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 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...

無定形前駆体からの結晶出現の予測：ディープラーニングがもたらす材料科学の新たな突破口 背景紹介 結晶が無定形物質から徐々に生成されるプロセスは、自然界から実験室まで広く重要な意義を持っています。このプロセスは地質から生物現象に至るまで様々な現象に見られ、新材料の開発においても中心的な役割を果たしています。しかし、無定形状態から結晶態への変換において、最初に現れるのはしばしば熱力学的に安定な状態ではなく、準安定状態（metastable state）の結晶です。この準安定状態の形成は「オストワルドの法則」によって説明され、無定形前駆体（amorphous precursor）と類似した局所構造を持つ結晶が優先的に核生成しやすいとされています。 無定形材料の結晶化プロセス、特にそのエネルギーラン...

CrドープV₂O₃薄膜の圧電抵抗効果に関する研究とMEMSセンサーへの応用 学術的背景 圧電抵抗式マイクロエレクトロメカニカルシステム（MEMS）センサーは、材料の圧電抵抗効果を利用して、観測対象の物理的特性によって引き起こされる応力変化を抵抗変化に変換するデバイスであり、自動車、航空宇宙、バイオメディカル、研究分野で広く使用されています。現在、ほとんどの圧電抵抗式センサーはドープシリコンを圧電抵抗材料として使用していますが、その圧電抵抗効果は限られており、縦方向のゲージ係数（Gauge Factor, GF）は通常120以下です。センサー性能を向上させるために、研究者たちは新しい圧電抵抗材料の探索を続けており、バナジウム酸化物材料はその独特な圧電抵抗特性から注目を集めています。特に、Crド...

二機能性Cu₂O/g-C₃N₄ヘテロ接合：高性能SERSセンサーと光触媒自己洗浄システムによる水質汚染の検出と修復 学術的背景 工業化と農業活動の急速な拡大に伴い、水質汚染は世界的な環境問題として深刻化しています。染料、抗生物質、農薬などの有害物質が水生生態系に直接または間接的に排出され、水生生物の生息地を破壊し、食物連鎖を通じて人間の健康に重大なリスクをもたらしています。従来の水処理技術では、これらの持続性、隠蔽性、複雑性を持つ汚染物質を完全に除去または分解することが困難です。そのため、効率的な検出と修復が可能な多機能デバイスの開発が重要となっています。 表面増強ラマン散乱（Surface-Enhanced Raman Scattering, SERS）技術は、その高感度と広範囲の検出能力...

超薄・超平坦ダイヤモンド膜のスケーラブルな生産 学術的背景 ダイヤモンドは、その優れた物理的特性から、電子、光子、力学、熱学、音響学など幅広い分野で応用が期待される材料です。しかし、過去数十年にわたる研究の進展にもかかわらず、大規模な高品質な超薄膜の生産は依然として大きな課題でした。従来のダイヤモンド膜の生産方法、例えばレーザー切断や化学気相成長（CVD）は、高品質な単結晶ダイヤモンド（SCD）を生産することができますが、大規模な工業的応用においては多くの制約があり、特に大面積で超薄かつ表面が平坦なダイヤモンド膜の生産が困難でした。これらの問題は、ダイヤモンド材料の半導体技術への応用を大きく妨げていました。 この問題を解決するため、研究者たちは大面積で超薄、超平坦かつ転写可能なダイヤモンド膜...

229ThF4薄膜を用いた固体核時計の研究 学術的背景 核時計（nuclear clock）は、原子核の遷移に基づく周波数標準であり、極めて高い精度と安定性を有する。近年、トリウム-229（229Th）核異性体遷移に基づく核時計が注目を集めている。229Th核異性体遷移のエネルギーは約8.4電子ボルト（eV）で、真空紫外（VUV）領域に位置しており、この特性によりレーザー分光技術を用いた精密測定が可能である。既存の光学原子時計と比較して、229Thに基づく核時計はより高いロバスト性と潜在的な性能優位性を持ち、標準モデルを超える新たな物理現象の検証にも利用できる。 しかし、229Thの希少性と放射性により、高濃度ドープ結晶の成長と取り扱いは非常に困難である。これまでの研究では、229Thドープ...

移動ヨウ素捕獲技術が高安定性のペロブスカイト太陽電池を推進 背景紹介 ペロブスカイト太陽電池 (Perovskite Solar Cells, PSCs) は、その高効率と低コストにより、将来の光伏発電の有力候補材料と見なされています。しかし、ペロブスカイト材料自身の安定性の問題、特に光分解（Photolysis）とイオン移動（Ion Migration）は、実際の応用において重大な影響を与えます。具体的には、ヨウ素イオン（Iodide）やヨウ素空孔（Iodine Vacancies）などの欠陥が光照射やバイアス条件下で自己加速的な化学反応を引き起こし、ペロブスカイト材料の迅速な劣化を引き起こします。したがって、ヨウ素関連の欠陥を捕捉し安定化する方法の探索は、PSCsの安定性を向上させるため...

非熱音声子動力学と励起子凝縮状態の表面敏感電子回折探測 背景紹介 励起子と音声子の相互作用は、光励起材料中のエネルギーの流れを決定し、関連する相の出現をコントロールします。材料科学の進展とともに、三次元構造動力学を探る電子またはX線パルス技術は、電子－音声子相互作用の強度、強結合モードの減衰チャンネル、および三次元秩序の進化を明らかにできます。しかし、二次元材料と機能的異質構造の固有の異方性と遠方平面音声子の偏光へのアクセスの要求は、新しい技術への需要を駆り立てました。 研究源 本論文は、Felix Kurtz、Tim N. Dauwe、Sergey V. Yalunin、Gero Storeck、Jan Gerrit Horstmann、Hannes Böckmann、およびClaus R...

積層酸化物陰極における回転積層欠陥による電気化学的機械故障 背景紹介 電気化学的機械劣化は、高エネルギー密度陰極材料の容量低下の主な原因の一つであり、特にインターカレート型の積層酸化物材料に顕著です。本論文では、積層リチウム過渡金属酸化物に存在する回転積層欠陥（Rotational Stacking Faults, RSFs）の現象を明らかにし、これらの欠陥が特定の角度での積層シーケンスによって発生し、材料の構造と電気化学的安定性に顕著な影響を与えることを示しています。研究成果によると、RSFsは酸化物の二重化や過渡金属の移動を促進し、その結果として微小なひび割れの形成と伝播を促し、サイクル中に蓄積された電気化学的機械劣化を引き起こします。本論文では、熱欠陥除去を解決策として探索し、RSFs...