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先端素材研究チーム

先端素材研究チームはナノ材料、特にカーボンナノチューブ(CNT)の社会実装を進めるため、先進的な技術開発に取り組んでいます。具体的には、メモリや電池などのデバイス応用に適した CNTの合成・加工技術を、メンバーのナノ材料科学における高井線猛省を画期することで開発しています。このような活動によって基礎科学への貢献と社会課題解決の双方を目指しています。

チーム長ひとこと


Don N. Futaba 先端素材研究チーム長

私たちのチームのホームページへようこそ。各メンバーのユニークな経歴を生かして協力し合い、日々の研究の過程を楽しみながら、新しい技術の進化を目指しています。私の経験では、失敗に対して注意深く観察を続け、多様な知識を持つメンバーと協力して大きな成功につながったことがこれまでに何度もありました。失敗は悪いことではなく、ただ成功が形を変えているだけかもしれないのです。」


研究テーマ一覧(主担当)

①不揮発メモリ用CNT分散液とCNT製膜技術開発 (神徳、桜井、辻、フタバ)
②CNT合成技術開発 (桜井、辻、陳*、フタバ)
③CNTの生分解性の解明、CNTのリスク管理に関する技術の開発 (張)
④DXとナノカーボン分散液開発 (神徳、張)
⑤DXを活用した材料合成技術開発  (桜井、辻、フタバ)
    

研究テーマ紹介

①不揮発メモリ用CNT分散液開発

CNT膜を用いた不揮発性メモリは、低電力かつ高速に繰り返し電気抵抗を制御でき、革新的な省エネルギーを実現する可能性を秘めています。私たちはCNT膜および原料となるCNT分散液(スラリー)の製造技術を確立し、CNT不揮発性メモリの産業化を目指します。そのためには、スラリーの組成やCNT膜の構造を精密に制御すると共に、大面積かつ均一なCNT膜を作製する技術が必要になります。他のチームと協力しながらCNT膜の構造とメモリ特性の関係を明らかにし、メモリデバイスに適したCNTスラリーとCNT膜の製造プロセスを開発します。

②CNT合成技術開発

ア)低コスト単層カーボンナノチューブ量産技術開発
2015年、産総研発の技術であるスーパーグロース法を基盤とした単層CNT商業生産プラントが稼働しました。私たちはさらに次世代の単層CNT量産技術の研究を進め、単層CNTの用途開発と社会実装を促進します。単層CNTの生産コストを従来の炭素材料(活性炭や炭素繊維など)に対抗できるレベルまで下げるため、学術的観点に留まらず生産技術の観点まで含めた様々な課題の解決に取り組んでいます。

イ)単層CNT合成技術の基盤研究
理論計算上では、CNTは全物質中最高クラスの物性(導電性・強度など)を示しますが、現在利用可能な現実の材料が示す特性はそれを大きく下回っています。CNTの結晶性や純度などの構造が最大限に制御された高品質CNTの合成技術を、様々な先進技術を導入して研究しています。


参考文献
[1] Multi-step chemical vapor synthesis reactor based on a microplasma for structure-controlled synthesis of nanomaterials
G. Chen,* T. Tsuji,*J. Kim, H. Sakakita, Y. Shimizu, K. Hata, D.N. Futaba*, S. Sakurai*
Chemical Engineering Journal, 444, 136634–136644, (2022)

[2] A Hydrogen free approach for activating an Fe catalyst using trace amounts of noble metals and confinement into nanoparticles
Shunsuke Sakurai*, Maho Yamada, Jinping He, Kenji Hata, and Don N. Futaba*
J. Physical Chemistry, 13, 7, 1879-1885, (2021)

[3] A mini-microplasma-based synthesis reactor for growing highly crystalline carbon nanotubes
Takashi Tsuji, Yoshiki Shimizu, Jaeho Kim, Hajime Sakakita, Kenji Hata, Don N. Futaba (CA), Shunsuke Sakurai (CA)
Carbon, 173, 448-453 (2021)

