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東北大学（杉本諭教授）と東芝の研究グループは2月24日、電気自動車などに使用する小型モーター向けとして、高性能で安価に生産が可能な等方性ボンド磁石を開発したと発表した。レアアースの使用量はネオジムボンド磁石の約半分でありながら、性能は同等。耐熱性はネオジムボンド磁石よりも高い。

等方性とは、全方位に磁力が均一な磁石のこと。ボンド磁石とは、磁石粉末を樹脂やゴムに混ぜて成形した磁石のことをいう。そのため等方性ボンド磁石は、着磁方向が自由に選べ、形状の自由度や寸法精度が高く、製造工程が簡略で生産性が高いといった特徴を持つ。研究グループが開発した磁石も、これらの利点を備えている。

日本の総消費電力の過半数は、モーターが占めているといわれている（産総研「次世代自動車向け高効率モーター用磁性材料技術開発」）。一般にモーターの効率は、磁石の性能が上がれば高くなる。その要になるのがレアアースを使用した強力な磁石だ。現在、そのレアアースとして使われているのはネオジムが圧倒的に多いのだが、それは特定国からの輸入依存度が高く、資源リスクが心配されている。そこで研究グループは、ネオジムを採掘する際の副産物であり、余剰資源となっているサマリウムに着目し、ネオジムへの依存度を減らす研究に取り組んだ。

研究グループが開発したサマリウムを使った等方性ボンド磁石の製造方法は、サマリウムと鉄に、適正な量のコバルト、ニオブ、ホウ素を加えた合金を溶解した後、急冷凝固させ、適切な熱処理を行うことで「高鉄濃度な化合物結晶の境目にニオブとホウ素を濃縮させる」というものだ。これにより、従来のネオジム合金に含まれるネオジムの量が13原子％なのに対して、このサマリウム鉄系合金に含まれるサマリウムは6原子％と、レアアースの量は約半分となった。永久磁石の単位体積あたりの磁気エネルギーを示す磁束密度と磁界の積の最大値、最大エネルギー積は、摂氏20度で98kJ/m³と、ネオジムボンド磁石と同等だった。永久磁石の強度を示す残留磁束密度も摂氏20度で0.82テスラと、これもネオジムボンド磁石と同等だった。さらに、摂氏1度あたりの残留磁束密度の低下率は0.06％とネオジムボンド磁石の半分で、高い耐熱性が示された。

余剰資源として今後も増え続けるであろうサマリウムを利用することに加え、使用するレアアースの量を半分にできるこの技術は、「資源リスクの低減と各種モーターのサプライチェーンの強靭化に貢献します」と研究グループは話す。今後は、磁石メーカーと連携し、量産化を見据えた低コストで安定した生産技術の開発を進め、さらなる性能向上を目指すとしている。また同磁石を各種モーター製品に適用していくためのモーター設計の最適化についても検討する予定。

東北大学（杉本諭教授）と東芝の研究グループは2月24日、電気自動車などに使用する小型モーター向けとして、高性能で安価に生産が可能な等方性ボンド磁石を開発したと発表した。レアアースの使用量はネオジムボンド磁石の約半分でありながら、性能は同等。耐熱性はネオジムボンド磁石よりも高い。

等方性とは、全方位に磁力が均一な磁石のこと。ボンド磁石とは、磁石粉末を樹脂やゴムに混ぜて成形した磁石のことをいう。そのため等方性ボンド磁石は、着磁方向が自由に選べ、形状の自由度や寸法精度が高く、製造工程が簡略で生産性が高いといった特徴を持つ。研究グループが開発した磁石も、これらの利点を備えている。

日本の総消費電力の過半数は、モーターが占めているといわれている（産総研「次世代自動車向け高効率モーター用磁性材料技術開発」）。一般にモーターの効率は、磁石の性能が上がれば高くなる。その要になるのがレアアースを使用した強力な磁石だ。現在、そのレアアースとして使われているのはネオジムが圧倒的に多いのだが、それは特定国からの輸入依存度が高く、資源リスクが心配されている。そこで研究グループは、ネオジムを採掘する際の副産物であり、余剰資源となっているサマリウムに着目し、ネオジムへの依存度を減らす研究に取り組んだ。

