京都工芸繊維大学 産学公連携推進センター

■研究の概要

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　鋳造や溶接、積層造形などの金属が凝固するプロセスを経る製品の品質は、製造時に形成される凝固組織によって決定されます。そのため、それらの製品の品質向上には高精度な凝固組織予測が不可欠です。典型的な凝固組織形態であるデンドライト（樹枝状結晶）の成長を高精度に予測可能な数値計算手法としてフェーズフィールド(PF)法が発展しています。PF法を用いてデンドライト成長の定量的評価を行うためには、固液界面近傍の計算格子にデンドライトの先端曲率半径の0.1～0.2倍程度の格子幅を用いる必要があり、多数の3次元デンドライト結晶が相互作用しながら成長するようなシミュレーションの実施にはスーパーコンピュータを用いた大規模計算が必須でした。
　本研究では、並列演算性能の高いGraphic processing unit (GPU)を用いたPF凝固計算にブロック構造解適合格子を適用し、固液界面近傍にのみ細かい数値格子を割り当てることで、計算コストの削減に成功しました。また、複数のGPUを用いた並列化により、GPU一枚あたりのメモリサイズに制約されずに計算規模を拡張できるようになりました。

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　マイクロ熱流体デバイスや半導体デバイス等では、マイクロ・ナノスケールの微細構造と現象を設計・製作・制御することが求められますが、それを実現するためにはデバイスの発熱・伝熱の２次元・３次元非定常特性を評価することが重要です。本研究ではサーモリフレクタンスイメージング（Thermoreflectance imaging：TRI）法を用いて固体のマイクロ・ナノ構造体の表面温度分布を測定し、その熱および電気特性の評価を行っています。TRI法は、物質の反射率が温度に依存することを利用した２次元表面温度計測法です。これまでサーモリフレクタンス現象を利用した温度計測は、主に点計測に基づいた材料の熱物性計測技術として用いられてきました。これに対してTRI法はカメラを用いて物質の反射光強度の２次元分布を獲得します。多くの物質では温度に対する反射率の変化率は10-4~10-5と微小です。TRI法では画像平均化や画像処理によりSN比を上げます。このため測定試料の平面位置制御と焦点合わせの精度が重要ですが、本研究では数nmの精度で位置制御を行っています。測定の時間と空間の分解能は、それぞれ照射光のパルス幅と波長に依存し、本装置ではおよそ数100 nsと数400 nmです。TRI法は赤外線サーモグラフィカメラに対して空間・時間分解能は高く、ラマン分光法と比較すると瞬時の2次元分布が得られる強みを持ちます。

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近年、Lab-on-a-chipやmicro-Total-Analysis-Systemsと呼ばれる微細加工技術を活用した超小型分析機器の開発と実用化が進められています。これらの機器では、マイクロ流路に各種センサ、分取技術、液滴封入（カプセル化）技術、そのほか捕獲・操作・反応・刺激・抽出等の各種機能を実装することで、1細胞単位という高い分解能で細胞の特性評価と診断が可能となり、機器の測定精度が飛躍的に向上し測定時間も短縮できます。一方、このようなマイクロ流体デバイスとも呼ばれる技術では、各機能要素の高度化・高感度化に伴い、流路における粒子・細胞の位置決め・同期精度が機器の性能と信頼度を決める重要な要素となります。本研究では時間と空間の両方に対して周期的に力を粒子や細胞に作用することで流れにおける粒子を等間隔に整列し、その速度を制御できる技術を開発しました。これを液滴封入（カプセル化）技術に実装することで、収率100%の性能を実現しました。

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自発的に運動する個体が多数集まり、それぞれが局所的な相互作用をすることで、全体として調和の取れた秩序が現れることがあります。ムクドリやイワシの成す群れがこの好例であり、古くから人はその協調した動きの美しさと不思議さに関心を寄せてきました。そして、高解像度の観察技術により、これまで肉眼では捉えられなかった微小な世界においても同様の動的秩序が見られることがわかってきました。中でもマイクロメートルスケールでは、細胞集団が衝突や接着、また走化性を介した相互作用によって、集団運動やパターン形成を示すことが明らかにされています。これらの秩序形成は、生物物理学の立場からの学術的な興味だけでなく、特に外部制御が困難な微小環境における群ロボットの設計という工学的な観点からも注目されています。このような背景のもと我々は、モデル生物として知られる、細胞性粘菌の集団が示す動的秩序形成の原理解明に取り組んでいます。特に最近では、走化性を示さない変異株、KI-5株に着目した研究を展開しています。

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機械内部における摩擦や摩耗を低減するための潤滑メカニズムについて、ナノスケールの観点から解明を進めています。機械の円滑な動作を維持するためには、潤滑油の存在が不可欠です。潤滑油には複数の添加剤分子が配合されており、これらは金属表面に膜を形成し、摩擦や摩耗の特性を劇的に改善します。特に、数ナノメートルという極めて小さな分子が界面で働くことで、摩擦低減効果や耐摩耗性を発揮するメカニズムに注目しています。従来、トライボロジー分野においてはマクロスケールでの評価が中心でしたが、ナノテクノロジーや表面科学の知見を応用することで、より精密な評価と新たな知見の獲得を目指しています。