[4] Unexpected Efficient Synthesis of Millimeter-Scale Single-Wall Carbon Nanotube Forests Using a Sputtered MgO Catalyst Underlayer Enabled by a Simple Treatment Process
T. Tsuji, K. Hata, D. N. Futaba, S. Sakurai
J. Am. Chem. Soc., 138(51), pp.16608-16611 (2016/12).
[5] Role of Subsurface Diffusion and Oswald Ripening in Catalyst Formation for Single-Walled Carbon Nanotube Forest Growth
S. Sakurai, H. Nishino, D. N. Futaba, S. Yasuda, T. Yamada, A. Maigne, Y. Matsuo, E. Nakamura, M. Yumura, K. Hata
J. Am. Chem. Soc., 134, pp. 2148-2153 (2012).

・“Mutual Exclusivity in the Synthesis of High Crystallinity and High Yield Single-walled carbon nanotubes”
H. Kimura, D. N. Futaba, M. Yumura, K. Hata
J. Am. Chem. Soc., 134, pp. 9219-9223 (2012).

・“Gas Dwell Time Control for Rapid and Long Lifetime Growth of Single-Walled Carbon Nanotube Forests”
S. Yasuda, D. N. Futaba, T. Yamada, M. Yumura, K. Hata
NANO LETTERS, 11 (9), pp.3617-3623.

・“Carbon Nanotubes with Temperature-Invariant Viscoelasticity from -196° to 1000°C”
M. Xu, D. N. Futaba, T. Yamada, M. Yumura, K. Hata
SCIENCE, 330, pp.1364-1368 (2010/12).

・“Exploring Advantages of Diverse Carbon Nanotube Forests with Tailored Structures Synthesized by Supergrowth from Engineered Catalysts”
B. Zhao, D. N. Futaba, S. Yasuda, A. Megumi, T. Yamada, K. Hata
ACS Nano, 3 (1), pp.108-114 (2009/01).

・“Size-selective growth of double-walled carbon nanotube forests from engineered iron catalysts”
T. Yamada, T. Namai, K. Hata, D.N. Futaba, K. Mizuno, J. Fan, M. Yudasaka, M. Yumura, and S. Iijima
Nature Nanotechnol., 1, pp. 131-136 (2006).

・“Water-Assisted Highly Efficient Synthesis of Impurity-Free Single-Walled Carbon Nanotubes”
K. Hata*, D.N. Futaba*, K. Mizuno, T. Namai, M. Yumura, and S. Iijima
SCIENCE, 306, pp. 1362-1364 (2004).

③CNTの生分解性の解明、リスク評価・企業のリスクガバナンス支援

ア)CNTの生分解性の解明
私たちは、細胞内CNTの定量測定に世界に先駆けて成功しており、これを基盤技術としてCNTの安全性評価やバイオ分野での応用開発に取り組んでいます。その一例として、培養された細胞内及びマウスの生体内に取り込まれたCNT量の経時変化を評価することで、CNTの生分解特性を明らかにしました。

イ)CNTのリスク管理に関する技術の開発
CNTの環境中への流出を防ぐ技術は、生態系への影響を回避する観点から極めて重要です。私たちは、環境に優しい次亜塩素酸化合物を用いて、CNTやグラフェンなどのナノカーボン材料を完全に分解できる技術を開発してきました。現在、複数の企業と共同で、工業廃水中のCNTを除去する技術の実用化研究を行っています。

ウ)国際標準化(ISO)プロジェクト
・ISO/TC229 TS 23034 Nanotechnologies ― Method to estimate cellular uptake of carbon nanomaterials by using optical absorption measurement (2021). 出版済み
・ISO/TC229/WG3 ― A Method for the Removal of Carbon Nanomaterials from Wastewater Using Hypochlorite. 審議中