研究グループが開発したサマリウムを使った等方性ボンド磁石の製造方法は、サマリウムと鉄に、適正な量のコバルト、ニオブ、ホウ素を加えた合金を溶解した後、急冷凝固させ、適切な熱処理を行うことで「高鉄濃度な化合物結晶の境目にニオブとホウ素を濃縮させる」というものだ。これにより、従来のネオジム合金に含まれるネオジムの量が13原子％なのに対して、このサマリウム鉄系合金に含まれるサマリウムは6原子％と、レアアースの量は約半分となった。永久磁石の単位体積あたりの磁気エネルギーを示す磁束密度と磁界の積の最大値、最大エネルギー積は、摂氏20度で98kJ/m³と、ネオジムボンド磁石と同等だった。永久磁石の強度を示す残留磁束密度も摂氏20度で0.82テスラと、これもネオジムボンド磁石と同等だった。さらに、摂氏1度あたりの残留磁束密度の低下率は0.06％とネオジムボンド磁石の半分で、高い耐熱性が示された。

余剰資源として今後も増え続けるであろうサマリウムを利用することに加え、使用するレアアースの量を半分にできるこの技術は、「資源リスクの低減と各種モーターのサプライチェーンの強靭化に貢献します」と研究グループは話す。今後は、磁石メーカーと連携し、量産化を見据えた低コストで安定した生産技術の開発を進め、さらなる性能向上を目指すとしている。また同磁石を各種モーター製品に適用していくためのモーター設計の最適化についても検討する予定。

東北大学は2月14日、超高齢化社会を担う介護ロボット機器やシステムの研究開発拠点となる「青葉山リビングラボ」を、東北大学青葉山キャンパスに開設したことを発表した。ここでは、2050年の未来を想定した画期的なアプローチと、近い将来に適用できる現実的なソリューションの両方を見据えた研究が行われる。2月21日にオンライン開催される第1回「東北Kaigo-Tech実践研究会」で正式公開される予定。

「リビングラボ」とは、厚生労働省の「介護ロボットの開発・実証・普及のプラットフォーム事業」に参画する研究所のことで、現在青葉山リビングラボを含めて全国に8カ所が存在している。実際の生活空間を再現し、利用者が参加する形で新しい技術やサービスの開発を行う施設のことをいう。

青葉山リビングラボでは、250m²のスペースに介護施設と在宅介護の模擬環境を作り、3次元モーションキャプチャーシステム、床反力計測用フォースプレート、6軸力学センサー、環境認識用センサーなどの計測機器に、転倒衝撃を軽減する寄り添いロボット、ロボットアシストウォーカー、移乗サポートロボットなどの介護ロボットや介護装をが配備している。

これは、東北大学大学院工学研究科の平田泰久教授がプロジェクトマネージャーを務める科学技術振興機構「ムーンショット型研究開発事業」のうち、目標3の研究開発プロジェクト「活力ある社会を創る適応自在AIロボット群」が2050年に実現を目指す、誰もが積極的に社会参画できる社会の構築を支援するものだ。また同時に、2030年をめどとして、AIロボット群が人に寄り添う支援やサービスの介護現場での実証も目指している。

青葉山リビングラボでは、2050年に活用が期待される画期的なアプローチと、近い将来の実用化、市販化を見据えた研究開発、またそのスピンアウトや開発企業の支援とを両輪として、超高齢者社会の課題解決に取り組んでゆくとしている。

（a）1nm以下のギャップを有する電極を単一H₂O@C₆₀分子に形成し、さらにゲート電極も備えた単一分子トランジスタ構造（single molecule transistor。SMT）の概念図。（b）水分子の模式図。2個の水素原子が持つ核スピンの向きにより、オルソ水分子（左）とパラ水分子（右）の2つの核スピン異性体がある

