| 研究課題/領域番号 |
16K00981
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| 研究機関 | 八戸工業高等専門学校 |
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研究代表者 |
松橋 信明 八戸工業高等専門学校, その他部局等, 教授 (40199831)
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| 研究分担者 |
山田 一雅 函館工業高等専門学校, その他部局等, 教授 (40270178)
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| 研究期間 (年度) |
2016-04-01 – 2021-03-31
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| キーワード | 分子シミュレーション / 分子軌道法 / 分子動力学法 / ３Ｄプリンタ / ＳＴＬファイル / マテリアリゼーション / 新教材・教育法開発 |
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| 研究実績の概要 |
これまでの研究成果をベースに、市販の分子シミュレーションソフト（分子軌道法、分子動力学法）を用いて新教材の開発を推進し、新教材データベースを蓄積するべく、高専本科５年生の卒業研究において、以下のような研究成果をあげることができた。
学生が授業で利用でき、視覚的にわかりやすい新教材開発を目指して、周期的に繰り返される位相幾何学的ナノサイエンス材料であるカーボンナノチューブに注目し、分子シミュレーションによりアームチェア型とジグザグ型のカーボンナノチューブを構築して、運動エネルギーとポテンシャルエネルギーの熱特性について検討した。また、温度変化に伴って分子が歪み、加熱していくと分子が少しずつ変形する様子を確認することができた。これは、カーボンナノチューブを構成する炭素原子が振動しており、分子が膨張と収縮を繰り返すことによるものと考えられる。さらに、分子シミュレーションにより構築したカーボンナノチューブの３Ｄプリンタによるマテリアリゼーション（物質化）を検討し、アームチェア型とジグザグ型の両方の模型の造形化に成功した。分子シミュレーションでグラフィカル表示した結果を、さらに立体的な模型にすることができ、手に取って自由自在に構造を確認することができることから、このカーボンナノチューブの３Ｄ教材は、飛躍的に教育効果が高い新教材として活用できそうである。
３Ｄプリンタで造形するには、３次元の立体形状をポリゴン（微小な三角形）の集合体で表現するＳＴＬファイルが必要であり、造形の際にエラーが出ないよう、様々な工夫や配慮が必要である。そこで、面と面の接合、造形の厚み、複数のシェルや反転三角などに関するエラーの解決方法について検討し、３Ｄプリンタによる造形に関して有意義な情報を得ることができた。
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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
本研究は、学齢的に理論的な理解が難しい高専電子系専門教育において、３Ｄプリンタによる分子計算のマテリアリゼーション（物質化）を行い、学生の興味を誘起しながら視覚的に電子材料の構造や物性を理解し、創造性を育む新たな教材と教育法の開発を目的とする。その具体的な研究目的は、1.市販の分子シミュレーションソフトを活用した新教材の開発、2.３Ｄプリンタを用いた分子計算のマテリアリゼーションによる新教材の開発、3.多人数教育に対応したオリジナルの新教材・教育法の開発、の３つである。
現段階において、高専本科５年生の卒業研究に分子シミュレーション（分子軌道法、分子動力学法）による物性解明や３Ｄプリンタによる分子モデルの造形化に関する研究テーマを組み込み、学生が授業で利用でき、視覚的にわかりやすい新教材の開発が進行している。実際に、手に取って自由自在に構造を確認することができるフラーレンやカーボンナノチューブの３Ｄ教材開発に成功した。
以上の研究実績から、研究はおおむね順調に進展していると判断できる。
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| 今後の研究の推進方策 |
これまでの研究成果をベースに、学生が授業で利用でき、視覚的にわかりやすい新教材を開発するべく、分子シミュレーション（分子軌道法、分子動力学法）と３Ｄプリンタによる分子モデルのマテリアリゼーションを推進する。分子シミュレーションでグラフィカル表示した結果を、さらに立体的な模型にすることができれば、手に取って自由自在に構造を確認することができ、飛躍的に教育効果を高めることができる。
そして、マテリアリゼーションした新教材を活用した新教育法の開発を行う。３Ｄプリンタを用いて分子計算結果をマテリアリゼーションした新教材を電子系高専専門科目において有効活用するための新たな教育法を開発する。
さらに、創造性や学際性を育成できる新教材・教育法の開発を行う。シミュレーションなので実在しない分子やその集合体の安定性や性質を予測することが可能であり、自由な発想で様々な電子材料を設計でき、新機能性電子材料の開発を目指した、創造性を育成できる新たな教材と教育法を開発する。
最終的に、高専電子系専門教育における多人数教育に対応したオリジナルの新教材・教育法の開発を行う。開発した新たな教材と教育法を多人数の教育の場で展開するべく、安価で効果的な、そして高専電子系専門教育に最適なオリジナルの新教材・教育法を開発する。そして、八戸と函館の両高専の電子系専門科目への導入を目指す。
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