参考文献
[1] Size-Dependent Cell Uptake of Carbon Nanotubes by Macrophages: A Comparative and Quantitative Study
M. Zhang, M. Yang, T. Morimoto, N. Tajima, K. Ichiraku, K. Fujita, S. Iijima, M. Yudasaka, T. Okazaki
Carbon 127 (2018) 93-101.
[2] Hypochlorite Degrades 2D Graphene Oxide Sheets Faster Than 1D Oxidised Carbon Nanotubes and Nanohorns
L. Newman, N. Lozano, M. Zhang, S. Iijima, M. Yudasaka, C. Busy, K. Kostarelos
npj 2D Materials and Applications, 39 (2017)1.
[3] A Simple Method for Removal of Carbon Nanotubes from Wastewater Using Hypochlorite
M. Zhang, Y. Deng, M. Yang, H. Nakajima, M. Yudasaka, S. Iijima, T. Okazaki Scientific reports, 9 (2019) 1248.
[4] Diameter-Dependent Degradation of Eleven Types of Carbon Nanotubes: Safety Implications
M. Zhang, M. Yang, H. Nakajima, M. Yudasaka, S. Iijima, T. Okazaki
ACS Applied Nano Materials, 2 (2019) 4293.
[5] Time-Dependent Degradation of Carbon Nanotubes Correlates with Decreased Reactive Oxygen Species Generation in Macrophages
M. Yang, M. Zhang, H. Nakajima, M. Yudasaka, S. Iijima, T. Okazaki
Int. J. Nanomedicine, 14 (2019) 2797. IF=6.4
[6] Biodegradation of Carbon Nanotubes by Macrophages
M. Yang, M. Zhang, Frontiers in material, 8 (2019) 225.
[7] Clearance of Single-Wall Carbon Nanotubes from the Mouse Lung: A Quantitative Evaluation
M. Zhang, Y. Xu, M. Yang, M. Yudasaka, T. Okazaki
Nanscale Advances, 2 (2020)1551.
[8] Comparative Assessments of The Biodistribution and Toxicity of Oxidized Single-Walled Carbon Nanotubes Dispersed with Two Different Reagents after Intravenous Injection Mouse
M. Zhang, Y. Xu, M. Yang, M. Yudasaka, T. Okazaki
Nanotoxicology, 15 (2021) 798-811.
[9] "Patterning of Graphene Using Wet Etching with Hypochlorite And UV Light," M. Zhang, M. Yang, Y. Okigawa, T. Yamada, H. Nakajima, Y. Iizumi, T. Okazaki. Scientific reports. 12, (2022) 4541.


④DXとナノカーボン分散液開発

人工知能やデータ科学を駆使し、化学処理や分散剤を用いたナノカーボン分散液や、分散液から作製される薄膜や糸などのナノカーボン部材の開発を推進します。材料や目的に応じた最適な分散液組成の提案や、部材の電気的、機械的な特性予測を可能とする人工知能を目指した研究開発に取り組んでいます。

⑤DXを活用した材料合成プロセス開発

人工知能やプロセスインフォマティクスを活用して、カーボンナノチューブを中心とした様々な材料合成プロセスの開発を推進します。一般的に、材料の合成プロセスは多変数からなる複雑なプロセスであるため、人間が探索・最適化できる範囲には限界があります。そこで人工知能や高度計測、実験自動化などの手法を駆使することで、従来の人間に頼った場合と比べてより高度な材料合成プロセスをより高速に開発します。

チームの研究成果(論文、受賞、プレスリリース、など)

論文(2023年)

1)“A Microwave-Assisted, Solvent-Free Approach for the Versatile Functionalization of Carbon Nanotubes”
D. Lin, D. N. Futaba*, K. Kobashi, M. Zhang, S. Muroga, G. Chen, T. Tsuji, K. Hata*
ACS Nano (IF. 18) 2023
2)“Influence of the Chemical Structure of Aromatic Dispersants on the Dispersion of Carbon Nanotubes”
H. Jintoku*, Y. Matsuzawa
Colloids and Surface A: Physicochemical and Engineering Aspects (IF: 5.5)(2023)
3)"Hexagonal Boron Nitride Heterostructures Go Large”
D.N. Futaba
News & Views, Nature Electronics (IF: 33.7) (2023)

受賞(2023年)

ISPlasma/IC-PLANTS2023 AWARD
Best Poster Presentation Awards (Nanomaterials)
受賞者:辻享志主任研究員
受賞題目:High-Density Growth of Highly Crystalline Carbon Nanotubes Enabled by a Microplasma-Based Multi-Step CVD Reactor



