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【特集】 ネオバイオミメティック・エンジニアリング
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ネオバイオミメティック・エンジニアリング:材料技術のパラダイムシフトとイノベーション
Engineering Neo-Biomimetics:Toward Paradigm Shift for Innovation
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下村政嗣(東北大学 原子分子材料科学高等研究機構・多元物質科学研究所 教授)
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ナノボットを作ろう
A Way to Nanobots
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山口智彦((独)産業技術総合研究所 ナノシステム研究部門 副部門長)
赤血球よりも小さなナノボットという夢のシステムを,部品数やエネルギー消費率,エネルギー効率の面から考察した。部品数は航空機並の膨大な数におよび,自己組織化技術のさらなる熟成が求められそうだ。前段階として,筋肉型アクチュエーターをもつ“やわらかいロボット”の開発が考えられる。昆虫などがよいお手本になるだろう。
【目次】
1. 加速する科学技術
2. ナノボットと赤血球
3. 部品数の壁:1010個?
4. エネルギー消費率―1:1:1 分配律?
5. エネルギー効率のジレンマ
6. ロボット工学とナノボット
7. やわらかいロボット
8. おわりに
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生物に学ぶ機能制御法―細胞内環境応答性人工核酸の創成―
Biomimetic Functional Control―Creation of Cellular Environment Responsible Artificial Nucleic Acids―
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和田健彦(東北大学 多元物質科学研究所 教授)
生物の有する優れた機能制御法に学び,RNAとアミノ酸,そしてボロン酸を組み合わせた新しいカテゴリーの人工核酸の構築に取り組み,正常細胞とがん細胞を自分で見分け,がん細胞内でのみ遺伝子治療用薬剤として機能することが期待される細胞内環境応答型人工核酸の開発に成功した。
【目次】
1. はじめに
2. 刺激応答性人工核酸の創製
3. 外部刺激応答性人工核酸,ペプチドリボ核酸(PRNA)の設計
4. ペプチドリボ核酸(PRNA)によるDNA認識・錯体形成挙動ならびに可逆的錯体形成・解離制御
5. 配向規制因子としてフェニルボロン酸を導入した細胞内環境応答型PRNAの合成
6. 細胞内環境応答型人工核酸
7. おわりに
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バイオミネラリゼーションに学ぶハイブリッド材料
Hybrid Materials Inspired by Biomineralization
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梶山智司(東京大学 大学院 工学系研究科 化学生命工学専攻 博士課程1年)
西村達也(東京大学 大学院 工学系研究科 化学生命工学専攻 助教)
加藤隆史(東京大学 大学院 工学系研究科 化学生命工学専攻 教授)
本稿ではバイオミネラリゼーションにならい,それを超える次世代機能性複合材料の開発へのアプローチについて述べる。バイオミネラリゼーションとは歯や骨,貝殻の真珠層などの生体内で形成される硬組織の形成プロセスのことである。温和な環境の下,合成高分子を用いてさまざまな無機結晶の結晶成長を制御することにより,人工系無機/有機ハイブリッド材料の作製を行った。
【目次】
1. はじめに
2. 炭酸カルシウム/有機高分子複合体薄膜の作製
3. 非晶質炭酸カルシウムを用いたハイブリッド材料の作製
4. 新たな無機化合物への展開―水酸化コバルトの結晶成長制御―
5. おわりに
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生物に学ぶトライボロジー:自動車部品への応用
Biomimetics Tribology for Automobiles
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鈴木厚(トヨタ自動車(株) パワトレーン材料技術部)
海道昌孝(トヨタ自動車(株) パワトレーン材料技術部 燃料・油剤・摺動材室)
平井悠司(東北大学 多元物質科学研究所 自己組織化高分子材料研究分野 助教)
藪浩(東北大学 多元物質科学研究所 自己組織化高分子材料研究分野 准教授)
下村政嗣(東北大学 多元物質科学研究所 自己組織化高分子材料研究分野 教授;原子分子材料科学高等研究機構)
