【連載】TECH-MAG 研究室レポート

「応用物理学科」とはどのような学問なのか教えてください。

当大学の「理学部応用物理学科（2023年4月に先進工学部物理工学科として改組予定）」では、すでにある物質をいかにエレクトロニクスの分野に応用するかを学びます。例えば、物質は超伝導・金属―絶縁体転移・イオン伝導などさまざまな物理現象を起こします。なぜこのような現象が起こるのかを物理的に解明し、この結果を踏まえた上で、デバイスを設計したり、実際の形にしたりします。新しい物質の発見は、いわゆる「化学」の分野が主ですが、「応用物理学」というのは「物質をいかに実社会のデバイスと結びつけるのか」を探求する学問だと私は考えています。

学生の自由な発想が大発見につながった

2020年には「低い温度で作動する固体酸化物燃料電池のための極薄電解質膜の開発」という画期的な発表がありました。

「固体酸化物燃料電池」の固体電解質膜にはセラミックスが使われます。私も従来のセラミックスの膜を用いつつ、700度よりも低い中温域でイオン伝導が高まるような材料開発ができないかを研究していました。しかし、なかなかうまくいかず、個人的にセラミックスを使う研究は限界なのではと感じました。そこで、スパッタ法（物質の原子・分子をアルゴンイオンで励起させて基板上に堆積させる作成手法）を用いて、電解質・電極を全て薄膜化する独自の研究を行うことにしたのです。

私としては、用いる電解質膜を薄くすることで、基板の結晶格子と膜の結晶格子の重なりを利用することで、イオン伝導しやすい結晶空間を制御できると考えていました。実際に、薄膜の結晶格子や酸素欠陥を制御することに成功し、100度以下の低温域で実用水準の高いイオン伝導性を有することを発見しました。

これまでの常識を覆した、新しい発見が得られたのですね。

この成功には裏話があります。私は、電解質・電極を全て薄膜化することで300～500度の温度域である程度発電するのではと想定していましたが、実験を行った学生から「もっと低い温度でもイオン伝導が起きる可能性がある」と報告がありました。実はイオン伝導度を計測するうちに、「どこまで低い温度まで計測できるか、チャレンジしたい」と学生が考えて自主的に常温付近まで下げていたのです。その結果、私の想像を超える低い温度で動作することを確認できました。

私の研究室では、学生に自由に研究してもらっています。若い世代ならではの自由な発想とチャレンジする気持ちに期待しているからです。今回の成功も、学生の自由な考えが大発見につながった好例です。発表後の反響も大きく、あらためてすごいことをやってのけたのだと感じています。

先生は「全固体電池」の研究にも取り組んでいますね。

はい、固体酸化物燃料電池研究の一環として全固体電池の研究も行っています。固体酸化物燃料電池で発電した電気を、全固体リチウム電池に充電するといった「ハイブリッド」な電池が将来的にできないかと考えているからです。

2021年には「全固体電池の出力低下の原因を探る新手法を開発」という発表がありました。

全固体電池の出力低下は、固体電解質/電極界面で生じる抵抗成分（電気二重層）が、大きな要因の1つです。しかしながら、全固体電池に用いる固体電解質膜は、界面抵抗の検出や評価が簡単ではありませんでした。そのため、なかなか研究が進んでいないのです。そこで私たちは、「電界効果トランジスタ」という、電極の間の電流を制御する方式を利用した新しい手法を用いることで、リチウム固体電解質界面での電気二重層の定量評価に成功しました。この手法による新しい発見を用いることで、より高い蓄電性能を有するイオンで電解質膜が生み出せるかもしれません。

燃料電池をエネルギーの新しい選択肢に

先生の研究は、私たちの生活にどのような影響を与えますか？

今作っている燃料電池や全固体リチウムイオン電池は、1cm角の小さなサイズで研究しています。具体的には、スマートフォンなどの携帯電話の電源になるようなサイズです。もし小さなサイズでも高い出力、または蓄電性能を備えることができれば、充電方法や利用時間などがこれまでと大きく変わるかもしれません。例えば、大気中のイオンを取り込んで発電・蓄電するような、「充電しなくてもいいスマートフォン」が実現できるかもしれません。

「燃料電池」は次世代エネルギーとしても期待されています。

家庭用発電に使うような燃料電池は大きなサイズのため、この研究の固体酸化燃料電池を家庭用にするのはまだ先の話になるでしょう。また、現在頼っている原子力や火力発電に変わる代替エネルギーにするのが究極の目標ではあるものの、これもそう簡単に実現できるものではありません。