チーム沿革

アカデミックの歴史

2022年 ナノカーボンデバイス研究センター発足
先端素材研究チームに神徳さん、張さん、楊さんが新しくメンバーとしてチームに加わりました。ようこそ
 
 メンバーの送別:陳さんと入江さん。長い間お世話になりました!  
高結晶性CNTのための新しいCNT気相合成プロセスに関する論文が掲載されました。
"Multi-step chemical vapor synthesis reactor based on a microplasma for structure-controlled synthesis of nanomaterials," G. Chen,* T. Tsuji,* et al., Chem. Engineer. J. 444 (2022).
2021年 NIMSとの共同研究についての論文が掲載されました!
"Semiconductor nanochannels in metallic carbon nanotubes by thermomechanical chirality alteration," D.-M. Tang et al., Science, 374 (2021)
旧センターでのチーム集合写真  
湯村名誉リサーチャーからセンターへの最終講義の様子
2020年 コロナ時代のセンターの様子。適切な間隔で風通しが良い。  
2019年 スーパーグロースの誕生日(15年)!  
2018年 粘塑性スラリー製造に関する一連の論文を発表。
"A New, General Strategy for Fabricating Highly Concentrated and Viscoplastic Suspensions Based on a Structural Approach to Modulate Interparticle Interactions," S. Sakurai et al., J. Am. Chem. Soc. 140 (2018).
"Carbon nanotubes and related nanomaterials: critical advances and challenges for synthesis toward mainstream commercial applications," Rau et al., ACS Nano, 12 (2018). (citations: 269, WoS)
2017年 CNT合成チーム集合写真  
CNT合成に関するレビュー論文を発表。
"Catalysts for the growth of carbon nanotube "forests" and superaligned arrays," G. Chen et al. MRS Bull., 42 (2017).  
 
2016年 効率的なCNT合成の限界に関する一連の論文を発表。
"Unexpected Efficient Synthesis of Millimeter-Scale Single-Wall Carbon Nanotube Forests Using a Sputtered MgO Catalyst Underlayer Enabled by a Simple Treatment Process," T. Tsuji et al., J. Am. Chem. Soc., 138 (51), (2016).
 
2015年 ナノチューブ実用化研究センター発足。
チーム名は「CNT合成チーム」になりました。
(チーム長:フタバ ドン)
 
GNCプロジェクトで得られた半導体性SWCNTの合成制御に関する一連の論文を発表。
"Breakdown of metallic single-wall carbon nanotube paths by NiO nanoparticle point etching for high performance thin film transistors," S. Li et al., Nanoscale 7, (2015).
"A Phenomenological Model for Selective Growth of Semiconducting Single-Walled Carbon Nanotube Based on Catalyst Deactivation," S. Sakurai et al., Nanoscale, 8 (2), (2016).
 
2014年 スーパーグロースの誕生日(10年)!
CNTフォレストの合成制御や特性評価に関する一連の論文を発表。
"Size-selective growth of double-walled carbon nanotube forests from engineered iron catalysts," T. Yamada, et al., Nature Nanotechnol., 1, (2006). (citations: 317, ISI WoS)
"A Background Level of Oxygen-Containing Aromatics for Synthetic Control of Carbon Nanotube Structure," D.N. Futaba, et al., J. Am. Chem. Soc., 131, (2009).
"Exploring Advantages of Diverse Carbon Nanotube Forests with Tailored Structures Synthesized by Supergrowth from Engineered Catalysts," B. Zhao, et al., ACS Nano, 3 (1), (2009). (citations: 130, ISI WoS)
"A Black Body Absorber from Vertically Aligned Single Walled Carbon Nanotubes," K. Mizuno, et al., Proc. Nat. Academy of Sciences of USA, 106 (15), (2009). (citations: 552, ISI WoS)
"Carbon Nanotubes with Temperature-Invariant Viscoelasticity from -196° to 1000°C," M. Xu, et al., Science, 330, (2010). (citations: 287, ISI WoS)
"Tailoring Temperature Invariant Viscoelasticity of Carbon Nanotube Material," M. Xu, et al., Nano Lett., 11 (8), (2011).
"Carbon Nanotubes with Temperature-Invariant Creep and Creep-Recovery from -190°C to 970°C," M. Xu, et al., Adv. Mater., 23 (32), (2011).
"Alignment Control of Carbon Nanotube Forest from Random to Nearly Perfectly Aligned by Utilizing the Crowding Effect," M. Xu, et al., ACS Nano 6, (2012). (citations: 138, ISI WoS)
"Mutual Exclusivity in the Synthesis of High Crystallinity and High Yield Single-walled carbon nanotubes," H. Kimura, et al., J. Am. Chem. Soc., 134, (2012).
"Absence of an Ideal Single-Walled Carbon Nanotube Forest Structure for Thermal and Electrical Conductivities," G.H. Chen, et al., ACS Nano 7, (2013).
"Diameter and Density Control of Single-Walled Carbon Nanotube Forests by Modulating Ostwald Ripening through Decoupling the Catalyst Formation and Growth Processes," S. Sakurai, et al., Small 9, (2013).
"Diameter control of single-walled carbon nanotube forests from 1.3-3.0 nm by arc plasma deposition," G.H. Chen, et al., Scientific Reports 4, (2014).
 