東京大学、京都大学、東北大学からなる研究グループは、1個の水分子を流れる電流を計測することで、水分子の量子力学的な回転運動を検出することに成功した。これは、1個の原子が持つ量子状態を情報の媒体とする、つまり1個の原子や分子に量子情報を担わせる、量子情報処理の基盤技術につながるものと期待される。

水分子（H₂O）は、その単純な構造から量子技術への応用に適しているとされている。しかし、水分子同士の強い水素結合により、単一の分子の量子状態を測定するのが困難だった。そこで研究グループは、フラーレン（炭素原子が球状構造になったカゴ状の化合物）分子に水分子を1個だけ封じ込めたH₂O@C₆₀分子を使用し、分子1個分の隙間をあけた電極にこのH₂O@C₆₀を挟み、「H₂O@C₆₀単一分子トランジスタ構造」を形成した。そして、そこを流れるトンネル電流を計測すると、1個の水分子の量子力学的な回転運動を検出することができた。

水分子に含まれる２つの水素原子の回転運動（核スピン）には、同じ方向に回転する平行状態（オルソ）と、違う方向に回転する反平行状態（パラ）とがある。H₂O@C₆₀単一分子トランジスタ構造で、水分子を経由して流れる電流を測定したところ、オルソのときに２meV（ミリ電子ボルト）と7meVで励起が生じ、パラとのきに５meVの励起が生じた。また、オルソとパラは、測定中の短い時間内にも入れ替われることがわかり、それは伝導電子と水分子の相互作用によるものと考えられるという。つまり、単一分子を経由して流れる電流を計測することで、水分子の水素原子の核スピンに関する情報を読み出すことができたということだ。

これを利用すれば、1個の水分子に量子情報を担わせることが可能になり、量子情報処理の基盤技術の形成につながる。このことは「原子や分子を用いた量子情報処理技術に大きな進展をもたらすとともに、物理、化学、生物学、薬学などの基礎から応用に関わる広い分野に大きな発展をもたらすと期待されます」と研究グループは話している。

東北大学は1月5日、アインシュタインが生涯で唯一かかわった実験で発見された磁気回転効果が、ナノモーターの動作原理に利用できることを量子論によって解明したと発表した。カーボンナノチューブと強磁性電極のハイブリッド構造で、ナノモーターの実現を目指すとしている。

ナノモーター（ナノ回転子）とは、電気モーターのように軸が回転するナノサイズの機構のこと。2層のカーボンナノチューブの外側のナノチューブを軸受けに、内側のナノチューブを軸にして回転させることでナノモーターを作る方法は以前から提案されていたが、その駆動方法については研究が進んでいなかった。そこで東北大学大学院理学研究科の泉田渉助教らによる研究グループは、磁気回転効果に着目した。

磁気回転効果は、20世紀初頭アインシュタインらにより検証・発見されたもので、磁石の磁気量を変えると、その変化量に応じて回転運動が生じるという現象。古典物理学では説明がつかず、後に量子論によって解明され、さらにそこから、電子には「スピン」という角運動量（回転の方向と大きさを表す量）があることがわかった。つまり電子は自転ができるということだ。量子力学的には、磁気回転効果は「電子の持つミクロな角運動量であるスピンと、マクロな物体の回転運動が相互変換される現象」となる。研究グループが提案したのは、2層構造のカーボンナノチューブと強磁性金属の電極を組み合わせ、電流を使ってスピンを回転運動に連続的に変換するという構造だ。

この機構は、ナノスケールの電気機械を回転駆動させるものだが、カーボンナノチューブだけでなく、小さな物体を回転させる技術に広く応用できるという。研究グループには、明治大学理工学部の奥山倫助教、仙台高等専門学校総合工学科の佐藤健太郎准教授、東京大学物性研究所の加藤岳生准教授、中国科学院大学カブリ理論科学研究所の松尾衛准教授が参加している。

チームフロー時の中側頭皮質のベータ、ガンマ帯域の脳波。脳波解析の結果、チームフロー時に左側頭葉が特異的に活性化することがわかった

豊橋技術科学大学は10月6日、スポーツチームなど、複数の人間が協調して「ゾーン」（極度の集中状態）に入り、チームとして特別に高いパフォーマンスを発揮する「チームフロー」に関係する脳波と脳の領域を発見したことを発表した。チームフロー時の心理状態を客観的に研究する世界初の試みということだ。