個人的には、全てを燃料電池に置き換えるのではなく、燃料電池が身近なエネルギー源のひとつになればと考えています。エネルギーの選択肢が増えることで、原子力や火力発電といった自然に影響のある発電への依存が減らせるはずです。

現在の課題はどんなことでしょうか？

現状は既存の電極を用いており、まだ実用レベルではありません。特に電力への変換効率が悪く、100のガスを入れてもイオン化するのは10％程度しかありません。今後は実用化に耐えうるための、より効率の良い電解質/電極界面を設計し、実現することが目標です。そのためには、電気化学の概念だけでなく、半導体物理など基礎的な物理学の概念を駆使することが重要だと考えています。

「いろんなものを吸収してやろう」という気持ちが今につながる

「燃料電池の研究」に着手したきっかけはなんだったのでしょうか？

「燃料電池の研究」をしようと思ったのは、助手時代に、アメリカのローレンス・バークレー国立研究所への研究留学がきっかけです。当時の所長がノーベル物理学受賞者で、後にオバマ政権でエネルギー長官を務めたスティーブン・チューでした。彼が「エネルギー・環境にかかわる研究を推奨する」という方針を打ち出したと聞き、当時、同グループで一緒に研究をしていたジンファ・グオ博士と様々な検討を重ね、環境・エネルギー材料を意識した物質に研究対象をシフトさせました。

大学院生時代は「放射光X線分光を使った物質の電子構造の研究」が専門でしたが、研究対象とする物質は燃料電池に使う「酸化物イオン伝導体」でした。また、大学院で博士号を取得したあと、助手時代に「強誘電体メモリ」や「酸化物薄膜の作製」を研究していたこともあり、この技術や考え方を用いれば、より低い温度で効率的な固体酸化物燃料電池ができるのではと考えました。基礎研究ではなく、現在のようなデバイス研究を意識したのはそれからです。

そもそも理系の道に進んだ理由は？

実は中学時代は、勉強は全くできず、成績も悪かったため、高校へ行くことは考えていませんでした。ただ、周りの同級生が高校進学するということで、私もその場の雰囲気でなんとなく高校受験をしますが、どこも不合格。二次募集の私立高校にやっと拾ってもらえるという状況でした。

当然ながら高校に入ってすぐは勉強はできず、授業は退屈なものでした。高校の1年生の夏ごろに、数学の1次方程式の授業を何気に聞いていたら、ふいに「面白い」と思ったのです。本当になんとなくだったのですが、そこから自分の興味に従って必死に勉強してみると、ものすごく成績が上がりました。

「面白い」と思うだけでなく、行動に移したことで状況が変わったのですね。

別人のように成績が良くなりましたね。成績が良くなったことで、高校の担任の先生に東京理科大学山口短期大学（現・山口東京理科大学）の生産電子工学科への進学を勧められました。この２年間は、電子回路や情報関係の授業が主であったため、物理は教養程度に軽く習っただけでした。入学当初は、すぐに就職するつもりでいましたが、当時、助手として講義や実験を教えられていた岡村総一郎先生（現・東京理科大学理学部応用物理学科教授）の影響を強く受け、自分もこの先生のように、スマートで有能な研究者になりたいという夢を抱くようになりました。進路を決める時期になったころ、進路担当の教授より「物理のほうが向いているのではないか」と言われ、東京理科大学の応用物理学科に編入し、本格的に物理を学ぶことになりました。大学卒業後は、卒業研究の指導教授であった塚本桓世先生の勧めで、そのまま大学院の博士課程まで進み、博士の学位取得後、塚本研究室の助手として研究者の道を歩み始めました。

当時、私自身、将来何がしたい、こんな研究がしたいと考えてはいませんでした。時代背景は違いますが、そういう学生は今でも多いように思います。しかし、興味を持ったこと、面白いと思ったこと、様々な先生から与えられた課題に一生懸命取り組んでいるうちに、自然と自分のやりたいことが見えてくずはずです。その結果として、物理を応用する研究分野に進み、燃料電池の研究をしています。「与えられたものをとにかく頑張る」「いろんなものを吸収してやろう」という気持ちは昔から持っていました。数学・物理・化学の知識だけでなく、歴史や経済などの分野も幅広く、貪欲に学びました。幅広いバックグラウンドが現在の研究でも生きていると感じています。