共同研究・競争的資金等の研究 - 林 靖彦
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ナノ構造を精密制御した超高効率カーボンナノチューブ紡績糸・熱電発電素子の開発
研究課題/領域番号：24K00928 2024年04月 - 2027年03月
日本学術振興会 科学研究費助成事業 基盤研究(B)
林 靖彦, 鈴木 弘朗, 李 秦宜
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水系と非水系の両方で高速輸送機能を発現するロバストなナノチャネル輸送膜の開発
研究課題/領域番号：23K17369 2023年06月 - 2026年03月
日本学術振興会 科学研究費助成事業 挑戦的研究(開拓)
松本 英俊, 林 靖彦, 徳増 崇, 羽田 真毅
配分額：25740000円 （ 直接経費：19800000円 、 間接経費：5940000円 ）
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環境に優しい高体積容量アルミニウム多価イオン電池の３次元多孔質炭素電極と耐腐食性セパレータの開発
研究課題/領域番号：JPMJTM22DR 2022年10月 - 2023年09月
科学技術振興機構(JST) 研究成果最適展開支援プログラム(A-STEP) トライアウト
担当区分：研究代表者
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高効率な熱電変換を実現する配向性を制御した鉛フリーペロブスカイト・ナノ構造の創製
研究課題/領域番号：22F21358 2022年04月 - 2024年03月
日本学術振興会 科学研究費助成事業 特別研究員奨励費 特別研究員奨励費
林 靖彦, ELBOHY HYTHAM
配分額：2300000円 （ 直接経費：2300000円 ）
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高効率な熱電変換を実現する配向性を制御した鉛フリーペロブスカイト・ナノ構造の創製
研究課題/領域番号：21F21358 2021年11月 - 2024年03月
日本学術振興会 科学研究費助成事業 特別研究員奨励費
林 靖彦, ELBOHY HYTHAM
配分額：2100000円 （ 直接経費：2100000円 ）
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持続的農業を実現する作物生体ナノデバイス開発
研究課題/領域番号：21K19117 2021年07月 - 2023年03月
日本学術振興会 科学研究費助成事業 挑戦的研究(萌芽) 挑戦的研究(萌芽)
平山 隆志,林靖彦
担当区分：研究分担者
配分額：6500000円 （ 直接経費：5000000円 、 間接経費：1500000円 ）
申請者らは、これまでに、植物を含む生物の経時的な成長状態や生理状態データを用いた非線形の形質予測モデルを構築することにより、環境要因や遺伝要因データから生体の動態を予測することが可能であることを実証した。一方で、予測に必要なデータの取得は、現段階ではコスト、時間、労力の点で効率が低く、より簡便に生体の生理状態に関するデータを取得する技術の開発が、基礎生物学のみならずその社会実装を実現する医学、農学においても不可欠である。本研究は、センサー開発においてコスト、操作、そして倫理的な点においてもハードルが低い植物を用いて、現在注目を集めているカーボンナノチューブ（CNT/SWNT）を利用して生理状態を把握する生体センサーを開発することを目指している。2021年度は、まずその観測システムの構築をおこなった。CNT/SWNTを用いて植物体内の活性酸素の変動を観測した報告を参考に、観測システム構築を行なった。これまでに、ほぼ同様のCNT/SWNTを利用した報告例が２報あるが、互いに異なるデータもあり、その検証や改良点の抽出も含めた検証実験との位置付けである。その結果、いずれの報告とも多々で相違が見受けられたものの、タバコ葉において傷害で誘導された活性酸素を観測することに、独自に構築したシステムを利用して成功した。また、CNT/SWNTをDNAで分散させる場合の条件検討も試みた。さらに、新たな物質のセンサー開発のために、生体分子のアプタマーとして報告があるDNAの情報を探索し、それらを合成しセンサー開発を進めた。この他、異なる薄幕を用いた基盤を利用したセンサーの開発についても検討を始めた。
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医療・介護現場での作業負担を軽減するカーボンナノチューブ紡績糸を⽤いた装着型排泄検知ガスセンサー の開発
