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機能集積型固体触媒による芳香族化合物の環境調和的な新しい合成・変換技術の開発 【用途例】芳香族化合物は液晶, 香料, 機能性高分子, 染料, 医農薬品, 繊維, 有機ELなど幅広い分野の素材として注目
芳香族化合物は液晶、香料、機能性高分子、染料、医農薬品、繊維、有機ELなど幅広い分野で我々の社会を支え、身の回りの至る所に存在するきわめて重要な化合物群です。芳香族化合物の大量合成では (バルクケミカル合成)、ベンゼンとプロピレンと酸素からフェノールとアセトンを合成するクメン法や、アンモニアを硝酸に変換し硫酸との混酸によりベンゼンをニトロ化した後水素還元してアニリンを合成する手法などが有名ですが、化学工業的に高効率に設計されているものの、多段階合成・多量の試薬・高温/高圧等を必要とするエネルギー多消費型プロセスとなっています。化学反応として本質的に環境負荷が大きいことが原因であるため、環境にやさしい新反応経路を開発して置き換える必要があります。そこで、本研究では、脱水素芳香環形成反応というシクロヘキサノンやシクロヘキサノールといった非芳香族化合物から芳香族化合物を合成する新反応に着目しました。例えば、アンモニアとシクロヘキサノールを基質としたアクセプターレス脱水素芳香環形成反応による選択的な第一級アニリン合成が実現できれば、すでに工業化されているプロセスと組み合わせることで、形式的にベンゼンとアンモニアからアニリンと水素を合成する理想的なプロセスになります。
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ナノシート積層型有機溶剤ナノろ過膜の開発による省エネルギー溶剤回収 【用途例】ナノシート積層膜の産業応用プロセス
化学品製造プロセスにおける有機溶剤等の分離・濃縮において、膜分離法は相変化を伴わない分離法であり、蒸留法と比べて大幅な省エネルギー化が可能です。しかしながら、市販の有機溶剤ナノろ過(organic solvent nanofiltration: OSN)膜は溶剤透過性が不十分であり、そのため現状では普及が進んでいないのが現状です。
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天然由来の細胞構造を利用したスポンジ木材の開発 【用途例】スポンジ木材は建築、家具分野だけではなく、樹脂やゴム等、柔らかい素材が使われる幅広い分野で利用可能
主に建築材や家具材として利用される木材は、密度の高い樹種や、物理的・化学的処理で高密度化した木質材料など、力学的強度に優れたものが一般に高品質とされています。これらの木材は、世界的な資源の枯渇や生産エネルギーコストが高く、利用が難しくなっています。今回開発した素材は、一般には価値が低いとされる低密度材を使って、非常に簡便な処理で木材をスポンジ状態まで柔らかくすることが可能です。処理条件や使用する樹種によって柔らかさを調整できる可能性があり、幅広い用途が期待できます。
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ＣＣＵＳ機能を有する革新的バイオマス処理型電気バイオリファイナリープロセスの開発 【用途例】廃水処理システムへの適用による廃水の有価物変換システム化
革新的廃棄物系バイオマス処理用「電気バイオリファイナリープロセス」の確立と社会実装を目指すそのシステムの構築を目的としています。この技術は２０５０年カーボンニュートラル達成に大きく寄与することが期待されます。プロセスの構成原理は、ゲノム編集を行った微生物を利用した「カーボンネガティブなCO2固定」と「固定に必要なエネルギー生成」応用微生物共役系です。研究成果として、エネルギー自立型CO2無排出廃水処理・有価物生産プロセスが確立されます。本事業のマッチングサポート期間では、利用する微生物のゲノム編集等の技術等によるその特性の向上・システムの最適化を行うとともに、研究成果の社会実装を目指した共同研究を行う企業とのマッチング形成を図っていきたいです。
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スマートフォン、ピークシフト、混雑回避、サステナビリティ、屋内測位、ナッジ 【用途例】不特定多数が利用し、かつ、需要が集中しやすい施設でのピークシフトによるサステナビリティ向上
少子化・超高齢化の進んだ我が国では、国内の生産活動を中心となって支える生産年齢人口比率が減少の一途を辿っています。そのため、増加し続ける高齢者層に対する様々な支援（介護、送迎など）を少ない生産年齢者層が担わなくてはならず、生産年齢者層が本来行うべき生産活動への影響が懸念されます。現在、生産年齢人口比率低下への対策例として、自動化システム、ロボット、AI（人工知能）、DX（デジタルトランスフォーメーション）などの導入が進められていますが、今後、我が国における生産年齢人口比率がさらに低下することに鑑みると、これまで以上の対策が必要になると考えられます。本研究開発では、生産年齢人口比率がさらに低下する将来を見据えて、利用者の需要が集中しやすい施設を対象として、時間的かつ空間的なピークシフトに自然と誘導できるようなシステムを実現します。本システムにより、利用者側の需要を分散させることで、スタッフ配置の最適化・経費削減に加えて、ピーク需要に合わせた施設側への多大な設備投資（建造物、設置機器など）の削減、さらには我が国の抱える問題の一つであるサステナビリティ（持続可能性）の向上を目指します。