摩擦は,生体においても,機械においても(そして社会においても)常におこる。摩擦は,時としてエネルギー損失の原因であるものの,摩擦がなければとどまることも歩くこともできない。摩擦の制御は,システムやデバイス特性発現に本質的に関わっているだけでなく,エネルギーや環境など現代の人間社会が抱えている問題の解決に直結している。一方,生物は長い進化と適応の歴史のなかで,さまざまな摩擦特性をもつ“材料”を獲得してきた。本稿では,生物模倣(バイオミメティクス)の考え方が,どのようにトライボロジーへ応用できるのか,その可能性を述べたい。
【目次】
1. はじめに―生物における低摩擦表面と摩擦制御―
2. 自動車部品の低摩擦化へのバイオミメティック・アプローチ
3. ハニカムフィルムを出発材料とする金属マイクロディンプル構造の作製
4. 金属ディンプル構造の摩擦特性
5. おわりに
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ドット型周期微細構造
Nano Dot Array Fabricated by Nano Sphere Lithography
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篠塚啓(王子製紙(株) 開発研究所 上級研究員)
ナノ～サブミクロン粒子を単層で物体の表面にコーティングし,これをマスクとしてエッチングを行い,円錐～円柱状のドット型周期微細構造を作製する。ドット型周期微細構造の周期は25nm～5μm程度,アスペクト比は0.1～ 3.0程度である。反射防止体,太陽電池やLEDの効率向上,バイオ関連への応用などが考えられる。
【目次】
1. はじめに
2. 粒子マスクによるドット型周期微細構造の製作
2.1 粒子単層マスクの製法
2.2 エッチングによる微細加工
2.3 非平面上の微細構造の作製
3. ドット型周期微細構造の応用
3.1 微細構造による反射防止
3.2 反射防止フィルム
3.3 太陽電池の反射防止
3.4 LEDの高輝度化
3.5 有機ELの高輝度化
3.6 細胞培養基材
3.7 超撥水体
3.8 そのほかの応用
4. おわりに
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金属表面のはっ水/超はっ水処理の最新動向
New Twist of Hydrophobic/Superhydrophobic Treatments for Metal Surfaces
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穂積篤((独)産業技術総合研究所 サステナブルマテリアル研究部門 高耐久性材料研究グループ 研究グループ長)
蓮の葉の構造/機能を模倣した超はっ水性に関する研究が,最近のバイオミメティックブームにものって再び活況を呈している。本稿では,我々の身近にある金属/合金をターゲットに絞り,それらの表面のはっ水,超はっ水処理における最新の研究動向について紹介する。
【目次】
1. はじめに
2. 金属/合金のはっ水処理
2.1 有機シラン
2.2 ホスホン酸
2.3 脂肪酸
2.4 イソシアナート
3. 金属/合金の超はっ水処理
3.1 アルミニウム
3.2 銅
3.3 鉄/ステンレス鋼
3.4 マグネシウム
3.5 銀
3.6 ニッケル/亜鉛
4. 真の濡れ性評価
5. おわりに
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超低燃費型船底防汚塗料の研究開発―生物がくれたヒント―
The Development of Anti-fouling Paint for Ultra-efficiency―Tips from Sea Life―
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島田守(日本ペイントマリン(株) 技術本部 研究開発部 課長)
南晴康(日本ペイントマリン(株) 技術本部 研究開発部 課長)
大型魚類が高速遊泳することからヒントを得て,魚の体表を覆う粘液状物質に着目した。その物質は水と非常に親和性が高いと考えられ,このような化合物の一つとしてヒドロゲル構造に着目し,各種の化学修飾で誘導体化が可能なキトサン誘導体膜の摩擦抵抗が低いことを見出した。これを船底防汚塗料に応用し船舶の燃費低減を実現した。
【目次】
1. はじめに
2. 付着生物との闘いのなかから生まれ発展してきた船底防汚塗料
3. 高速遊泳能力をもつ海洋生物に学ぶ
4. 摩擦抵抗を低減する船底防汚塗料の開発
5. おわりに
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ゲルの新規バイオミメティック材料としての展開
Development of Polymer Gels as Novel Biomimetic Materials
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上野智永(東京大学 大学院 工学系研究科 マテリアル工学専攻 博士課程3年)
桶葭興資(東京大学 大学院 工学系研究科 マテリアル工学専攻 特任研究員)