これは、豊橋技術科学大学エレクトロニクス先端融合研究所モハンマド・シェハタ（Mohammad Shehata）准教授が率いる研究チームと、カリフォルニア工科大学、東北大学の研究者との共同研究によるもの。チームフロー状態を調べるには、その状態を研究室で再現し、客観的に測定する必要があるが、それが長年の課題だった。研究チームは、それを可能にする方法を発見し、世界で初めてチームフローの神経科学的な証拠を明らかにした。

研究では、チームフローの状態を測定するために、チームフローではない状態も再現して、これらと比較した。被験者に2人1組で音楽ゲームをプレイしてもらい、通常のチームフローの状態、仕切りで互いの顔を見えなくしたソロフローの状態、音楽を編集してランダムな音列にしてフローになれないようにしたチームワークの状態をそれぞれ再現し、実験後、被験者に質問に答えてもらってフロー状態のレベルを評価した。

その結果、チームフロー状態のとき、中側頭皮質でベータ波とガンマ波が増加していることがわかった。またチームフロー状態では、通常のチームワーク状態に比べて、チームメイトの脳活動がより強く同期することもわかった。

研究チームは、この研究を「ビジネス、スポーツ、音楽、舞台芸術、ゲーム、エンターテインメントなど、人のパフォーマンスや喜びが重要な分野において、脳神経モデルに基づいたより効果的なチームビルディング戦略に活用できる方法論を提供するもの」だとしている。

今後は政府機関や産業界と協力して、チームのパフォーマンスのモニターや強化、効果的なチーム構築に、この研究を役立ててゆくという。また、「楽しさを維持しながらパフォーマンスを向上させることは、うつ病やパニック障害、不安症の発生率を低減するなど、生活の質の向上につながる可能性があります」とも話している。

東北大学多元物質科学研究所は、9月27日、コバルトを使わないリチウムイオン電池の正極「LiNi_0.5Mn_1.5O₄」（リチウムニッケルマンガン酸化物：LNMO）の高電圧動作に成功したことを発表した。政治的にもリスクの高いコバルトのサプライチェーンの回避や、5ボルト級リチウムイオン電池、全固体電池の高エネルギー密度化などが期待される。

リチウムイオン電池の電極にはコバルトが使われている。しかし、世界のコバルト鉱石生産量のうち半分以上を、政情不安定なコンゴ民主共和国1国が占めている。また、コバルト冶金の生産は世界の6割以上を中国が占めている。そのため、将来EVの生産量が急増したり、国際情勢が変化したときなどに、コバルトの供給が不安定になる危険性がある。

そこで、東北大学多元物質科学研究所の小林弘明助教、本間格教授らは、コバルトを含まないコバルトフリー正極の技術開発を進めてきた。これまで、スピネル型結晶構造のLNMOが高電圧、高エネルギー密度の正極活物質として期待されていたが、従来のリチウムイオン電池の動作電圧が3.7ボルトなのに対してLNMOは4.7ボルトと高く、そのため電解液の分解などにより充放電サイクルが困難になるという問題があった。そこで小林助教らは、耐電圧性の高いフッ化物固体電解質Li₃AlF₆を開発し、これを薄膜コーティングしてコアシェル構造正極を作ることで、安定した高電圧動作を実証した。

コーティングしていない正極は、高電圧動作で生じた電解液の分解物が堆積して電気抵抗が増加し劣化したが、コーティングしたものは電解液の分解が抑えられ、高いサイクル特性が示されたという。

これは、5ボルト級のリチウムイオン電池、コバルトフリー正極材料、全固体電池といった「ポストリチウムイオン電池」への応用が期待される。さらに、フッ化物固体電解質のリチウムイオン伝導度を高めることで、「車載電池の本命である全固体電池の高エネルギー密度化」も期待できるとのことだ。