脱炭素社会の実現に向けて、世界では燃料電池や排ガス浄化、CO₂再利用技術などの研究開発が加速している。しかし、その性能を左右する「機能性材料」の製造には、複雑な工程や大量生産の難しさといった課題を抱えていた。そんな中、東京科学大学工学院 機械系の長澤 剛准教授は、「熱」と「化学反応」を利用しながら、ナノ粒子をシンプルかつ効率的に製造する「燃焼合成法」の開発に取り組んでいる。炎の中で材料を一気に生成するこの技術は、燃料電池や触媒、バッテリー材料、発光材料など幅広い応用可能性を持つ。今回は、長澤准教授に燃焼合成法の特徴や研究の独自性、社会実装への可能性、今後の展望について伺った。

メカニズムの解明と構造制御を両立。実用材料開発に活かした独自の燃焼合成法

Q:研究概要について教えてください。

私の専門は、機械工学の中でも「熱工学（サーマルエンジニアリング）」と呼ばれる分野です。研究では、「熱や物質の輸送」と「化学反応」が同時に起こるシステムを対象に、そのメカニズムを解明し、新しい技術へ応用することを目指しています。

研究内容は大きく3つに分かれています。

1つ目は、エネルギー変換技術です。具体的には、高温で動作する「固体酸化物形燃料電池（SOFC）」や、その逆反応を利用して水素などを製造する「固体酸化物形電気分解セル（SOEC）」の研究に取り組んでいます。これらは高効率な次世代エネルギー技術として注目されています。

２つ目は、環境浄化技術です。主にエンジンやガスタービンなどの燃焼機器から排出されるガスを浄化する触媒システムの研究を行っています。燃焼機器は効率の高さが重要ですが、それだけではなく、排ガスをきれいにして環境負荷を下げることも欠かせません。そのため、窒素酸化物（NOx）や一酸化炭素（CO）などの有害物質を、人体に無害な窒素や水、二酸化炭素へ変換する触媒技術を開発しています。

3つ目は、マテリアルをつくる「プロセス技術」です。これは現在、社会実装を見据えて取り組んでいる研究にも関係しています。具体的には、原料溶液を反応炉へ送り込み、高温環境の中で化学反応を起こして機能性材料を合成する技術を研究しています。これも熱輸送・物質輸送・化学反応が密接に関わる領域です。

また私たちの研究では、400〜800℃程度の温度領域を扱うことが多くなります。例えば、SOFCやSOECは高温で動作することで内部抵抗が小さくなり、エネルギー変換効率が向上します。さらに、高価な貴金属材料を使わなくても高性能を実現できるというメリットがあります。

一方、排ガス浄化触媒も、ある程度高い温度でなければ十分に機能しません。しかし近年はエンジンの高効率化によって排気温度が低下しており、触媒にとっては、より厳しい条件になっています。そのため、低温環境でも高い浄化性能を発揮できる技術が求められています。ただし、温度が高いほど利点ばかりがあるわけではありません。長時間使用していると、材料の微構造や結晶構造が変化し、性能が徐々に劣化してしまうことがあります。そのため、単に高性能な材料を開発するだけではなく、使用中の変化を抑え、長期間安定して性能を維持できる技術の開発も重要な研究テーマです。

こうした研究は一見すると異なるテーマに見えますが、根底には「熱や物質の移動と化学反応を理解し、目的に応じて制御する」という共通した考え方があります。

Q:この中で、特に注力しているのはどういう研究でしょうか？

特に力を入れているのは「高機能なナノ粒子を、できるだけシンプルなプロセスで大量生産できる合成手法」の開発です。

ナノ粒子は、固体触媒やバッテリー、燃料電池、蛍光体、塗料など、さまざまな分野で利用されています。そして、その性能は「どんな元素で構成されているか」だけでなく、「粒子のサイズ」「形状」「結晶構造」「内部での元素分布」といった構造によって大きく変わります。つまり、高性能な材料をつくるためには、ナノ粒子の構造を精密に制御する必要があります。

従来の研究でも、研究室レベルでは非常に精密に構造を制御したナノ粒子をつくる技術は数多く開発されてきました。しかし、その多くは「液相法」と呼ばれる手法で、複数の工程を経ながら時間をかけて粒子を生成していく必要があります。そのため、プロセスが複雑になり、工程ごとに化学廃棄物が発生しやすくなります。また、一度に大量生産しにくい点も課題でした。研究室レベルでは高性能な材料がつくれても、それを産業スケールへ展開するには大きなギャップが残されています。

