臓器に分化させて生体に移植するには、増殖因子や分化誘導因子による増殖・分化制御技術に加え、異種細胞との接触の場、並びに酸素・栄養を供給する血管を提供して臓器形状を保持する三次元構造の基材や培養装置の開発も必須と考えられている。 この研究室では、臓器前駆細胞の増殖分化制御と，生体吸収性が高い樹脂担体の三次元造型を組み合わせて、「人体システムの工学的な再構築」を研究している。この中で、ポリ乳酸やポリカプロラクトンなどの生分解性ポリマーを基材とし、毛細血管に見立てた多孔質の三次元担体を構築（生産技術研・新野俊樹准教授らと共同）した。これを用いて肝臓の前駆細胞を立体的かつ高密度に増殖させ、アルブミン合成などの肝実質細胞の機能を発揮させることに成功した。  

当研究室ではJSTの支援を受け、μ秒の分解能で時々刻々と変化する液体の表面張力や粘性を計測するシステムを開発した。このシステムでは液滴を空中に射出し、独自の特許技術でこれを非接触で変形させ、その後の形状変化からこれら液滴の力学物性を高い精度で計測する。またピコリットル液滴が固体基板上で濡れ広がり、あるいは紙などに浸透してゆく様子をマイクロ秒の分解能で動画撮影する技術などを有している。