キーワードは 電気化学 を用いた 材料表面科学
 
水は水素と酸素から成っていますが、水を水素と酸素に熱分解するためには4000℃以上の高温が必要です(水の直接熱分解)。一方、電気化学を用いると、理論分解電圧1.23Vで簡単に水素と酸素に分解することができます(水の電気分解)。このように、電気化学は物質を簡単に変化させる、ものすごいパワーを持っているのです。
 
わたしたちの研究室では、電気化学の力を用いて金属材料表面の微細構造を自由に制御することにより、革新的な特性を生み出す研究開発を進めています。 高額な装置や複雑な手法は必要無く、まるで魔法をかけたかのように 表面を変える すると、これまでに無い 不思議な性質 が現れます。
 
これから、電気化学を用いて新しい材料表面科学の世界を切り開くのは、若いみなさんです。
一緒に、新しい表面を創り出しましょう。
 
材料の表面が変われば、材料の全てが変わる。
 
最近の主要な研究テーマについてご紹介します。
 
 
 
研究紹介の動画(音声有)
※この動画は、オープンキャンパスに参加する高校生用に作成したものです。
 
 
 
 
ポーラスアルミナの電気化学 
ポーラスアルミナ(アルマイト)は、無数のナノスケールの細孔をもつ高アスペクト比の多孔質酸化物材料です。(1)アルミニウムを、(2)電解質水溶液に浸漬して、(3)電解する、ただこれだけのとても簡単な方法により、誰でもポーラスアルミナを作製することができます。近年、アノード酸化における電気化学的条件を最適化すると、細孔が自然に高規則配列する不思議な現象が生じることがわかってきました(自己規則化)。ナノスケールの細孔周期を自由自在に制御した高アスペクト比・自己規則化ポーラスアルミナ形成法を確立し、さまざまなナノデバイスへの応用展開を図っています。
 
 
高アスペクト比・高規則ポーラスアルミナの電子顕微鏡写真
This figure is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License, M. Iwai et al., Sci. Rep., 11, 7240 (2021).

 
【動画】自己規則化ナノ構造が発現する可視光の選択的反射:構造色
 
 
 
 
表面微細構造によって液体の濡れ性を制御する 
材料表面のマイクロ・ナノ構造は、液体の濡れ性、例えば親水性や撥水性にとても強い影響を及ぼしています。電気化学的なプロセスを用いて金属材料表面の微細構造をシングルナノメータースケールで制御し、高速で水が濡れ広がる超親水性、水をよく弾いてすぐに滑り落ちる滑落型超撥水性、水を弾くがとてもよく密着して離れない密着型超撥水性、さらに油をも弾く超撥油性など、材料表面における液体の濡れ性の制御と高度化に挑戦しています。
 
 
【動画】滑落型超撥水性(水を弾いて、よく滑り落ちる)

 
【動画】密着型超撥水性(水を弾くが、よく密着する)

 
水を支えているアルミナナノファイバーの電子顕微鏡写真
 
 
 
 
 
表面ナノ構造を最適設計し、持続可能な材料を創り出す 
私たちの社会ではさまざまな金属材料が用いられていますが、金属材料が錆びる現象(電気化学的な酸化反応:腐食)は自然の摂理で避けようがありません。しかし、材料表面の化学組成やナノ構造を高度に設計することにより、腐食速度を極めて遅くして、長期間メンテナンスする必要の無い金属材料を創り出すことができるかもしれません。何十年、何百年と朽ちることなく安全に使用できる「超」寿命の金属材料を開発し、サステイナブル(持続可能)な社会の構築に資することを目指しています。
 
 
高耐食性不動態皮膜の高分解能電子顕微鏡分析
This figure is licenced under the Creative Commons Attribution 4.0 Licence (CC BY), M. Iwai et al., ECS J. Solid State Sci. Technol., 9, 044004 (2020).

 
従来に比べて10倍以上耐食性をもつ不動態皮膜の電気化学的評価
 
This figure is licenced under the Creative Commons Attribution 4.0 Licence (CC BY), Y. Suzuki et. al., J. Electrochem. Soc., 166, C261 (2019).
 