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減圧マイクロ波乾燥によるコオロギ粉末の高品質化と有用成分の探索 【用途例】食品・農業・ヘルスケア分野で昆虫素材の利用可能性を開拓する
世界的な人口増に伴い増大するタンパク質需要への対応として、代替タンパク質の普及は喫緊の課題とされています。なかでも、昆虫は低コスト・高効率でタンパク質生産ができる素材と考えられ、現在、世界各国で利用の検討が進められています。しかしながら、コオロギなどの昆虫は独特の風味を持ち、食品として用いる場合にその用途が限られているのが現状です。このことは、他の素材を活かした食品や、昆虫素材を高濃度配合したタンパク質源の開発において、大きな課題となっています。消費者が、昆虫を自然に食卓に並べ、抵抗感なく食べるためには、味や香りの改善が求められます。私たちの研究チームでは、このような風味の原因となる物質を分析し、風味改善に有効な生産・加工技術の開発を進めています。検討技術の一つとして減圧マイクロ波加熱を用い、高品質なコオロギパウダーの加工を目指しています。また、同時にコオロギ由来のエッセンシャルオイルの抽出も試み、その中に含まれる有用成分の探索も行っています。
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赤潮原因藻類を自動計数できるシステムの構築 【用途例】「自動藻類識別・計測システム」で赤潮から海を守る
2021年10月北海道の太平洋沿岸で赤潮が発生し、壊滅的な被害をもたらしたことは記憶に新しいですが、赤潮被害は継続的に世界で発生しており、有害な赤潮原因藻類は常にモニタリングの対象となっています。しかし、藻類の識別作業の基準は各個人の記憶を頼りにしており、熟練の専門家でなければ難しく、初心者の場合は識別精度の低下・作業時間の長期化等の問題が発生しています。本研究開発では、赤潮モニタリング作業をAIシステムによる作業へ切り替えることで、作業の品質向上、時間の短縮を図ると共に経験の差による精度・作業時間のばらつきの解消を実現することを目的としています。AIシステムには物体検出アルゴリズムを適用し、藻類の自動識別及び計数が可能となる想定です。
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経皮感作予防を目的としたアレルゲン遮蔽装具および繊維素材 【用途例】効率的にアレルゲンから皮膚を守る
食物アレルギーの発端であるアレルゲンが体内に侵入して最初の免疫反応を生じる“感作”は経皮的に生じることから、食物に触れる機会の多い食産業従事者は食物アレルギーのハイリスク群と考えられ、実際に症例報告もあります。この“職業性食物アレルギー”の存在は食産業従事者の健康だけでなく就労の継続の観点からも問題視されます。食糧確保は人が生きていくうえで必須であり、食産業従事者の健康と仕事を守るため、食物アレルギーを予防する技術・方法が必要です。私はアレルゲンから皮膚を守るための方法として適切な素材を用いた装具の開発および職業性食物アレルギーの啓蒙とアレルゲン曝露防止方法の普及によって、食物アレルギー患者を減らしたいと考えています。
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次世代エレクトロニクス技術へ貢献するための大気圧プラズマを用いた新たな電気接合技術 【用途例】表面処理・接合技術・ナノ粒子修飾を大気圧プラズマにより簡便に，短時間に
従来のウェアラブルエレクトロニクスの電気接合は，紫外光などで簡便に接合ができる一方，接合するための導電性接着剤の電気抵抗が大きいため，機器の小型・軽量化の妨げにつながります．一般的に電気抵抗の小さな接着剤は加熱処理が必要ですが，ウェアラブルエレクトロニクスに用いられる有機材料を加熱することが難しいことが課題の一つです．この課題を解決するために，化学反応性の高い大気圧プラズマを用いて，加熱フリーな導電性接着剤の接着法の開拓を行います．
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単一細胞とナノリットル溶液を操作するマルチピペットアレイの開発 【用途例】マルチピペットアレイ開発によるハイスループット実験の実現
単一細胞解析技術は、単一細胞レベルでの遺伝子発現やそれを制御するメカニズムをDNAレベルで詳細に解析する技術です。単一細胞解析市場は成長を続けていて、主な要因は製薬・バイオテクノロジー業界における研究開発の増加、個別化医療への注目の高まり、幹細胞研究の成長、がんの有病率の上昇などです。単一細胞解析製品のコストが高く、単一細胞解析市場の成長を阻害する大きな要因となっています。ここでより低コスト、容易に単一細胞を扱うツールを開発し、細胞治療につながる細胞間相互作用を調査します。
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金属スクラップのリサイクル促進を志向した，錯体混合溶液による溶液溶射技術 【用途例】機械・インフラ分野での耐食性・耐摩耗性皮膜を，環境負荷を低減しつつ安価に製造できる溶射技術を実現したい．
