【連載】TECH-MAG 研究室レポート

まず、先生が研究されている全固体電池について教えてください。

全固体電池は、「固体」の電解質を用いたリチウムイオン電池のことです。従来のリチウムイオン電池は液体の電解質を用いており、2種類の電極（+極と－極）と電解質の回路でつなぐことで、この液体電解質の中をリチウムイオンが移動し、充放電が繰り返されます。しかし、液体電解質は液漏れや発火のリスクがあるため、液漏れしない固体電解質を用いる全固体電池が考案されました。現在、多くの研究者が実用化に向けて研究に取り組んでおり、特に日本がリードしている状況です。

全固体電池の技術をヒントにメモリー素子を開発

2019年12月には、全固体電池と同じ構造のメモリー素子の開発も成功されましたが、そもそもなぜ電池がメモリーとして使えるのでしょうか？

元々、電池はメモリーとしての素質を持っています。メモリーは「1」と「0」という2つの値で情報を記憶しますが、電池も充電と放電という2つの状態があります。そのため、充電状態を「1」、放電状態を「0」に対応させるとメモリーとして機能する可能性がありました。

ただ、一般的な電池は容量が大きく、充電(1を記録)と放電(0を記録)に大きなエネルギーを必要とし、メモリーとして使うのは難しかったのです。そこで薄膜の技術を用いて、究極に容量が小さい全固体電池を作れば、充電と放電があっという間に完了し、優れたメモリーになるのでは？と考え、学生らと共に研究した結果、その通りになったのです。

世界初の全く新しいメモリーですが、どのような特徴を持っているのでしょうか？

このメモリー素子は消費エネルギーの低さが大きな特徴で、現在使われているメモリー素子の1/50のエネルギーで動きます。また、一つの素子に低電圧、中電圧、高電圧の異なる電圧状態を記録できることも確認しました。一つの素子に複数の種類の情報を記録することは多値記録と呼ばれ、メモリーの高性能化に必要な要素です。

現在のコンピューターは必要な電力が大きく、例えば、最新のスーパーコンピューターだと約3万世帯分の電力を必要とするものもあります。また、高速で演算させるには多くのメモリーを搭載しないといけませんが、多くなればなるほど発熱し、メモリー自体が熱に耐えきれずに誤動作や破壊が起きてしまいます。

また、新材料を探し出すことにより、社会の役に立てることもモチベーションになります。EU(欧州連合)の報告によると、イノベーションの70％に材料が関わっており、携帯電話も人工知能も、良い材料があったからこそ生まれたのです。私たちの身の回りにはさまざまな材料が応用され、豊かな生活を支えています。

しかし、我々人類が発見した材料は、考え得る材料のほんの一部でしかありません。まだまだ膨大な数の未知材料が眠っています。材料科学、つまり、材料を生み出す「化学」はまさにフロンティア(新天地)。私たちは多次元の宇宙を探検しているようなものです。自分の発見が技術の発展につながると思うと、すごく面白いですよね。

研究に対して困難を感じることはないのでしょうか？

困難に直面することは何度も経験しました。しかし、最終的にはその壁を乗り越えてきました。何か壁にぶつかったときは、別のことに挑戦する「チャンス」だと考えます。

例えば、私が東北大から東工大に移った際、走査型トンネル顕微鏡を使った研究が続けられなくなりました。ただ、ここでがっかりしては駄目で、これは新しいことに取り組むチャンスだと考えました。そこで、AIとロボットを活用した研究に取り組み、結果的に新しい研究を切り拓きつつあります。勇気を持って違うことに取り組むことが重要だと常々感じています。

夢は室温超伝導物質の発見

現状の課題に感じていることと今後の展望を教えてください。

全固体電池でやれることも含め、課題のほとんどはより良い物質を見つけられるかにかかっています。研究段階が抱える根本的な課題は「新しい物質を見つけるスピードが遅いこと」です。現在、社会で解決すべき課題は多数ありますが、多くは新しい物質を「化学」の力を使って発見し、材料として社会で活用することにより解決できます。

そこで、私たちはAIとロボットを使った物質開発に取り組んでいます。例えば、何か物質を作る際は、各種手順を踏んで合成し、評価するという流れで、人の手でこの作業を行ってきました。しかし、そうではなく、AIとロボット、つまりロボット科学者に任せられるところは任すという考えです。人間はより創造的な仕事に集中することにより、新発想の物質や材料を素早く生み出すことが可能になると考えています。