 
 
 
材料表面から電気を生み出す
酸化物・有機物材料表面に電極を貼り付けて水を滴下すると、電気が流れるミニ発電機の開発に取り組んでいます。街中には莫大な表面をもつ材料がたくさんあります。これらに小さな電極を貼り付けると、雨天時に大量の発電が可能になるかもしれません。私たちの社会のエネルギー源を分散し、さまざまな種類の発電機をミックスして張り巡らすことにより、環境負荷の低減と人類社会の発展の両立を志向しています。
 
 
水が触れると電気が生じる微細水滴発電機
 
 
 
 
 
大学は学びの場です。
学生は教員から学びますが、教員もまた学生から学びます。
 
教員も、学生も、立場は関係無く、
お互いに楽しく学び合いましょう。
お互いに誠実で、真摯であるようにしましょう。
そして、研究活動をとおして、お互いに成長していきましょう。

 

 
 
菊地 竜也(きくち たつや)
 北海道大学大学院工学研究院 材料科学部門 准教授
 北海道大学 産学・地域協働推進機構 准教授 兼任
 
略歴
北海道大学大学院工学研究科分子化学専攻博士課程修了。博士(工学)。日本学術振興会特別研究員(DC1)、株式会社フルヤ金属研究員、北海道大学大学院工学研究科分子化学専攻助手、同工学研究院材料科学部門助教を経て現職。この間、放送大学非常勤講師。
 
趣味
ウイスキーを少々、あてもない散歩、水泳(足を怪我してお休み中)
 
研究室を訪問したい、質問してみたい、など何かございましたら、お気軽に下記までご連絡ください。
e-mail: kikuアットマークeng.hokudai.ac.jp(アットマークを@に変更してください)
 
 
 
 
ここでは、研究室でどのように研究活動を進めていくのか、ご紹介します。 
 
楽しく実験する
どちらかというと、流行は追わない研究を行っています。まずは遊び心で実験して、不思議な現象やこれまでに無い物質を見つけようと研究を進めていきます。小学生が感じる素朴な疑問と遊び心がとても大切だと思っています。研究が思い通りにうまくいかなくても、着眼点を変えると実はとても面白い発見をしているのかもしれません。どんなことが起きるのか、なぜそうなるのか、時間をかけて深く追求するように努めています。

勉強会(ゼミ)に参加する
研究室では、定期的に勉強会(ゼミ)を行っています。最先端の学術論文の研究紹介を行う「雑誌会」、研究の進捗状況を議論する「研究報告会」があります。プレゼン資料の作り方、ディスカッションなど、これからの社会生活にとても重要な要素が詰まっています。 ぜひ積極的に議論に参加してください。研究の議論の場では、教員も学生も関係ありません。ぜひ教員を唸らせてください。
 
学会で研究発表を行う
ある程度の研究成果が出たら、積極的に学会で口頭発表・ポスター発表するようにしています。最近参加している学会は、表面技術協会、日本金属学会、電気化学会、軽金属学会、The Electrochemical Society(アメリカ電気化学会)などです。学生のみなさんが主体的に発表を行い、私は鞄持ちで付いていく場合が多いです。さまざまな先生方から貴重な助言をいただくとともに、他研究者の発表を拝聴し、刺激を受けます。学会中の夜は、なるべく学生のみなさんと一緒に会食してご馳走します。これまでで一番高かった単価は松阪牛? 普段は忙しくてなかなかお互いに他愛もない話をする機会がありませんので、やっぱり旅は楽しいものです。修士課程および博士課程の学生は、平均すると年に2〜4回の学会発表を行い、全国・世界を飛び回っています。
 
学術論文を投稿する
どの学生の研究であっても、可能な限り国際的な学術雑誌に論文を投稿するように努力しています。なかなかうまく採択されないときもありますが、大丈夫、頑張れば最終的には必ず採択されます。一生懸命行った研究が認められて、自分の名前とともに世界中に公表されるのは、とても素晴らしい経験です。ぜひ、研究論文の投稿を目指してください。最近投稿している主な学術雑誌は、表面科学の専門誌であるApplied Surface Science、アメリカ電気化学会のJournal of The Electrochemical Society、国際電気化学会のElectrochimica Actaなどがあります。
 
産学連携を行う
これまではかなり基礎的・学術的な研究を行ってきましたが、十分な学術的知見が蓄積されてきましたので、最近は積極的に産学連携を行うようにしています。北大の産業創出部門:次世代アルミニウムイノベーション推進部門にも参画しています。これまでの基礎研究がさらに発展し、社会の役に立つよう、実用性を提案しています。学生時代から、会社の方と定期的にディスカッションしつつ研究を進めていくのは、大変貴重な経験です。
 