そこで私は、「構造制御性」と「プロセスの簡便さ」を両立できる合成手法に注目しました。その中核となっているのが「燃焼合成法」です。燃焼合成法にはいくつか種類がありますが、私たちが取り組んでいるのは、バーナー火炎を利用した手法です。まず、材料となる元素を溶液中に溶かし込み、それを超音波振動によって微細な霧状にします。その霧をガスの気流に乗せて、火炎の中へ送り込んでいくのです。また、最近は噴霧燃焼を利用した手法にも取り組んでいます。材料元素を含む溶液を液体燃料と一緒に噴霧し、燃焼させる方式です。バーナー火炎のものと比較して、より高い温度での合成や、合成量の増加が可能になります。

火炎の中に入った微小な液滴では、まず溶媒の蒸発が起こります。すると、水分だけが蒸発し、中に含まれていた元素が析出します。これは、コーヒーを放置して水分が蒸発すると、最後に粉が残る現象に近いイメージです。さらに火炎によって温度が上昇すると、析出した元素同士が集まり、非常に小さな粒子が形成されます。そして、その粒子が高温環境の中で結晶構造をつくりながら成長し、最終的には結晶性を持ったナノ粒子として生成されます。このように、火炎の中で蒸発→析出→熱分解→核生成→粒成長といったプロセスが連続的に進み、一つの流れの中で粒子生成まで完結します。

従来のように、蒸発させて別の炉へ移し、焼成するといった複数の工程を挟む必要はありません。火炎を通過させるだけで粒子合成が完了し、上部のフィルターで生成された粒子を連続的に回収できます。この“ワンステップで完結するシンプルさ”は、この燃焼合成法の大きな特徴だと考えています。

さらに、この手法は単に工程が簡単というだけではありません。火炎という非常に高温な場を利用することで、短時間で結晶性の高い粒子を生成できます。そのため、将来的な連続生産や大規模製造への展開も期待できます。また、従来の液相法では得られない構造の創出と、それに伴う新たな材料機能の発現という可能性も期待されます。私は、この技術が研究室レベルに留まらず、実際の産業応用へ展開される基盤技術になる可能性があると考えています。

Q:この燃焼合成法に着目した経緯を教えてください。

燃焼合成法に関心を持った背景には、これまで取り組んできた研究分野の積み重ねがあります。もともと博士課程では、高温作動型の燃料電池であるSOFCに関する研究をしていました。その中で酸化物材料を扱う機会が多く、機械工学出身ではありましたが、材料科学にも比較的馴染みがありました。

その後、助教として所属したのが内燃機関——つまりエンジンを研究する燃焼工学系の研究室でした。そこで燃焼工学や燃焼機設計に触れるようになり、これまで培ってきた「材料科学の知識」と新しく学び始めた「燃焼工学」を組み合わせることで、新しい研究ができるのではないかと考えるようになりました。そうした中で出会ったのが、「燃焼」をエネルギー変換ではなく「材料プロセス」に利用する“燃焼合成”という考え方です。エンジンの研究において、燃焼は熱や動力を生み出すための現象として扱われます。しかし、それを材料合成そのものに活用するという発想に触れた時、「これは非常に面白い」と感じたのを覚えています。

また、燃料電池研究を進める中で、「内部現象を解析するだけでなく、自分たちで材料そのものを設計・作製できれば、研究の幅がさらに広がるのではないか」という思いも持っていました。燃焼合成法は、燃焼工学や機械工学の知見を活かしながら、材料プロセスの領域まで踏み込める研究分野です。つまり、単なる材料開発ではなく、「燃焼」という機械工学側の強みを活かしながら材料を設計できるのが大きな魅力でした。

こうした背景から、異分野を融合しながら、新しい材料設計やプロセス開発に挑戦できる研究として、燃焼合成法に取り組むようになりました。

Q:研究における独自性はどんな点にありますか？

独自性は大きく2つあります。1つは、複数の元素を含むナノ粒子について、構造制御とメカニズム解明の両方に取り組んでいる点にあります。燃焼合成の分野では、単一成分のナノ粒子を作製する研究は比較的多くあります。一方で、多元素系の粒子を対象に、それぞれの元素が内部でどのような位置関係を持つのかまで踏み込んで構造制御を行う例は、まだそれほど多くありません。こうした粒子は、含まれる元素の種類だけで性能が決まるわけではありません。同じ元素の組み合わせでも、粒子の中で均一に混ざっているのか、表面に特定の元素が多く存在しているのか、内部と表面で組成が異なるのかによって、例えば触媒として使用する際の働き方が変わります。だからこそ、元素同士の相対的な位置関係まで含めて構造を理解し、制御することが重要になります。

