学術的背景 ウェアラブル電子デバイスの急速な発展に伴い、高性能で柔軟性と耐久性を備えた材料に対する需要が高まっています。グラフェン（graphene）は、優れた導電性、機械的強度、柔軟性を備えた二次元材料として、近年ウェアラブルデバイスへの応用が注目されています。しかし、グラフェンをウェアラブルデバイスに適した機能性繊維材料に変換する方法は、依然として解決すべき課題の一つです。グラフェン繊維（graphene fiber, GF）は、グラフェンの優れた特性を継承するだけでなく、繊維製品の柔軟性と編み込み性も備えており、ウェアラブルセンシング、柔軟なエネルギー貯蔵デバイス、およびスマートテキスタイルにおいて大きな応用可能性を示しています。本論文は、グラフェン繊維の製造技術とそのウェアラブルデバ...

学術背景 組織修復の過程において、慢性低酸素（chronic hypoxia）は幹細胞の機能に悪影響を及ぼす。骨膜幹細胞（Periosteal Stem Cells, PSCs）は骨修復の主要な貢献者であり、低酸素条件下でのその機能の変化はまだ明確ではない。低酸素は組織修復の初期段階では一部の幹細胞にとって有益であるが、長時間の低酸素は細胞死（apoptosis）を引き起こし、骨再生を妨げる。したがって、時間のニーズに応じて酸素供給を精密に調節できるシステムを開発することは、PSCsの機能を最適化し、骨再生を促進する上で重要である。 本研究は以下の問題を解決することを目的としている： 1. 低酸素がPSCsに及ぼす時間的影響：低酸素はいつ有益から有害に転じるのか？ 2. スマート酸素供給シス...

アルミニウムイオン電池におけるナノファイバーカソードの研究進展 学術的背景 持続可能なエネルギーソリューションに対する世界的な需要の高まりに伴い、エネルギー貯蔵システムの開発が研究の焦点となっています。リチウムイオン電池（LIBs）は高いエネルギー密度とサイクル安定性により市場を支配していますが、その高コスト、資源の有限性、安全性の問題、環境影響などの課題から、代替となる金属イオン電池（MIBs）技術の探索が進められています。アルミニウムイオン電池（AIBs）は、より高い理論的な体積容量、低コスト、環境に優しい特性から有望な代替案と見なされています。しかし、AIBsの性能はまだ商業化の基準に達しておらず、主な原因として電極材料の体積変化、電解質と電極の副反応、サイクル安定性の低さなどが挙げら...

学術的背景 世界的な水資源とエネルギーの不足は、特に乾燥地帯や遠隔地で深刻であり、気候変動の悪化によりその問題はさらに緊急性を増しています。伝統的な水資源やエネルギーの確保方法、例えば海水淡水化や大規模な電力送電は、コストが高く、技術的に複雑で、資源が乏しい地域では実施が困難です。そのため、大気中から直接水分を収集し、それを清潔な水とエネルギーに変換する持続可能な技術の開発が、現在の研究の焦点となっています。大気水分収集（Atmospheric Water Harvesting, AWH）技術は、自然界の露や霧を利用して、乾燥地帯や遠隔地に清潔な水資源を提供し、従来の集中型システムへの依存を減らす分散型の解決策を提供します。しかし、AWH技術をエネルギー生成、特に電気分解による水素と酸素の生...

学術的背景 電子機器の普及に伴い、電磁妨害（Electromagnetic Interference, EMI）による人体の健康や機器の寿命への悪影響が顕著になっています。伝統的な金属ベースの電磁シールド材料は高い導電性を持っていますが、剛性が高く加工性が低いため、ウェアラブル機器のニーズに対応できません。そのため、柔軟性、耐久性、カスタマイズ性を備えた電磁シールド材料の開発が研究の焦点となっています。導電性ポリマーであるポリピロール（Polypyrrole, PPy）は、良好な導電性、熱安定性、低毒性を持つことから、理想的な電磁シールド材料と見なされています。しかし、既存の電磁シールド材料は耐久性と大規模生産の面で課題があり、産業化が妨げられています。本研究では、新たな粒子流紡糸技術を用い...