吉田亮(東京大学 大学院 工学系研究科 マテリアル工学専攻 准教授)
我々はバイオミメティックの観点から,ゲルに時空間構造を内包することによって,(1)自らが周期的に膨潤/収縮することで動的に変化する自励振動ゲル,(2)ゲル媒体のネットワーク制御によって非線形化学反応を介した空間的な秩序構造の形成,さらに(3)生体のもつ高次な機能を人工的に構築すべく,分子レベルからの階層的なシステムデザインを施すことによって光エネルギーを化学エネルギーに変換する人工光合成ゲルシステムの構築を試みている。本稿ではそれらについて解説する。
【目次】
1. はじめに
2. 自励振動ゲル
3. パターン形成媒体としてのゲル
4. 人工光合成ゲル
5. おわりに
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連載 人間×環境×マテリアル―ヒューマンアダプティブ・マテリアルの開拓(12)最終回
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有機・無機ハイブリッド薄膜材料の創製
Synthesis of Organic-inorganic Hybrid Thin Film Materials
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中山弘(大阪市立大学 大学院工学研究科 教授;(株)マテリアルデザインファクトリー 代表取締役)
20世紀第4四半世紀の産業を牽引した半導体集積回路産業を支えたキーマテリアルが最も完全で,純度の高いSi単結晶であることは疑いがない。Si単結晶と安定な酸化物であるSiO2があって初めて超高集積回路ができた。低環境負荷・省エネルギー・持続的発展の可能な21世紀社会を支える産業は何であるか?筆者はフレキシブルディスプレー,電子広告,電子ペーパー,フィルム型バッテリーなどの「フィルムベースエレクトロニクス」が21世紀を牽引する巨大な新産業に成長するものと考え,産業振興を進めている。その新しい産業を支えるキーマテリアルは,無機と有機材料の複合機能材料である「有機・無機ハイブリッド薄膜材料」であると考えている。本稿では,「有機・無機ハイブリッド薄膜材料」の成膜法として,有機触媒CVDの原理と材料,応用例などを紹介し,そのポテンシャルを明らかにする。
【目次】
1. 有機・無機ハイブリッド薄膜材料とは
2. 有機触媒CVDの原理
3. フィラメント反応の解析
4. SiOC薄膜
5. SiCN薄膜と超ガスバリアフィルムへの応用
6. まとめ
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シリーズ 画像処理学のすすめ(3)
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高速度映像技術
Digital High Speed Camera Technology
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楳田敏之((株)フォトロン イメージング事業本部 開発部)
「見えないものを見てみたい」という人間の知的要求に応えるために,「高速度カメラ」・「高速度撮影技術」の研究開発が進められている。本稿では,工業技術や研究開発分野だけではなく,放送・映画,先端医療や,スポーツ解析などの幅広い分野で利用されている次世代型映像技術について紹介する。
【目次】
1. はじめに
2. デジタル高速度カメラの技術
3. デジタル高速度カメラの種類
4. 高速度カメラを利用したアプリケーション
5. これからの展望
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海外‘Niche’ビジネスレポート
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タイにおける日本食産業の変遷と今後の展望
Transition and Outlook of the Future of Japanese Food Industry in Thailand
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Global IBIS 編集部
【目次】
1. 在留邦人向け日本食店の現状
2. タイ風アレンジによる成功
3. 日本からの参入
4. 今後の日本食店の展望
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Market data
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バイオミメティクスの市場動向
Market Trend of Biotechnology Mimetics
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【目次】
1. 概要
2. 応用分野
3. 市場動向
4. 業界動向
4.1 世界動向
4.2 技術開発トピックス
(1) ヒトの生体を模倣した複数のバイオアッセイ系を1枚のチップ上に構築/東大