工業製品の耐食性と比強度を高めるため，チタン合金の使用は増加している。一方で，鉄鋼材料に比して，チタンおよびチタン合金のリサイクル方法は未成熟である。酸化チタン皮膜の安価な製造法として，かつチタン材料の新たなリサイクル法として，チタン切削屑から酸化チタン原料を得て，溶射原料として活用することが考えられる。提案技術は，工業的にスケールアップが容易な溶射を活用するため，酸化チタン皮膜の安価な製造法としても展開できる。
これまでに，溶液プラズマ溶射法（SPPS）によるリン酸カルシウムや酸化チタン皮膜の製造に成功している．また，酸化チタン皮膜は光触媒特性を示し，特に可視LEDによる抗菌性を発揮するなど，耐食性・耐摩耗性のみならず機能性材料としても使用しうることが見出されている．
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持続可能な環境保全に貢献する新規アンチエイジング化粧品素材の開発 【用途例】アンチエイジング作用を持つ化粧品や健康食品の新規素材として利用
薬用として使用されている素材のほとんどは中国からの輸入に頼り、国内ではハトムギ、センキュウやアロエの生産はおこなわれているが、確保できる土地、環境や気候条件もあり全体でみると約12%にとどまっている。一方で我が国は四方を海で囲まれ豊富な海洋資源に恵まれている。そこでこの利点を生かし、海水で栽培することができる海藻から有用な素材を創出することで100 %国産の機能性素材を開発する。また本開発で用いる海藻は増殖が早く、新たに増加した炭素化合物の炭素はCO2由来であることが確かめられており、海藻の利用価値を創出してその栽培を拡大することでカーボンニュートラルな社会の実現に貢献したい。
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高性能と長時間運転の両立実現を目指すSOFCアノードへ添加する酸化物助触媒研究 【用途例】水素社会をリードする次世代エネルギーデバイスSOFCを開発
SOFCの性能と安定性の両立のために、安定性確保のための組成であるNiO: YSZ 重量比=4:1にアノードの反応活性助触媒を添加し、少ない3相界面数でも活性を高めることで性能を向上させSOFCのトレードオフ解消を目指した。アノード層中で起こるアノード反応(H2 + O2- => H2O +2e– )で律速となるのがZrO2表面の酸化物イオン伝導であると報告されているので、ZrO2表面で酸化物イオンが高速に移動する領域を助触媒添加で「活性サイト」として形成することが出来れば性能向上につながると考えた。活性サイトは助触媒酸化物とアノード構成材料のZrO2表面に電極焼き付け時と還元処理中に形成されると考えている。ZrO2表面の結晶構造に助触媒の構成元素が一部拡散しそれに伴いZrO2表面の欠陥構造を変化させることで活性サイトとして振る舞う。なお、助触媒にはブラウンミラライト型構造を有する酸化物を電極反応活性助触媒として採用した。
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ペルフルオロアルカンスルホン酸の新しい利用法 【用途例】フッ素資源の効率的な利用
身の回りには数多くのフッ素化合物が存在しており，みなさんの生活に欠かせない存在となっています。これはフッ素が他の元素，例えば有機化学の主役である炭素と強い化学結合を形成する特徴があるため，フッ素を含む化合物は，耐熱性や耐薬品性などの様々な特性を有します。そのため，様々な分野で使用されてきました。
ペルフルオロアルカンスルホン酸の1つであるペルフルオロオクタンスルホン酸（PFOS）は，耐熱性，耐薬品性に優れた界面活性剤であり，泡消火剤の有効成分として広く普及していました。PFOSは開発当初は無害であると考えられていましたが，強い化学結合が仇となり，蓄積性が問題となりました。現在，PFOSは残留性有機汚染物質に関するストックホルム条約(POPs条約)の附属書B(制限)に記載され，国際的に製造・使用が制限されています。しかし，いまだ未処理の泡消火剤等が多く存在します。これは，単なる焼却しか処理方法がないことに起因しています。そこで，有機化学の力を使って，PFOS化学的に分解するだけでなく，新しい有用な分子へと変換することを目指します。
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形状制約のない力学的異方性材料の簡易な弾性定数計測手法の開発 【用途例】「新規開発材料の基礎特性評価」や「製品の工程管理・品質検査・品質改善」に活用
例えば、航空機、自動車、鉄道などの安全性についての開発は、変形や振動現象を論理的に解明し機体・車体構造を検討することにより進められています。弾性定数は上述した数値シミュレーションに必須な入力値であるとともに、解析精度に最も影響を与える材料物性の一つです。これまでの弾性定数の計測には、シンプルな形状かつ力学的等方性材料に対しては機械的試験法が用いられており、力学的異方性材料に対しては複数の異なる機械的試験法が用いられております。しかしながら、3次元かつ複雑な構造に加えて、力学的異方性材料に対しては従来の機械的試験法の適用は困難です。
本研究では、固体材料の共鳴振動現象を利用した超音波共鳴法を用いることで「形状制約のない力学的異方性材料の簡易な弾性定数計測手法」を開発することを目指しています。さらに、計測した弾性定数が機械的試験法で測定される標準偏差に収まる測定精度を実現することを目標としています。
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