| 研究領域 | ナノ構造情報のフロンティア開拓－材料科学の新展開 |
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| 研究課題/領域番号 |
25106008
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| 研究機関 | 一般財団法人ファインセラミックスセンター |
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研究代表者 |
北岡 諭 一般財団法人ファインセラミックスセンター, その他部局等, その他 (80416198)
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| 研究分担者 |
森分 博紀 一般財団法人ファインセラミックスセンター, その他部局等, その他 (40450853)
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| 研究期間 (年度) |
2013-06-28 – 2018-03-31
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| キーワード | セラミックス / 構造・機能材料 / 表面・界面物性 / ナノ材料 / 無機工業化学 |
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| 研究実績の概要 |
本研究では、領域内連携や共同研究により獲得される材料の表面、粒界、点欠陥、添加元素などのナノ構造情報に基づく合理的な設計指針を構築し、それに基づき従来性能を凌駕する革新的な材料の創製に資する。また、公募班との情報科学に関する連携研究の成果を通して、ナノ構造情報と情報学的手法を結びつけた材料設計手法の有効性を示す。本年度に実施した内容は以下の通りである。
（１）保護膜性能：耐熱合金上に形成する酸化アルミニウム膜の粒界を介した物質移動制御の一環として、酸素ポテンシャル勾配の印加により酸素の粒界拡散性が抑制されるモデルを提唱した。また、粒界構造既知の双晶粒界を用いた物質移動解析の結果、Alの粒界拡散性が粒界面の移動方向に強く依存することがわかった。
（２）生体活性能：チタン合金（現行ステム）の酸窒化処理により形成した酸化チタンスケールについて、生体活性能発現の可能性を検討した。その結果、純チタンの場合と異なり生体活性が発現しなかった。合金中の添加元素がスケール表面に濃化したことが、生体活性の著しい低下に関与したことが示唆された。
（３）固体イオニクス：プロトン伝導性BaZrO3において、添加元素が伝導キャリアであるプロトンを不動化する会合現象を第一原理計算により解析した。添加元素の種類、添加元素と捕獲プロトンの位置関係を系統的に変えた会合対モデルに対する一連の計算により、水素結合の強さとZrO6配位多面体の歪みが会合エネルギーの強さと良い相関関係があることを明らかにした。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
（１）保護膜性能：酸素ポテンシャル勾配の印加により、酸化アルミニウム膜の表面が負に帯電することが、酸素の粒界拡散を抑制することがわかった。このことは、従来にない革新的な保護膜設計（酸化物膜の表面帯電現象を制御することにより優れた保護膜性能を発現）に展開できる可能性を秘めている。
（２）生体活性能：チタンとチタン合金を酸窒化処理すると、巨視的には同様の酸化チタンスケールが得られたにも関わらず、スケール表面で発現する生体活性能が大きく異なることがわかった。このことは、チタン合金上のスケール表面に濃化する添加元素の存在状態とそれによって発現する機能の相関をナノ－原子レベルで明らかにし、その情報を基に酸窒化処理条件を最適化することができれば、チタン合金にも優れた生体活性を発現させることが可能になるものと思われる。
（３）固体イオニクス： Sc、In、Lu、Y、Er、Gd、Eu の７種類のアクセプター添加元素に関して会合対形成エネルギーを計算した結果、イオン半径の小さいSc、In、Luでは最隣接サイトが安定となり、イオン半径の大きいY、Er、Gd、Euでは第2隣接サイトが安定になることが明らかとなった。現在、単独添加元素での安定性解析結果に基づいて、複数のドーパントがセル中に存在するより複雑な現実に近い固溶状態における酸素空孔、プロトンのエネルギー計算を進めている。
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| 今後の研究の推進方策 |
（１）保護膜性能：酸素トレーサーを用いて、高温の酸素ポテンシャル勾配下に曝した酸化アルミニウム膜（多結晶、双晶、粒界偏析元素有無）中の粒界を介した物質移動現象を、原子・ナノレベルの構造解析を併用して評価・解析する。そして、これらの知見を基に、保護膜の環境遮蔽性と構造安定性の向上に資する設計指針を示す。
（２）生体活性能：チタン合金の酸窒化処理により形成する酸化チタンスケールの生体活性能と、スケールの表面帯電状態や内部構造等との相関を明らかにし、生体活性能発現因子を抽出する。
（３）固体イオニクス
プロトン伝導性固体酸化物燃料電池として実用化が期待されるY添加BaZrO3に着目し、10～30 mol%のYを含む高濃度固溶体モデルにおいてYと酸素空孔、プロトンの安定配置を第一原理計算によるエネルギー計算に基づき決定する。機械学習に基づいたY添加BaZrO3のエネルギー状態を記述する構造特徴量を抽出し、特徴量を説明変数としたエネルギー評価関数による安定構造探索を行うアルゴリズムの開発を行う。
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