| 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, 生産システム工学科, 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、以下のような研究成果をあげることができた。
新機能性有機材料であるカーボンナノチューブについて、分子動力学法を用い、温度変化時のパラメーター変化観察及び熱伝導率-ファンデルワールス力の反発特性による軸方向における熱伝導率特性を研究した。ジグザグ型とアームチェア型におけるエネルギーの増加効率や分子構造の安定性を評価できた。また、軸方向のファンデルワールス力は他軸方向と比べて変化が少なく、軸方向における熱伝導は多軸方向と比べて効率的に行われ、カーボンナノチューブは熱伝導率において指向性を持っていることを明らかにした。
分子軌道法を用いてC60フラーレンを複数接合したC120・C180フラーレンの分子モデル作製の際に生じる歪みの原因解明に関する研究や、新機能性有機材料であるダイヤモンドライクカーボンの熱特性を研究し、有用な研究成果を上げることができた。
結晶構造の新教材開発を目指して、体心立方格子構造のタングステン、立方晶構造の三酸化タングステン、六方最密充填構造の炭化タングステンの分子シミュレーションを行い、さらに３Ｄプリンタを用いて視覚的にわかりやすいタングステン教材の作製に成功した。
分子シミュレーションソフトWinmostarによる多人数教育に対応したオリジナルの新教材・教育法の開発の可能性を検討した。その結果、Fe、Co及びNiの拡散係数の温度依存性を、分子動力学法を用いて高精度で計算することができた。Winmostarはフリーソフトであることから多人数教育への適用が可能であり、今回の研究成果を応用したオリジナルの新教材・教育法開発の可能性を確認でき、有用な研究成果を上げることができた。
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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年生の卒業研究や４年生の創成実験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継続的に組み込み、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を一層進行している。今年度はカーボンナノチューブの軸方向における熱伝導率特性、C120・C180フラーレンの歪みの原因解明、ダイヤモンドライクカーボンの熱特性を研究し、有用な研究成果を上げることができた。また、３種類の結晶構造を有するタングステン化合物を３Ｄプリンタで造形し、手に取って観察できる新教材を開発できた。
また、分子シミュレーションソフトWinmostarを用いて、Fe、Co及びNiの拡散係数の温度依存性を、分子動力学法を用いて高精度で計算することができた。Winmostarはフリーソフトであることから多人数教育への適用が可能であり、オリジナルの新教材・教育法開発の可能性を確認でき、有用な研究成果を上げることができた。
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一層推進する。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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