また、この分野では、「この元素の組み合わせで作ったら、高い性能が出た」という成果に注目する研究も多くあります。もちろん、高性能な材料を作ることは重要です。ただ私たちは、それだけで終わらせず、「なぜその火炎条件で、その元素の組み合わせから、その構造ができたのか」というプロセスまで丁寧に解き明かすことを重視しています。粒子が形成されるメカニズムを理解することで、再現性のある材料設計につなげようとしています。そのために、燃焼合成で粒子を作製した後、高分解能の電子顕微鏡で観察し、元素がどのように分布しているかを調べます。さらに、特定の元素に吸着するガスを使った分析なども組み合わせ、表面にどの元素がどれくらい露出しているのかも評価します。こうした解析によって、粒子の内部構造と表面状態を多角的に把握しています。

2つ目の特徴は、実験だけでなく数値シミュレーションも組み合わせている点です。火炎の中で液滴がどのように蒸発するのか、元素がどのように残り、最終的にどのような配置になるのかを燃焼シミュレーションや分子動力学シミュレーションで追跡しています。これにより、実験で得られた構造の理由を考えるだけでなく、「この条件ならこういう構造になるのではないか」という仮説を立て、次の実験設計に反映することができます。

最終的に目指しているのは、「合成条件」「粒子構造」「材料の機能」を一本の線でつなぐことです。つまり、求める機能から逆算して必要な構造を考え、その構造を作るための火炎条件や燃焼器を設計できるようにすることです。メカニズムを解明する研究と、実際に使える材料を作る研究。その両輪で進めている点が、私たちの研究室ならではの特徴だと考えています。

火炎場を理解し、ナノ粒子の構造を設計する。燃焼合成の新たな可能性を探究

Q: この研究における技術的・産業的な課題はありますか？

技術面で最も大きな課題は、「簡便さ」と「精密な構造制御」をどう両立するかだと考えています。

燃焼合成は、火炎の中を通すだけでナノ粒子を連続的に作ることができる、非常にシンプルなプロセスです。ただ一度材料が火炎の中に入ると、液相法のように途中で細かく操作することが難しくなります。そのため、現状では粒子構造を細密に制御するという点で課題があります。例えば、元素の供給方法を変える。あるいは、二つの火炎を使って別々に元素を供給する。こうした工夫によって、どこまで構造制御性を高められるかを検討しています。ただ現状の技術水準では、「シンプルなプロセス」と「精密な制御」はトレードオフの関係にあります。じっくり時間をかければ制御しやすくなりますが、その分、工程は複雑になってしまいます。だからこそ、燃焼合成の簡便さを維持しながら、どこまで高い構造制御性を実現できるかが、本質的な技術課題だと考えています。

 この課題を乗り越えるには、火炎の中で粒子がどのように形成されるのかを理解することが重要です。どの条件で、どのような構造ができるのかを整理し、いわば「構造の地図」のようなものを作っていく必要があります。そうすることで、「こういう機能がほしいなら、この構造、そのためにはこの火炎条件」という形で、材料設計へつなげられるようになります。

 一方、産業面ではスケールアップが大きな課題になります。燃焼合成は連続プロセスなので、本質的には量産に向いています。実際、ヨーロッパなどでは、1時間にキログラム単位でナノ粒子を合成する装置も報告されています。ただし、火炎を大きくすると温度分布にムラが生じやすくなります。研究室レベルの小さな火炎では均一に作れていた粒子を、大規模化した際にも同じ品質で再現することは簡単ではありません。用途によっては多少のばらつきが許容される場合もありますが、高精度な性能が求められる分野では、品質を揃えることが重要になります。

 そのため、装置を単純に大型化するだけでは不十分です。小さな火炎を並列に並べるなど、品質を保ちながら生産量を増やす方法を検討する必要があります。将来的な量産化を見据えると、大学の研究室だけで完結させるのは現実的ではありません。実際の工業化には、大規模な設備や運用ノウハウが必要です。そのため、企業や研究機関との連携が重要になると考えています。

 Q: 企業との共同研究ではどのようなことを期待していますか？ 

現在は材料メーカー、自動車メーカーなどと共同研究を進めています。特に自動車分野とは、私自身がもともとエンジンの研究に携わっていたこともあり、つながりが多くあります。企業との共同研究で期待しているのは、「高性能でありながら、量産しやすい材料プロセス」を一緒に実現していくことです。例えば、自動車の排ガス浄化触媒では、低温でも高い性能を発揮することが求められています。一方で、自動車産業では触媒材料を大量に使用するため、どれだけ性能が良くても、製造プロセスが複雑すぎると実用化は難しくなります。そうした背景から、燃焼合成のようにシンプルで、連続的に材料を作れるプロセスに関心を持っていただく機会が増えています。

