第2回グリーン・シーズ研究会は、東北大学材料科学高等研究所、工藤 朗 助教「光造形3Dプリンティングを用いたカーボンマイクロ構造の作製と応用」です。
現在、人類が直面するエネルギー・環境問題の解決策を考えるにあたって、既存の作製方法にとらわれない新素材の開発は大変重要です。
造形の解像度とスピードのバランスに優れる光造形3Dプリンティング（SLA: Stereolithography Apparatus）は、大学での研究・開発用に近年普及しており、樹脂だけでなく様々な素材を用いてマイクロ構造の作製ができるようになりました。
本講義では、SLAを用いたカーボンマイクロ構造の作製と応用について、軽量・高強度な構造材料と、従来の容量・レート特性を上回る蓄電機能材料としての側面を中心にご紹介します。
新領域創成のための挑戦研究デュオ～Frontier Research in Duo （FRiD）～
工藤 朗 助教は、東北大学が創設した研究プロジェクト「新領域創成のための挑戦研究デュオ～Frontier Research in Duo (FRiD)～」に研究代表者として採択されています。
FRiDの概要
グローバル化の進展や科学技術の加速的進歩により、現代社会は前例のない変化に直面しています。このようなダイナミックな状況のなか、学術領域においても新しい核形成が起こっています。
世界ではEUのHorizon 2020、Horizon Europe等の国際的かつ大規模な共同プロジェクト等が実施されています。
このような時代の変革期において、大学では「既成概念の枠を超えた新たな価値の創造」、「新たな研究領域の創成への挑戦」が強く求められております。
本プロジェクトは、将来、世界を先導する研究フロンティアの開拓・研究領域の創成を力強く推進するため、10～15年後トレンドとなり得る挑戦的研究、または萌芽的なアイデアを生み出すための初期段階にある研究を支援することにより、既成概念にとらわれない新たな価値の創造、新たな研究領域の創成を果たすことを狙いとしています。
この度、2課題が採択されました。いずれの研究課題も分野横断的で、かつ、海外機関の研究者を含む研究体制であることから、将来、国際的なリーダーシップを取る研究となることが期待されます。
本プログラムの支援する国際的な連携により、新たな研究フロンティアの開拓や新たな研究領域の創成が力強く推進されることが期待されます。（以上、東北大学プレスリリースより引用）
採択課題：3Dプリンティングと深層学習を用いた構造 × 蓄電機能複合の実践的研究 ～カーボンマイクロラティスの構造設計とデバイス応用～について
光造形3Dプリンティング(SLA)と真空熱分解で作製されるマイクロ構造炭素材料「カーボンマイクロラティス(CML)」を用いて、構造材料とエネルギー貯蔵材料を複合した構造的バッテリーを実現します。
有限要素法の結果を学習教材とした深層学習アルゴリズムを用いて、荷重を支えながら高速な充放電が可能なラティス構造の最適化を行います。また球面収差補正透過・走査透過電子顕微鏡とin-situ測定により、CMLを構成するアモルファスカーボンの原子構造と、充放電メカニズムを解析します。
最後に、3Dプリンティングの造形自由度を生かしたプロトタイプ構造的バッテリーを作製します。SLA・深層学習・エネルギーデバイスの3つの分野を横断し、CMLによる構造材料と機能材料の複合化という分野を創生します。
研究成果
マイクロラティス構造の利点の⼀つとして、物質輸送の改善があげられます。これは物質や電荷の拡散律速の影響を受けやすいエネルギーデバイスの向上性能において、とりわけ重要な役割を果たすと考えられています。
マイクロラティス化の利点を実証するため、カーボンマイクロラティスを⽤いたスーパーキャパシタを作製しました。カーボンマイクロラティスは⼆酸化炭素で活性化処理することで、3Dプリント由来の規則的なマクロ細孔（孔径~150µm）を維持しつつ梁の内部にナノ細孔（孔径2~3nm）を有する多重細孔炭素電極となります。
これにより従来⽐10倍以上の厚みでも性能を損なうことなく、デバイスの⼩型化・低コスト化、およびエネルギー密度と出⼒密度の両⽅の向上に成功しました。（以上、FRiDサイトより引用）