 2012年 CNT-FEDプロジェクトの成果を公開。
"Carbon Nanotube Loop Arrays for Low-Power, High Uniformity Field Emission with Lifetime over 10,000 hrs," D.N. Futaba et al., Carbon, 50-8, (2012).
 
新チーム「スーパーグロースCNT合成研究チーム」発足
(チーム長:フタバ ドン) 
 
 2011年 CNTスーパーキャパシタに関する一連の論文を発表。
"Ion Diffusion and Electrochemical Capacitance in Aligned and Packed Single-Walled Carbon Nanotubes," A. Izadi-Najafabadi et al., J. Am. Chem. Soc., 132 (51), (2010). (citations: 97, ISI WoS)
"Impact of cell-voltage on energy and power performance of supercapacitors with single-walled carbon nanotube electrodes," A. Izadi-Najafabadi et al., Electrochemistry Commun., 12 (12), (2010). (citations: 522, ISI WoS)
"Compact and Light Supercapacitor Electrodes from a Surface-Only Solid by Opened Carbon Nanotubes with 2200 m2/g Surface Area," T. Hiraoka et al., Adv. Func. Mater., 20, (2010). (citations: 132, ISI WoS)
"High-Power Supercapacitor Electrodes from Single-Walled Carbon Nanohorn/Nanotube Composite," A. Izadi-Najafabadi et al., ACS NANO, 5 (2), (2011). (citations: 194, ISI WoS) 
 
 2010年 CNTの量産化に向けた成長効率向上に関する一連の論文を発表。
"Synthesis of Single- and Double-Walled Carbon Nanotube Forests on Conducting Metal Foils," T. Hiraoka et al., J. Am. Chem. Soc. 128, (2006). (citations: 151, ISI WoS)
"Improved and Large Area Singled-Walled Carbon Nanotube Forest Growth by Controlling the Gas Flow Direction," S. Yasuda et al., ACS Nano, 3 (12), (2009). (citations: 113, ISI WoS)
"Gas Dwell Time Control for Rapid and Long Lifetime Growth of Single-Walled Carbon Nanotube Forests," S. Yasuda et al., NANO Lett, 11 (9), (2011).
"Unexpectedly High Yield Carbon Nanotube Synthesis from Low-Activity Carbon Feedstocks at High Concentrations,"
H. Kimura et al., ACS Nano 7, (2013).
 
 2009年 スーパーグロースCNTチームの合成メンバー集合写真 
液体を用いたCNTフォレストの形状操作に関する研究発表を行った。
"Shape-engineerable and high-densely packed single-walled carbon nanotubes and their applications as super capacitor electrodes," D.N. Futaba et al., Nature Mater., 5, (2006). (citations: 1644, ISI WoS)
"Dual Porosity Single-Walled Carbon Nanotube Material," D.N. Futaba et al., Nano Lett., 9 (9), (2009).
 