2021年05月 - 2022年03月
国⽴研究開発法⼈科学技術振興機構 研究成果展開事業 A-STEPトライアウトタイプ
担当区分：研究代表者
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高効率熱電発電を実現するカーボンナノチューブ糸の材料設計・制御技術の開拓
研究課題/領域番号：21H01371 2021年04月 - 2024年03月
日本学術振興会 科学研究費助成事業 基盤研究(B) 基盤研究(B)
林 靖彦
配分額：17810000円 （ 直接経費：13700000円 、 間接経費：4110000円 ）
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ナノ界面における水分子の拘束に注目した人工輸送チャネル膜におけるゲート機能の創出
研究課題/領域番号：20K21120 2020年07月 - 2022年03月
日本学術振興会 科学研究費助成事業 挑戦的研究(萌芽) 挑戦的研究(萌芽)
松本 英俊, 林 靖彦
配分額：6370000円 （ 直接経費：4900000円 、 間接経費：1470000円 ）
本研究では、人工輸送チャネル膜において、外部環境（温度と圧力勾配）をトリガーとする新規なゲート機能の創出を目指し、垂直配向カーボンナノチューブ（CNT）アレイ/高分子複合膜を用いて、種々の温度・圧力勾配条件下で水および溶質の透過実験を行った。透水実験の結果から、温度と圧力勾配の条件設定によって透水流束のON/OFFが可能であること、そして温度および圧力勾配条件はスリップフローの発生の程度に影響を与えることを明らかにし、ナノチャネルにおける透水流束制御の可能性を示した。溶質分子の透過実験では排除率の温度依存性はみられなかった。
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真なる人間支援を目指すポリマー糸/カーボンナノチューブ複合繊維軽量人工筋肉の開発
研究課題/領域番号：19K21946 2019年06月 - 2021年03月
日本学術振興会 科学研究費助成事業 挑戦的研究(萌芽) 挑戦的研究(萌芽)
林 靖彦, 松本 英俊, 西川 亘
配分額：6370000円 （ 直接経費：4900000円 、 間接経費：1470000円 ）
カーボンナノチューブ（CNT）ウエブに電流を印加して発生するジュール熱を使い，エラストマー糸を伸縮させる人工筋肉の実現には，これまでに培ってきた「硬い」アクチュエータ機構の概念は利用できない．このため，やわらかなエラストマーと電気・熱などの外部刺激をどのように複合化するかなど設計・作製について研究を行った．CNTの弾性率がエラストマーに比べ大きく，このためエラストマー糸の延伸が妨げられ，伸縮動作が十分に発揮できない問題が明らかになった．このため，CNTウエブをエラストマー糸に巻き付ける方法を提案し，その作製条件の最適化することで，生体筋やナイロン6,6糸に比べて大きな発生力を実現した．
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低消費電力で大変位・高出力の限界を極める熱刺激型軽量コイルアクチュエータの開発
研究課題/領域番号：19H05332 2019年04月 - 2021年03月
日本学術振興会 科学研究費助成事業 新学術領域研究(研究領域提案型) 新学術領域研究(研究領域提案型)
林 靖彦
配分額：10400000円 （ 直接経費：8000000円 、 間接経費：2400000円 ）
結晶性ポリマー糸材料開発および2層カーボンナノチューブ（DWCNT）繊維のナノ構造制御，そして，ポリマー糸とCNT繊維の複合加工プロセス・形状制御，熱の散逸を抑制しポリマー糸への効率的な熱伝導機構を実現し，発生力と収縮率を向上させ柔軟（しなやか）で強靱性に優れたアクチュエータを開発した．これを実現するため，以下の研究を実施した．
【研究1：低消費電力で大変位・高出力を実現する結晶性ポリマー糸の開発】結晶性ポリマーは，加熱により収縮するエントロピー弾性を示し熱収縮する．マテリアルズ・インフォマティクスの手法を活用し，ポリマー（低密度ポリエチレン）糸作製時に，収縮を担うタイ分子が配向し結晶部間をつなぐ構造をとるポリマー材料を設計・合成技術を開拓した．高角および小角X線散乱による微細構造評価により，伸縮性の大きなポリマー糸の物性を解明した．【研究2：DWCNT糸とポリマー糸の複合化によるソフトアクチュエータ構造の開発】DWCNTに通電して発生する熱を利用して，ポリマー糸の収縮を誘起する．DWCNTの高熱伝導性のため，効率的にポリマー糸へ急速に熱伝導が起こり，高速な運動が可能になった．また，アクチュエータ内部からの急速な放熱の発生で，これまでに実現できていない高速な動作が可能となった．これにより，従来の課題であった消費電力を大幅に低減させることができた．【研究3：複合繊維コイルアクチュエータの物性解明】DWCNTの通電条件を制御し，アクチュエータ温度を室温から100度へ加熱することで，数cmの大変位，生体筋の最大発生力の約4倍を実現した．さらに，温度変化に対する追従性（運動適応能力）が非常に高いことを明らかにした． -
