| Project/Area Number |
19K22062
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Review Section |
Medium-sized Section 26:Materials engineering and related fields
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
齋藤 彰 大阪大学, 工学研究科, 准教授 (90294024)
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| Project Period (FY) |
2019-06-28 – 2022-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2019)
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| Budget Amount *help |
¥6,370,000 (Direct Cost: ¥4,900,000、Indirect Cost: ¥1,470,000)
Fiscal Year 2021: ¥2,210,000 (Direct Cost: ¥1,700,000、Indirect Cost: ¥510,000)
Fiscal Year 2020: ¥2,080,000 (Direct Cost: ¥1,600,000、Indirect Cost: ¥480,000)
Fiscal Year 2019: ¥2,080,000 (Direct Cost: ¥1,600,000、Indirect Cost: ¥480,000)
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| Keywords | 構造色 / 乱雑さ / 採光窓 / ナノ構造 / 光材料 / バイオミメティクス / 建築 / 透過 / 制御 / 材料 |
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| Outline of Research at the Start |
本研究の目的は、応募者が研究してきた「乱雑さの制御」に基づく、新たな「透過型」の光材料開発である。本材料は、外部の光を「高透過で」「広角に」通し「色づかない」理想的な透過特性をもつ。通常、上の３条件は並立不可能で、なぜなら屈折（色分散あり）も散乱（低透過）も不適なためである。しかしモルフォ蝶の特異な光特性（「高反射」の干渉ながら虹色でなく「広角に」「単色」）を応用すると、３条件並立は原理的に可能となる。そこで本研究では、これまでモルフォ型「反射材料」で蓄積した「計測、電磁場解析による設計、ナノ加工・作製技術」を集約し、新規な透過型光材料の特性を実証し、さらに最適化・応用展開を進める。
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の目的は、「ナノの乱雑さ制御」に基づく、新たな透過型の光材料開発である。その原理は、代表者が研究してきたモルフォ蝶の特異な光学特性に依拠する。本材料は、外部の光を「高透過で」「広角に通し」「色づかない」理想的な透過特性をもつ。通常、上の３条件の並立は不可能で、それは光を広角で曲げるにあたり、屈折（色分散あり）も、散乱（低透過）も使えないためである。しかしモルフォ蝶の光特性を応用すると、３条件並立は原理的には可能となる。そこで本研究では、代表者がモルフォ型の反射光材料で蓄積してきた計測技術、電磁場解析による設計、ナノ加工・作製技術を集約し、上記の新規な透過型光材料の特性を実証する。本材料の実現は、「広角に明るい窓」で室内照明を削減して大きな省エネを実現するだけでなく、レンズフリーで理想的な広角拡散特性をもつ新たな照明や、省エネ型ビニルハウス等、幅広い応用に利する。2019年度の実績として、大別すると、１．採光窓のプロトタイプ作製、２．プロトタイプの光学評価、３．作製に２．をフィードバックしたナノ製造技術の改良と検討、４．原理の元になるモルフォ光学特性について新たな謎の解明、５．左記の４．を用いた新たな設計の試みと展開、６．本研究をより広義に見た「バイオミメティクスの建築・都市への展開」を検討する（かつ本分野での産官学にわたる国際ネットワークを作るための）国際会議の開催、といった内容が挙げられる。上記を受けて、論文投稿2件に加え（ともにAccept済みだが出版は2020年度なのでリストからは除外）、実績として書籍1、解説3、口頭発表5（うち国際3で招待2）、などの成果が得られた。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
実績の概要欄に対応させて記す。まず１．採光窓のプロトタイプ作製では計画通りに京大ナノハブ施設を利用し、設計したプロトタイプについて、鋳型となる形状をSi基板にフォトリソグラフィとRIEで作製した。その後、ナノインプリントによりSi基板上のナノ構造を樹脂に転写し、採光窓を形成した。２．その後、作製したプロトタイプの詳細に評価を、ナノ形状・光学特性の両面で行い、３．設計値を一部で満たさない光特性が得られた窓について、その原因を考察・検討した。その際に従来のモルフォ発色研究で培った数値解析シミュレーションを駆使し、ナノ構造形成時の非常に微細なエラーが大きな特性変化を生じることを見出した。次に、４．原理の元になるモルフォ光学特性について「二次元と三次元のナノ乱雑さの関係」について新事実を見出した。これは三次元の乱雑さが出す光学効果と同様の効果を、二次元ナノ構造で出せることを意味しており、今後の光学設計にも極めて有益な指針となる。この結果は論文投稿2件（ともにAccept済み）につながっている。左記をうけて、５．新たな設計の試みを行い、その後、より簡便な構造で作製が容易な新構造について設計改良につながっている。６．さらに本課題の新たな意義として、よりグローバルな観点から「バイオミメティクスの建築・都市への展開」の枠組みが近年、特に欧州で顕在化し始め（国際標準化との関係など）、本分野の国際動向と連結して新たな価値が見出されつつある。そこで、本研究をより広義に俯瞰し、かつ本分野での産官学にわたる国際ネットワークを作るための国際会議を開催した。コロナ禍を受けて、会場での集会は中止となったが、Abstract 集は出版されたため、本会の発表は成立したものとして扱った（開催に関するこの扱いは、応用物理学会に準じるものである）。上記の結果、概要欄で述べた発表等の成果が得られた。
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| Strategy for Future Research Activity |
まず１．作製した採光窓プロトタイプの詳細な評価（ナノ形状・光学特性の両面）を受けて．その結果を次段の作製にフィードバックする。具体的には、設計値が一部で満たされない特性について（透過率の低下など）、数値解析シミュレーションを元に考察・検討した結果、ナノ構造形成時の微細なエラーが主因とみられている。この構造エラーは抑制が困難で不可避な性質のため、むしろ設計の方で構造エラーを吸収するのが望ましい。この点は計画段階でも織り込み済みであり、修正設計が完了した後、次段の作製と評価を行う。次に、２．反射型モルフォ発色原理で見出した「二次元と三次元のナノ乱雑さの関係」を．透過型の採光窓に適用し、新たな簡易型（二次元タイプ）の採光窓設計（すでに進行中）を最適化する。その後、この簡易型の新設計に基づく採光窓を実際に作製し、評価（ナノ形状・光学特性の両面）する。３．また簡易型の設計は大面積・フィルムという新たな利用形状に適するため、これら新形状へ適用する挑戦を行う。４．さらに本課題を俯瞰する新たな枠組みである「バイオミメティクスの建築・都市への展開」について、特に近年の発展が著しい欧州との交流を発展させる。そこで、2019年度に引き続き、本分野での産官学にわたる国際ネットワークを拡充するための国際会議を開催する。開催にあたっては前年度に開催した国際会議の経験を生かしつつ、かつ同分野の国際調査・を続ける（たとえばフランスが10月に同様の国際会議「Biomim'Expo」を企画しており、代表者が参加し情報交換を行う）。５．また本課題の採光窓は、拡散照明を含む窓以外の応用展開が当初予想よりも多岐にわたり、さらに有望であると判ってきた。このため、その方向での調査・展開を行う。
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Report
(1 results)
Research Products
(10 results)
