➀有限要素法による材料のシミュレーション➀

当研究室では、主に複合材料の研究開発を行っています。複合材料の設計には、異種材料間のバランスおよび材料の表界面科学が重要と知られている。しかし、実験的には、膨大な時間とコストが必要となります。複合材料の設計のため、実験系の複合材料のものつくりに加え、有限要素法（Finite Element Method; FEM）の材料シミュレーションも行っています。実験系と計算系の両面からアプローチし、材料設計を加速します。さらに、材料シミュレーションにより、実験系で観察できない材料内部の歪みや・応力分布などが見えてくるため、材料設計には有用なツールとなっています。下図に示すように、Ni-Mn-Ga単結晶粒子と金属薄膜の複合材料（Ni-Mn-Ga particles/Cu foil composite materials）は多様な配列が設計できます。また、実験と計算の形状変形挙動がよく一致していることが示唆されました。

➁金属ナノワイヤー/PDMS複合材料による高柔軟性・高導電性透明電極➁

金属ナノワイヤー（Metallic nanowires）/PDMS複合材料は、金属ナノワイヤーの優れた電気伝導性とポリジメチルシロキサン（PDMS）の高い柔軟性・透明性を組み合わせた次世代型の透明電極材料です。ナノワイヤーが形成する導電ネットワークにより、低シート抵抗（Sheet resistance）と高光透過率を両立でき、さらにPDMS基材の高い伸縮性により、曲げや引張といった機械的変形下でも安定した導電特性を維持します。これらの特性から、フレキシブルディスプレイ、ウェアラブルデバイス、ソフトロボティクス、さらにはバイオエレクトロニクスなど、多岐にわたる応用が期待されています。当研究室では、このような複合材料の材料設計および表界面科学的解析を行い、次世代スマート材料の実用化に向けて、より高性能な複合材料の創製に取り組んでいます。

➂磁場印加による機械特性調整可能な磁気粘弾性エラストマー複合材料➂

Fe粒子またはFe粒子をベースにした材料（例：Carbonyl iron particles (CIPs)；カルボニル鉄粉）とエラストマーとの複合材料は、磁場印加による材料の機械特性を調整できるスマート材料と知られています。その機械特性調整可能な現象はMR効果（Magnetorheological effect）と呼ばれています。従来，外部磁場の印加で、Fe粒子のアライメントとしないと、MR効果が出ないという問題点があります。カルボニルコーティング（Carbonyl coating）がMR効果を悪化するという課題もあります。本研究では、アライメントぜず，簡易な手法で、「純Feマイクロ粒子/シリコーンゴムの複合材料」を合成し、MR効果を成功に観察できました。それぞれ、10、16、および24体積分率（Vol.％）の試料を創成し、約33.3％の相対MR効果が観察できました。

代表的な論文

Achievements of fine filler distribution, high cyclic stability, and good magnetorheological effect of isotropic Fe particles/silicone composites

A facile fabrication for the magnetorheological elastomer composed of Fe particles and silicone rubber matrix

➃磁場駆動可能なNi-Mn-Ga単結晶粒子で構成された複合材料➃

熱で形状変形する材料は良くアクチュエータ・センサー等の材料として使用されています。しかし、熱伝導が材料の動作速度を制限しているため、材料の動作速度が遅いという課題が知られています。そこで、本研究では磁場で形状変形を駆動できる複合材料を開発しています。「Ni-Mn-Ga単結晶粒子とシリコンゴム」を複合化し、さらに、材料をキュアリングするときに磁場を印加することによって、複合材料の3D微細構造を制御できました。シリコンゴムとの複合材料以外にも、「Ni-Mn-Ga単結晶粒子とCu薄膜」の複合材料も開発しています。Cuとの複合材料はアクチュエータ材料以外にも、ヨーロッパでは盛んに研究開発している磁気冷却の材料にも適用できます。複合材料の創成後、磁場印加によって複合材料を変形させ、アクチュエータ材料として実用できるかどうか評価も行っています。 

代表的な論文

Large magnetostrains of Ni-Mn-Ga/silicone composite containing system of oriented 5M and 7M martensitic particles

Coupled magneto-mechanical response of laminate composites comprising a layer of Ni-Mn-Ga microparticles

➄化学センサーに適用する三元系複合材料の材料設計➄

従来の化学センサーの電極は酵素を使用したもののため、特定な物質に対する感度・選択性等が高いですが、酵素の長期安定性、材料の高価等の問題点が知られています。酵素を使用せず、感度・選択性等の高い電極材料が求められています。本研究では、非酵素の貴金属（Au，Pt等）のナノ粒子および酸化物（TiO2，ZnO等）をミクロネットワーク構造を有するポリアニリン（PANI）の上に合成し、化学センサーに適用できる三元系非酵素型の複合材料電極を開発しました。さらに、ナノ金属粒子と酸化物の濃度を微調整することによって、特定な対象物質が酸化される時の電流密度が上昇し、対象外の物質の酸化電流密度が低いままを維持できました。すなわち、電極の感度を向上したうえで、物質に対する電極材料の選択性が高いままの状態を保持できました。また、従来の酵素型の電極材料より、長期安定性と高価の問題点も解決できました。 

代表的な論文

Roles of TiO2 in the highly robust Au nanoparticles-TiO2 modified polyaniline electrode towards non-enzymatic sensing of glucose

Electrocatalytic activity enhancement of Au NPs-TiO2 electrode via a facile redistribution process towards the non-enzymatic glucose sensors

➅化学・電気化学法でフレキシブルデバイス用の複合材料の創成➅

従来の硬質材料の適用性を改善するために、柔軟性のあるウェアラブルデバイスは近年盛んに研究・開発されており、医療材・生体材料に応用されています。しかし、柔軟性のあるポリマーと機能性を有する金属・酸化物等を合成するためには性質の異なる材料の組合せ・材料間の接着が課題となっています。複合材料では、化学・物理的な結合はもちろん重要ですが、材料それぞれの結合様式を持ち、簡単には化学・物理的なボンディングができないため，機械的な結合を活用すると機械特性の強く，機能性の高い複合材料を実現することができます。本研究では、超臨界二酸化炭素を用いた化学・電気化学等の手法によって元々結合性の低いポリマーと金属薄膜を強く接着し、柔軟性を有し、機械特性が優れた複合材料を創成できました。 

代表的な論文

Fabrication and photocatalytic performance of Au/ZnO layered structure on silk textile for flexible device applications

Platinum coating on silk by a supercritical CO2 promoted metallization technique for applications of wearable devices