垂直配向カーボンナノチューブ膜を用いた1次元ナノ空間における物質輸送機構の解明
研究課題/領域番号：18K18994 2018年06月 - 2020年03月
日本学術振興会 科学研究費助成事業 挑戦的研究(萌芽) 挑戦的研究(萌芽)
松本 英俊, 林 靖彦
配分額：6370000円 （ 直接経費：4900000円 、 間接経費：1470000円 ）
本研究の目的は、垂直配向カーボンナノチューブ（CNT）/高分子複合膜を用いて、CNT内の水透過挙動に与える温度とCNT長の影響を詳細に調査することによって、CNT内部空間における水輸送メカニズムの解明に挑戦することである。
本年度は、CNT内における水透過挙動の特徴を明らかにするためにCNT内の透水性の温度依存性と水存在状態の関係を調べた。先ず、化学気相成長（CVD）法とフッ素系高分子の気相蒸着重合を用いて、反応試薬と反応条件を詳細に検討することによって化学的安定性に優れた垂直配向CNTアレイ/高分子複合膜を作製することに成功した。得られた複合膜について全量濾過方式のセルを用いて、圧力差0.1 MPa、測定温度=15～45℃の条件下で水および有機溶媒の透過流束を測定した。水は26℃以下では膜を透過せず、透水挙動の温度依存性は36℃付近で活性化エネルギーが変化する挙動を示した。一方比較のために実施した有機溶媒の透過実験では、このような温度依存性は観察されなかった。さらに透水実験後の膜について行った示差走査熱量分析測定から、36℃付近で水の融解ピークが観察された。 -
光と物質の一体的量子動力学が生み出す新しい光誘起協同現象物質開拓への挑戦
研究課題/領域番号：18H05208 2018年04月 - 2023年03月
日本学術振興会 科学研究費助成事業 特別推進研究 特別推進研究
腰原 伸也, 石川 忠彦, 沖本 洋一, 東 正樹, 林 靖彦, 羽田 真毅, 桑原 真人, 宮坂 等, 石原 純夫
配分額：630110000円 （ 直接経費：484700000円 、 間接経費：145410000円 ）
本研究では、物質と光子が一体化した場で極短時間に発現する、光励起特有の新秩序状態(Hidden State)の特性や生成過程を、フェムト秒分光・電子線構造観測手法を用いて解明し、超高速可逆光相換物質の開拓や新奇(光誘起マルチフェロイクス)物質の開拓に挑戦することを目的としている。
本年度は研究初年度であるため、この物質開発に必要不可欠な、30fs超短パルス電子線回折装置のデザインと構築を当初計画通り実施した。電子銃、加速装置、パルス幅圧縮装置やそのRF回路等市販品は皆無なため、全て独自にデザインし導入した。特に後年度実施のパルス圧縮用RF空洞、スピン偏極線源導入に備えた独自デザインチャンバーに、昨今の物質探索面から必要性が急速に増しているTHz域励起光導入を可能とする設計変更を施した。現在真空槽を組み上げ真空度の向上を行っている。さらに超広帯域励起光源(含むTHz域:自作)の構築準備設計も開始した。
観測装置の準備と並行して、超高速光学測定によって超高速光スイッチ・マルチフェロイック物質開拓にとって有望な有機物(複合スピンクロスオーバー系や磁性転移を伴う中性-イオン性転移系)、Co酸化物系に関して（浅香とも密接に薄膜試料準備で連携）、現有のサブピコ秒電子線発生装置を活用して構造変形と光電機能の関連解析に集中的に取り組んだ。この結果、Co系酸化物絶縁体で、巨大光学特性変化を伴う酸素イオンの大規模な光誘起移動現象や強誘電性変化が起きることを発見した。これらの結果は、スピン状態の変化も伴った、光励起状態特有のHidden Stateの出現を強く示唆している。これらの成果は理論解析グループにとっても格好のターゲットであり、データ解釈の物理基本モデルに関して理論との密接な協力を行い、光励起による高スピンポーラロン相出現の可能性の検討など新概念提案に向けた計算を開始した。 -
引張強度6GPaを超える超高強度・超軽量カーボンナノチューブ紡績糸の創製
研究課題/領域番号：18H01708 2018年04月 - 2021年03月
日本学術振興会 科学研究費助成事業 基盤研究(B) 基盤研究(B)
林 靖彦, 鶴田 健二, 羽田 真毅, 西川 亘, 徳永 智春
