モノづくりの守り神　固体NMRが見せる材料工学の未来

INTERVIEW 03

株式会社東レリサーチセンター
構造化学研究部　構造化学第 2 研究室
崎山 庸子 室長

LED、燃料電池、ダイヤモンドライクカーボン…。
今日もなお日本は世界トップレベルのモノづくり技術で、優れた製品を生み出し続けている。
日本電子の固体NMR技術と、TRCの分析化学者たちの応用技術が新しい地平を拓く。

分析を重視する日本企業

「日本の企業は、本当に分析を大事にされていると思います」
と語るのは、株式会社東レリサーチセンター (TRC) の崎山庸子氏。核磁気共鳴装置 (NMR) を担当するグループを含む研究室のリーダーを務めている。
TRCは企業、大学などから依頼を受けて、研究開発や生産における分析・物性評価、調査を行う受託分析企業。1978年に、東レ株式会社の研究部門から独立。研究部門から独立した受託分析企業としては、もっとも長い歴史を持つ。 その経緯から、得意としているのはポリマーや高分子の分析で、半導体やディスプレイ、プリンター、電池、エネルギー、自動車、工業材料、環境、医薬、バイオなど幅広い分野をカバーする。 トラブルが発生したときなど、その原因を究明するために、分析依頼が寄せられるケースも多いが、TRCの真価が発揮されるのは、研究開発段階でパートナーとして機能するときだ。
「良いものができたときに、それで良しとせず、私たちのところに、なぜ良いものができたのか、構造はどうなっているのか確かめてほしいと相談に来られます。研究開発の初期から長期的にお手伝いしていることも多いです」

溶けない物質を測定する固体NMR

横串の組織連携で最適な分析メニューを提案

もっとも、リチウムイオン電池の劣化原因の特定はNMRだけでできるものでもない。さまざまな分析手法を組み合わせ、負極、正極、セパレーターのどこで劣化が進んでいるかを特定する。そのために、TRCでは通常は手法ごとに分かれている複数のグループが横串で連携し、最善の分析メニューを提案している。
また、リチウムは、電池を大気中に晒すと激しく発火する恐れもあるため、溶かすことはおろか、大気に触れない状態で解体も測定も行う必要がある。TRCへは、通常電池パックの状態で持ち込まれるが、その解体や対象物の取り出しもTRCのなかに専門のチームがあって安全な分析を実現しているのだ。
ただ分析するだけではなく、故障の原因を突き止めて、開発の段階で、劣化しないものにするにはどうすれば良いかまで提案する。TRCが日本のモノづくりの発展に果たしてきた役割は小さくない。

先進のモノづくりをサポート

近年TRCで手掛けることが多いものの一つが、ダイヤモンドライクカーボン。半導体素材や工具、エンジンのピストンなどの表面に、ダイヤモンドのように硬く、滑らかな膜を成膜し、部品の特性を飛躍的に高めるもので、応用範囲が加速度的に広がっている。
その特性を決めるのは、構造の異なる２種類のカーボンの配合比率だ。固体中の炭素には、導電性のsp2炭素、絶縁体のsp3炭素がある。sp2が多ければグラファイト寄りの、sp3が多くなるとダイヤモンド寄りの性質となり、求められる用途によって、望ましい配分が決まる。
炭素の構造の違いを見分けられ、しかも、それぞれがどれくらい含まれているかを量で確認できるのは固体NMRだけ。崎山氏のもとには、「とても良さそうだが、実際の配合比率はどれくらいか」といった製品の選定にかかわる依頼が増えているという。
それにも増して引き合いが増えているのが燃料電池だ。2014年11月に燃料電池自動車がいよいよ市販となり、市場の大幅な拡大を見越し、素材メーカー、電池メーカー、そして自動車メーカーが、先を争って分析の相談を寄せているという。燃料電池の重要なデバイスである電解質ポリマーは、溶媒に溶けにくく、固体NMRの特長が生きる。
「車に搭載される電池なら、10年はもってほしいところですが、初期のポリマーは本当に劣化が激しく、とても実用化を目指せるものではありませんでした。ここに来て燃料電池車が市販されるのに至った背景にも、ポリマーや触媒の耐久性向上や、触媒を均一に塗布する技術の確立があります。10年以上前から評価を続けてきた者からすれば、とても感慨深いです」

1mmプローブが切り拓いた新しい地平

崎山氏のチームで主力として稼働しているのが日本電子製の固体NMRだ。
「装置の性能ももちろんですが、こんな計測をしたいと日本電子に相談すると、改良案をすぐに用意してもらえる。相談に乗ってくれることがなによりありがたいです。装置ですから調子が悪くなることもありますが、そのときは素早いサービス対応をしてくれます」
2012年には、かねてよりNMRの課題だった多量の試料量を必要とするという点を克服する直径1 mmの極細試料管を用いたプローブ (検出器) も追加され、分析対象の幅は大きく広がった。
たとえばLEDの輝度が低下したので、その原因を究明したいという依頼はこれまでも何度もあったが、LEDに使われる部材はどれも量が少なく、NMRで測定するのは困難だった。しかし、1 mmプローブが登場したことで、LEDの劣化も業務に加えることができるようになったという。
「材料によっては表面だけ、局所だけ劣化しているサンプルも多いんです。1 mmプローブのおかげで、見たいところだけを削り取って分析にかけることができるようになりました。私たちにとって極めて大きな前進です」
今後、TRCでは、人工透析に用いるポリマーをはじめとする医療系材料や、植物に含まれるセルロースやリグニンなどを原料とするグリーンケミストリーに注力していきたいと語る。
「新しい分野は、分析手法もまだ確立していませんから、大学などと連携して、評価メニューを共同で開発していきたいと考えています」
NMRと分析化学者の奮闘が、また新しい世界を見せてくれそうだ。

掲載:2015年2月

株式会社東レリサーチセンター