最近では、自動車業界でも脱炭素に向けた研究が進んでいます。その1つが、CO₂を回収し、燃料を合成する技術です。現時点ではコスト面の課題がありますが、既存のエンジンやインフラを活かしながらCO₂削減を進められる可能性があります。そのため、合成燃料は注目されている分野です。

私たちの研究室でも、排ガス後処理用の触媒だけでなく、CO₂からメタンなどの燃料を生成するための触媒粒子の開発に取り組んでいます。こうした研究では、企業と連携し、実際の用途や要求性能を共有しながら進めることが非常に重要です。さらに今後は、粒子を作るだけではなく、火炎を利用して基板上へ直接機能性膜を形成する技術にも挑戦したいと考えています。燃料電池やバッテリーの電極を直接成膜できれば、従来必要だった「塗る・焼く」といった工程を大幅に簡略化できる可能性があります。

また、企業との共同研究には、私たち自身がまだ気づいていない応用先に出会えるという魅力もあります。ナノ粒子は触媒以外にもさまざまな分野で使われています。ただ「この特性なら自社の材料にも活用できるのではないか」といった発想は、実際の産業を知る企業の方々だからこそ見えてくる部分だと思います。研究室の中だけでは見えないニーズや用途を企業側から提案していただくことで、新しい展開先が広がる可能性があると感じています。

Q:この分野を目指す学生や高校生にメッセージはありますか？ 

最近の学生は、本当に優秀だと感じています。AIなどのツールも上手く活用しながら、自分で調べ、論文や資料をきちんと形にしてくる力があります。私が学生だった頃と比べると、情報収集力やアウトプットの完成度はかなり高くなっていると思います。ただ、今は「タイパ」や「コスパ」を重視する考え方が強い時代です。できるだけ効率よく成果を出したいという傾向も感じます。もちろん効率は大切です。しかし、研究にはどうしても泥臭い部分があります。

特に実験系の研究では、装置を組み立てたり、条件を何度も変えたりしても、なかなか思った結果が出ないことがあります。時間もかかりますし、地道な作業の連続です。それでも、試行錯誤を重ねた先で、ある瞬間に実験がうまく動いたり、新しい結果が見えたりします。その瞬間の面白さは、実際に手を動かして取り組んだ人にしか味わえないものだと思います。だからこそ、学生のうちは、ぜひ時間をかけて挑戦してほしいですね。研究室という環境は、失敗しながら試行錯誤できる貴重な場所です。根気よく取り組んだ先でしか得られない経験もあります。

また、海外に出ることもぜひ経験してほしいと思っています。私自身、博士課程の時に、アメリカのジョージア工科大学へ短期留学しました。現地の研究室で感じたのは、日本の学生の能力は決して低くないということです。むしろ、基礎力や真面目さでは非常に高いレベルにあると思います。

一方で、海外の学生は、自分の考えや成果を堂々と発信する力があります。そこは大きな刺激を受けました。だから、「海外だからすごい」と必要以上に構える必要はありません。自分たちの力にもっと自信を持ってほしいと思います。慣れた環境を飛び出して、新しい場所に身を置くことで見える景色は大きく変わります。研究でも人生でも、そうした経験は必ず自分の視野を広げてくれると思います。

Q: 今後の展望について教えてください。

燃焼合成に関する基盤的な理解をさらに深めながら、実用化や社会実装につながる研究へ発展させていくことが、今後の大きな目標です。この技術は、ナノ粒子や機能性材料を連続的に作製できる点に特徴があります。そのため、産業応用との親和性が高い技術と考えています。今後は、粒子形成メカニズムを解明する基礎研究に加えて、企業との共同研究や特許化にも取り組んでいきたいです。将来的にはスタートアップなども視野に入れ、実際に使われる技術として展開できる可能性があると考えています。

特に重視しているのが、自動車やエネルギー分野への応用です。従来は、燃焼によっていかに高効率にエネルギーを取り出すかが大きな研究テーマでした。しかし今後は、より広い視点が必要になります。燃料をどのように作るのか、その燃料をどのように利用するのか。さらに、利用後に生じる排ガスをどのように浄化するのか。これらを一連のシステムとして捉える必要があります。

例えば、CO₂を原料として燃料を合成する。その燃料を既存のエネルギー変換機器で利用する。そして、排出されるガスを適切に浄化する。こうした入口から出口までを見据えた研究は、脱炭素社会の実現に向けても重要な意味を持つと考えています。

もちろん、個々の研究テーマでは、学生一人ひとりが特定の技術や現象を深く掘り下げることが不可欠です。そのうえで研究室全体としては、材料合成、燃料生成、エネルギー変換、排ガス浄化といった領域を有機的につなぎ、より大きな技術体系として展開していきたいと考えています。（了）