学術的背景 傷口感染は、世界中の患者や医療専門家にとって重要な問題であり、特に深刻な傷を扱う際に不適切な包帯は感染リスクを高め、治癒時間を延長し、さらには死亡率の上昇や経済的負担を引き起こす可能性があります。従来の包帯、例えばガーゼやバンドエイドは広く使用されていますが、多くの制約があります。例えば、ガーゼは過剰な出血を引き起こす可能性があり、手などの部位の動きを制限する一方、バンドエイドは通気性がなく、発汗後に傷口が湿りやすく、感染リスクを高めます。したがって、感染を効果的に防止し、良好な通気性、伸縮性、防水性を備えた新しい包帯の開発が現在の研究の焦点となっています。 近年、ナノファイバーやマイクロファイバー膜はその柔軟性と優れた変形能力から、傷の修復において大きな可能性があると考えられて...

学術的背景 スマートウェアラブルデバイスの急速な発展に伴い、圧力センサーはコアコンポーネントとして、健康モニタリング、ヒューマン・マシン・インタラクション、人工知能などの分野で広く注目されています。圧力センサーはそのセンシング原理に基づいて、主に容量式、圧電式、摩擦電気式、圧抵抗式などに分類されます。その中でも、圧抵抗式圧力センサーは構造が単純で感度が高く、製造コストが低いため、研究のホットスポットとなっています。しかし、高感度を実現しながら検出範囲を拡大することは、圧抵抗式センサーの実際の応用における大きな課題です。 グラフェンはその優れた導電性、高い比表面積、卓越した機械的強度により、センサーフィールドで優れた性能を示しています。しかし、グラフェンは実際の応用において、その機械的および電...

学術的背景 グリーンエネルギーに対する世界的な需要の高まりに伴い、燃料電池や金属空気電池はその高いエネルギー密度から、エネルギー変換と貯蔵の有望な解決策と見なされています。しかし、これらの技術の商業化は、カソードにおける酸素還元反応（Oxygen Reduction Reaction, ORR）の遅い反応速度によって制限されています。現在、白金（Pt）とその合金は、効率的な4電子プロセスと優れた触媒性能により、最も効果的なORR電極触媒とされています。しかし、Ptの希少性と高コストのため、非貴金属や金属フリーの電極触媒を探求することが研究の焦点となっています。 炭素系材料は、その高い導電性、低コスト、耐腐食性から、有望な代替材料とされています。しかし、Pt系触媒と比較して、炭素系材料は同様の...

学術的背景 産業のアップグレードと学際的な融合の進展に伴い、人類社会は情報化、知能化、自動化において顕著な進歩を遂げていますが、これにより新素材に対する要求もさらに高まっています。特に電磁機能材料の分野では、電磁汚染問題が深刻化する中、安定した特性と広帯域操作を備えた磁性ナノ材料の開発が緊急の課題となっています。γ′-Fe4Nは、その安定した化学的特性、高導電性、および飽和磁化強度により、電磁波吸収性能の向上において大きな可能性を示しています。しかし、その製造条件が厳しいため、長い間見過ごされてきました。本研究では、窒化エンジニアリングと電紡糸技術を用いて、窒素ドープカーボンファイバーにFe4Nナノスフェアを埋め込んだ吸波材料（Fe4N@NCFs）を成功裏に製造し、高効率、広帯域、薄型のマイ...

学術的背景 地球温暖化ガスの排出が増え続けるにつれ、環境温度が上昇し、人間は極端な気候による健康と生産性への潜在的な脅威に直面しています。特に夏場、エアコンや扇風機などの冷房機器の広範な使用により、エネルギー消費が急増し、温暖化ガスの排出がさらに悪化しています。統計によると、夏の冷房設備は現在、世界の二酸化炭素排出量の40％を占めており、2050年までに50％に上昇すると予測されています。また、寒い環境も人間の生命を脅かします。例えば、2021年の甘粛省白銀マラソン事件では、極端な天候により多数の死者が出ました。そのため、外部エネルギーを必要とせずに人体の熱と湿度のバランスを調整できる持続可能でゼロエネルギー、ゼロエミッションのスマートテキスタイルの開発が、現在の研究の焦点となっています。 ...