進路
ほとんどの学生は大学院に進学します。これまでに博士課程に進学した学生は全員、日本学術振興会特別研究員や財団の特別奨学生に採用され、返済不要の奨励金や奨学金を毎月支給されるとともに、これとは別に研究資金も受領しながら研究を進めています。もし将来的な希望がありましたら、早めにご相談ください。材料科学専攻は大変就職が強いため、就職先の心配は不要です。大学院修了生はさまざまな業界で活躍しています。
 
 
左から、静岡県浜松市(表面技術協会ARSコンファレンス)、ワシントンDC(アメリカ電気化学会)、ポプラ並木の前で  
 
 
 
 
 
研究室では、学生全員に専用のパソコンおよびモニターを用意しています。Windows/Macどちらも準備できます。
研究室内に5台のWi-Fi6無線LANおよび2台の1000BASE-Tスイッチングハブを増設し、高速のオンライン環境を整えました。
教育・研究活動に使用する各種文房具類も完備しています。

現在は、
博士課程1名、修士課程4名、学部4年生2名(男性4名、女性3名)の計7名の学生とともに研究活動を行っています。
 
 
一緒に、新しい電気化学・材料表面科学の扉を開き、世界と勝負する研究を行いましょう!
 
志ある学生の来研をお待ちしています!
知的探究心の大志を抱け!
 
 
 
 
 
 
研究活動によって得られた成果を、できるだけアウトプットするように心がけています。過去4年間に得られた、学生のみなさんの主要な研究成果をご紹介します。学生の名前を オレンジ色で示しました。学部生・修士・博士関係無く、世界で勝負する研究をどんどん発表していきましょう!
 
原著論文 
  • ・Fabrication of unique porous alumina films with extremely high porosity and an ultra-flat barrier layer by anodizing aluminum in sodium metaborateMana Iwai, Tatsuya Kikuchi, Electrochimica Acta399, 139440 (2021)
  • Self-Ordering of Porous Anodic Alumina Fabricated by Anodizing in Chromic Acid at High Temperature, Tatsuya Kikuchi, Motoki Yamashita, Mana Iwai, Ryosuke O. Suzuki, Journal of The Electrochemical Society, 168, 093501 (2021)
  • ・Self-ordered nanospike porous alumina fabricated under a new regime by an anodizing process in alkaline mediaMana Iwai, Tatsuya Kikuchi, Ryosuke O. Suzuki, Scientific Reports, 11, 7240 (2021)
  • ・Influence of sub-10 nm anodic alumina nanowire morphology formed by two-step anodizing aluminum on water wettability and slipping behavior, Tatsuya Kikuchi, Fumiya Onoda, Mana Iwai, Ryosuke O. Suzuki, Applied Surface Science, 546, 149090 (2021)
  • ・High-speed galvanostatic anodizing without oxide burning using a nanodimpled aluminum surface for nanoporous alumina fabricationMana Iwai, Tatsuya Kikuchi, Ryosuke O. Suzuki, Applied Surface Science, 537, 147852 (2021)
  • ・Anodizing Aluminum and Its Alloys in Etidronic Acid to Enhance Their Corrosion Resistance in a Sodium Chloride Solution, Tatsuya Kikuchi, Yusuke Suzuki, Mana Iwai, Ryosuke O. Suzuki, Journal of The Electrochemical Society, 167, 121502 (2020)
  • ・Initial Structural Changes of Porous Alumina Film via High-Resolution Microscopy ObservationsMana Iwai, Tatsuya Kikuchi, Ryosuke O. Suzuki, ECS Journal of Solid State Science and Technology, 9, 044004 (2020)
  • ・Photoluminescence from Anodic Aluminum Oxide via Etidronic Acid Anodizing and Enhancing the Intensity, Tatsuya Kikuchi, Shunta Akiya, Kaito Kunimoto, Ryosuke O. Suzuki, Shungo Natsui, Materials Transactions, 61, 1130-1137 (2020)
  • ・Fabrication of a Plasma Electrolytic Oxidation/Anodic Aluminum Oxide Multi-Layer Film via One-Step Anodizing Aluminum in Ammonium Carbonate, Tatsuya Kikuchi, Taiki Taniguchi, Ryosuke O. Suzuki, Shungo Natsui, Thin Solid Films, 697, 137799 (2020)
  • ・A superhydrophilic Aluminum Surface with Fast Water Evaporation Based on Anodic Alumina Bundle Structures via Anodizing in Pyrophosphoric AcidDaiki Nakajima, Tatsuya Kikuchi, Taiki Yoshioka, Hisayoshi Matsushima, Mikito Ueda, Ryosuke O. Suzuki, Shungo Natsui, Materials, 12, 3497 (2019)
  • ・Electrochemical and morphological characterization of porous alumina formed by galvanostatic anodizing in etidronic acidMana Iwai, Tatsuya Kikuchi, Ryosuke O. Suzuki, Shungo Natsui, Electrochimica Acta, 320, 134606 (2019)
  • ・Corrosion-Resistant Porous Alumina Formed via Anodizing Aluminum in Etidronic Acid and its Pore-Sealing Behavior in Boiling WaterYusuke Suzuki, Kai Kawahara, Tatsuya Kikuchi, Ryosuke O. Suzuki, Shungo Natsui, Journal of The Electrochemical Society, 166, C261-C269 (2019)
  • ・Fabrication of anodic porous alumina via galvanostatic anodizing in alkaline sodium tetraborate solution and their morphology, Tatsuya Kikuchi, Kaito Kunimoto, Hiroki Ikeda, Daiki Nakajima, Ryosuke O. Suzuki, Shungo Natsui, Journal of Electroanalytical Chemistry, 846, 113152 (2019)
  • ・Nanostructural characterization of ordered gold particle arrays fabricated via aluminum anodizing, sputter coating, and dewettingHiroki Ikeda, Mana Iwai, Daiki Nakajima, Tatsuya Kikuchi, Shungo Natsui, Norihito Sakaguchi, Ryosuke O. Suzuki, Applied Surface Science, 465, 747-753 (2019)
  • ・Advancing and receding contact angle investigations for highly sticky and slippery aluminum surfaces fabricated from nanostructured anodic oxideDaiki Nakajima, Tatsuya Kikuchi, Shungo Natsui, Ryosuke O. Suzuki, RSC Advances, 8, 37315-37323 (2018)
  • ・Mirror-finished superhydrophobic aluminum surfaces modified by anodic alumina nanofibers and self-assembled monolayersDaiki Nakajima, Tatsuya Kikuchi, Shungo Natsui, Ryosuke O. Suzuki, Applied Surface Science, 440, 506-513 (2018)
  • ・Fabrication of ordered submicrometer-scale convex lens array via nanoimprint lithography using an anodized aluminum moldKai Kawahara, Tatsuya Kikuchi, Shungo Natsui, Ryosuke O. Suzuki, Microelectronic Engineering, 185-186, 61-68 (2018)
 