配分額：17810000円 （ 直接経費：13700000円 、 間接経費：4110000円 ）
本研究では，基板の合成した長尺・高密度の数層カーボンナノチューブ（CNT）フォレスから，乾式で紡績法によりCNT長繊維を作製し，実用上ベンチマークとなる炭素繊維の強度を超える引張強度のCNT長繊維の実現を目指した．室温からCNT合成初期の温度までの触媒金属粒子の形状変化を明らかにし，2層CNTを選択的に合成することが可能となった．そして，真空および極簿エタンガス中でCNT長繊維全体に通電加熱することで，残留するアモルファスカーボンの除去とグラフェンへの構造変化が同時に起こっていることを明らかにした．さらにCNT繊維を一方向に配向させる紡績糸技術により，2.5GPaを超える高強度が実現できた．
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引張強度6GPaを超える超高強度 ・超軽量カーボンナノチューブ 紡績糸の創製
2018年04月 - 2021年03月
文部科学省 科学研究費補助金 基盤研究(B) （一般）
林 靖彦
担当区分：研究代表者 資金種別：競争的資金
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垂直配向カーボンナノチューブ 膜を用いた1次元ナノ空間にお ける物質輸送機構の解明
2018年04月 - 2020年03月
文部科学省 科学研究費補助金 挑戦的研究（ 萌芽）
松本 英俊
資金種別：競争的資金
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2025年に人類が直面する水不足を解決する究極のカーボンナノチューブ分離膜創製
研究課題/領域番号：17K20065 2017年06月 - 2019年03月
日本学術振興会 科学研究費助成事業 挑戦的研究(萌芽) 挑戦的研究(萌芽)
林 靖彦, 松本 英俊, 羽田 真毅, 井上 寛隆, 白濱 志帆, 張 紹玲, 相羽 誉礼
配分額：6370000円 （ 直接経費：4900000円 、 間接経費：1470000円 ）
熱化学気相成長法（熱CVD）により，基板に垂直配向した長尺・高密度二層カーボンナノチューブ（DWCNT）アレーを高速で合成し，炭化水素高分子でコートし，DWCNTのチューブ空間を水流チャネルとする「水処理膜（分離膜）」を作製する．透過型電子顕微鏡からDWCNTの平均チューブ径は3.4nmで，チューブ径の細径化ができた．この膜を全量濾過方式のセルにより透水実験を行い，室温付近では透水性を示さず，温度上昇とともに透水流速が急増する特異的な現象を実験で突き止めた．時分解電線回折装置により水分子薄膜をその場で堆積させるシステムを開発した．
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2025年に人類が直面する水不足 を解決する究極のカーボンナノ チューブ分離膜創製
2017年04月 - 2019年03月
文部科学省 科学研究費補助金 挑戦的研究（ 萌芽）
林 靖彦
担当区分：研究代表者 資金種別：競争的資金
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高強度・高耐食性の実現に向けたマグネシウムとカーボンナノチューブの複合化技術および複合線材の開発
2016年06月 - 2017年03月
国立研究開発法人科学技術振興機構 平成28年度 マッチングプランナープログラム「企業ニーズ解決試験」
林 靖彦
担当区分：研究代表者 資金種別：競争的資金
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研究課題/領域番号：26600045 2014年04月 - 2016年03月
日本学術振興会 科学研究費助成事業 挑戦的萌芽研究 挑戦的萌芽研究
林 靖彦
配分額：3900000円 （ 直接経費：3000000円 、 間接経費：900000円 ）
本研究では，熱化学気相成長法（CVD）により高速に成長した長尺・高密度カーボンナノチューブ（CNT）を成長し，バインダー無しの乾式紡糸で，高強度で高導電率を兼ね備えた連続繊維化可能な超軽量・長距離CNT線材を実現する．
このため，基板温度および炭化水素ガスの導入・流量を最適化し，パーティクルサイズと触媒微粒子の構造を制御することで，紡糸可能な2層CNTの成長割合を高める．また，CNT線材はCNTを束ねたものであり，それぞれのCNTは分子間力で結合しているため，真空チャンバー中で導入するガスや圧力を制御し，CNT線材にバイアスを印加し結合を強固なものにすることで機械的および電気的特性向上を目指す．