物質や材料の研究速度が上がれば、全固体電池やメモリー素子もより良いものが生まれるかもしれませんね。

人間なら1日に2回しかできない実験でも、ロボット科学者ならその何倍もできます。実験が多くできるとそれだけデータも多く集まり、次にすべきことの予測精度が高まります。人間の経験、勘、知識を、AIとロボットを使って統合する。これからはロボット研究者を用いた新しいアプローチが必要なのです。

先ほど物質や材料開発の世界はフロンティアを探検しているようだと言いましたが、ロボット研究者はそのための探査機といえます。このAIとロボットを用いた材料研究は、現在、我々が世界をリードしていますので、さらなる発展を目指していきたいと考えています。

[研究室オリジナルのAIロボット。さまざまな環境をコントロールしながら効率的に実験が進められる]

先生が研究者として叶えたい夢はどのようなものでしょうか？

私の究極の目標は、学生時代から研究していた「室温超伝導物質」を見つけることです。100％の効率で電気エネルギーを伝えられる超伝導物質が、もし室温で実現すれば多くのエネルギー問題を解決できるでしょう。例えば、太陽電池で発電した電気を遠くまでロスなく送ることができますし、電力を長く貯めることもできるので、非常に性能が高い電池が作れます。

リニアモーターカーも超伝導を用いていますね。

そうですね。現状は冷却しないと超伝導状態を維持できませんが、室温超伝導物質が見つかれば冷却する必要はなくなります。昨年、マイナス10℃程度で超伝導状態になる物質が発見されました。どのような物質が室温超伝導になるのかまったく分かりませんが、これからが楽しみです。実現まではまだまだ時間がかかるかもしれませんが、物質を生み出す「化学」を楽しみつつ、ぜひ発見したいです。

挑戦することだけが自分だけの唯一無二の道を作る

先生が研究の道に進もうと思ったきっかけは何だったのでしょうか？

私が高校生だった1986年に、スイスのミュラー博士とベドノルツ博士が新しい超伝導材料を発見して、1987年にノーベル賞を受賞したことが挙げられます。本当にすごい発見で、刺激を受けました

その後、私は大学で超伝導の研究をし、博士課程修了後も企業で研究開発に従事しましたが、実は30歳まで自分が何をしたいのか分かりませんでした。そこで、研究だけでなく、セールス・マーケティングの仕事にも挑戦したのです。

そうして経験を重ね、さまざまな分野の仕事に取り組むうちに、研究、設計、製造、マーケティング、セールス、アフターサービスまで、ものづくり産業の仕事を俯瞰(ふかん)できるようになりました。それにより、「自分は研究と応用の架け橋になる仕事が一番楽しい」と気付いたのです。では、その仕事ができる場所はどこなのか？と考え、大学に戻りました。それが31歳です。

勇気を持って違うことに取り組んだ結果、自分の進むべき道を見つけることができたのですね。
最後に、研究者に興味がある、研究者を目指したいという学生にメッセージをお願いします。

中学生や高校生で自分の進む道がはっきり見えている人はほとんどいないでしょう。まだ見えていない人はまず、興味があることや気になることにどんどんチャレンジすることをお勧めします。実際に試してみて、楽しかったらその道に進めばいい。「あれをするべきだった」と後悔するのが一番よくない。

また、「自分はこれしかない」と思い込み、一つのことにしか取り組んでいないと、その視点でしか考えられなくなります。他人と違う発想をするためには、別の何かにチャレンジして途方に暮れることが大事です。「異分野すぎて全くわからない……」と途方に暮れるくらいのチャレンジでないと、別の視点が身につきません。そのようなチャレンジこそが学びになり、新しい道を拓く鍵になります。そうして歩んできた道は自分だけの唯一無二のもの。こうして「世界で自分だけにしかできないこと」が生まれると私は思っています。

世界に自分しかできないことがある、人類で初めてのことができるというのが、「研究者ならではで、楽しいところです。大学では、最先端技術だけではなく“未来を切り拓く方法”を、研究を通じて学びます。若い方はいろんなことにチャレンジして、様々な武器を身に着け、それを組み合わせて活用する方法論を学んでほしい。そうして、自分の世界を切り拓けるようになってほしいです。