解説論文 
  • ・アルミニウムの陽極酸化によるポーラスアルミナの作製と応用、菊地竜也、岩井愛、電気化学、89,327-333(2021)
  • ・陽極酸化によるアルミニウム表面のナノ構造制御と超親水性・超撥水性の発現、菊地竜也、中島大希近藤龍之介、鈴木亮輔、夏井俊悟、機能材料、40No.624-302020
  • ・アルミニウムのポーラス型アノード酸化皮膜、菊地竜也、岩井愛中島大希、夏井俊悟、鈴木亮輔、表面技術、69、554-561(2018)
  • ・表面ナノ構造に基づく新規機能性アルミニウム材料の開発、菊地竜也、中島大希池田大樹近藤竜之介河原魁國本海斗岩井愛鈴木雄介秋谷俊太竹永章正西長理、夏井俊悟、鈴木亮輔、軽金属、68、211-218(2018)

 

書籍
  • ・陽極酸化による滑落性制御型超撥水・超撥油アルミニウム表面の創製、菊地竜也、小野田文哉近藤龍之介中島大希、鈴木亮輔、夏井俊悟、超撥水・超撥油・滑液性表面の技術(第2巻)、サイエンス&テクノロジー(2021)
  • ・陽極酸化によるアルミニウム表面のナノ構造制御と超親水性・超撥水性の発現、菊地竜也、中島大希近藤龍之介、鈴木亮輔、夏井俊悟、 撥水・撥油・親水性材料の開発動向、シーエムシー出版(2021)
  • ・アノード酸化によるアルミナナノファイバーの作製、 菊地竜也、中島大希、ナノファイバーの製造・加工技術とその応用事例、技術情報協会(2019)
  • ・アノード酸化アルミナナノファイバーによるアルミニウム表面の高速超親水化技術、菊地竜也、中島大希、 超親水・親油性表面の技術、 サイエンス&テクノロジー(2018)