 
 2008年 ナノチューブ応用研究センター スーパーグロースCNTチーム発足
(チーム長:畠 賢治) 
 
 2007年 グラム単位で試料提供できる全自動合成装置の稼働を開始しました。   
 2006年 SWCNTフォレスト合成のメカニズムに関する一連の論文を発表。

"Kinetics of Water-Assisted Chemical Vapor Deposition Revealed by a Time Evolution Analysis," D.N. Futaba et al., Phys. Rev. Lett., 95, (2005). (citations: 283, ISI WoS)
"84% Catalyst Activity of Water Assisted Growth, Single Walled Carbon Nanotube Forest Characterization by a Statistical and Macroscopic Approach," D.N. Futaba et al., J Phys. Chem. B, 110, (2006). (citations: 212, ISI WoS)
"Revealing the Secret of Water-Assisted Carbon Nanotube Synthesis by Microscopic Observation of the Interaction of Water on the Catalysts," T. Yamada et al., Nano Lett., 8 (12), (2008). (citations: 175, ISI WoS)
"General Rules Governing the Highly Efficient Growth of Carbon Nanotubes," D.N. Futaba et al., Adv. Mater., 21 (47), (2009). (citations: 89, ISI WoS)
"Role of Subsurface Diffusion and Oswald Ripening in Catalyst Formation for Single-Walled Carbon Nanotube Forest Growth," S. Sakurai et al., J. Am. Chem. Soc., 134, (2012). (citations: 106, ISI WoS)
"The Infinite Possible Growth Ambients that Support Single-Wall Carbon Nanotube Forest Growth," H. Kimura et al., Scientific Reports 3, (2013).
"A sweet spot for highly efficient growth of vertically aligned single-walled carbon nanotube forests enabling their unique structures and properties," G.H. Chen et al., Nanoscale, 8(1), (2016).
 2005年 チーム初の全自動合成装置(F1)稼働開始   
 2004年 超成長CVDプロセスの発明に関する論文が掲載されました!
"Water-Assisted Highly Efficient Synthesis of Impurity-Free Single-Walled Carbon Nanotubes," K. Hata, D.N. Futaba, et al., Science (2004) (citations: 2,194, ISI WoS) 
 
ナノカーボン研究センター ナノカーボンチーム発足
(チーム長:畠 賢治) 
 

企業との共同研究の歴史

2022年 経済産業省未来開拓研究プロジェクト 設立
光に適合したチップ等の高性能化・省エネ化:
「不揮発メモリ開発」
(FY2022‐FY2032)
 
2016年 「日本ゼオン-産総研 カーボンナノチューブ実用化連携研究ラボ」 設立 
(FY2016 – FY2019)
2015年 世界初!
スーパーグロース・カーボンナノチューブの量産工場が稼働
私たちの研究成果が社会実装されました。
2010年 最先端研究開発支援プログラム(FIRST)
「グリーン・ナノエレクトロニクスのコア技術開発」
(FY2010‐FY2014/ 予算: 1.3億円(総:45.8億円)
経済産業省プロジェクト 設立
「低炭素社会を実現する超軽量・高強度融合材料プロジェクト」(TASC)
(FY2010 – FY2014/ 予算: 83.5億円) 
2007年 NEDOプロジェクト 設立
[研究題目]ナノテク・先端部材実用化研究開発(21世紀ナノテクチャレンジプログラム)
カーボンナノチューブFEDによる停電時駆動可能な多機能情報表示装置(FY2007 – FY2010/ 予算: 3000万円)
 
2006年 「カーボンナノチューブキャパシタ開発プロジェクト」
(FY2006‐FY2010/ 予算: 17.48億円)
日本ゼオンと共同でスーパーグロース法に基づく量産技術開発が始まりました。大型装置を搬入の様子(右写真)。

チームの構成メンバー

所属・役職・名前 専門分野 業績
チーム長
Don N. FUTABA
物理-表面科学
主任研究員
張民芳 
ナノ材料科学、物理化学、ナノバイオ科学  バナー画像(220X68) 
主任研究員
桜井俊介
無機化学
主任研究員
神徳啓邦
機能性有機材料、ナノ材料、
分散、分子集合体
主任研究員
辻享志
物理化学
産総研特別研究員
西田宏
 


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