(2) 超撥水性膜技術を用い水滴中で細胞を立体培養/名大
(3) 人口触覚ひげ付きロボットねずみ/英シェフィールド大
4.3 企業動向
(1) JC皮膚科学研究所
(2) クーパービジョン・ジャパン
(3) 日油
(4) 大日本住友製薬
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2010 『機能材料』総目次
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2010 Vol.30 『機能材料』総目次 1～12月号
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ネオバイオミメティック・エンジニアリング:材料技術のパラダイムシフトとイノベーション
Engineering Neo-Biomimetics:Toward Paradigm Shift for Innovation
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下村政嗣(東北大学 原子分子材料科学高等研究機構・多元物質科学研究所 教授)
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ナノボットを作ろう
A Way to Nanobots
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山口智彦((独)産業技術総合研究所 ナノシステム研究部門 副部門長)
赤血球よりも小さなナノボットという夢のシステムを,部品数やエネルギー消費率,エネルギー効率の面から考察した。部品数は航空機並の膨大な数におよび,自己組織化技術のさらなる熟成が求められそうだ。前段階として,筋肉型アクチュエーターをもつ“やわらかいロボット”の開発が考えられる。昆虫などがよいお手本になるだろう。
【目次】
1. 加速する科学技術
2. ナノボットと赤血球
3. 部品数の壁:1010個?
4. エネルギー消費率―1:1:1 分配律?
5. エネルギー効率のジレンマ
6. ロボット工学とナノボット
7. やわらかいロボット
8. おわりに
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生物に学ぶ機能制御法―細胞内環境応答性人工核酸の創成―
Biomimetic Functional Control―Creation of Cellular Environment Responsible Artificial Nucleic Acids―
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和田健彦(東北大学 多元物質科学研究所 教授)
生物の有する優れた機能制御法に学び,RNAとアミノ酸,そしてボロン酸を組み合わせた新しいカテゴリーの人工核酸の構築に取り組み,正常細胞とがん細胞を自分で見分け,がん細胞内でのみ遺伝子治療用薬剤として機能することが期待される細胞内環境応答型人工核酸の開発に成功した。
【目次】
1. はじめに
2. 刺激応答性人工核酸の創製
3. 外部刺激応答性人工核酸,ペプチドリボ核酸(PRNA)の設計
4. ペプチドリボ核酸(PRNA)によるDNA認識・錯体形成挙動ならびに可逆的錯体形成・解離制御
5. 配向規制因子としてフェニルボロン酸を導入した細胞内環境応答型PRNAの合成
6. 細胞内環境応答型人工核酸
7. おわりに
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バイオミネラリゼーションに学ぶハイブリッド材料
Hybrid Materials Inspired by Biomineralization
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梶山智司(東京大学 大学院 工学系研究科 化学生命工学専攻 博士課程1年)
西村達也(東京大学 大学院 工学系研究科 化学生命工学専攻 助教)
加藤隆史(東京大学 大学院 工学系研究科 化学生命工学専攻 教授)
本稿ではバイオミネラリゼーションにならい,それを超える次世代機能性複合材料の開発へのアプローチについて述べる。バイオミネラリゼーションとは歯や骨,貝殻の真珠層などの生体内で形成される硬組織の形成プロセスのことである。温和な環境の下,合成高分子を用いてさまざまな無機結晶の結晶成長を制御することにより,人工系無機/有機ハイブリッド材料の作製を行った。
【目次】
1. はじめに
2. 炭酸カルシウム/有機高分子複合体薄膜の作製
3. 非晶質炭酸カルシウムを用いたハイブリッド材料の作製
4. 新たな無機化合物への展開―水酸化コバルトの結晶成長制御―
5. おわりに
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生物に学ぶトライボロジー:自動車部品への応用
Biomimetics Tribology for Automobiles
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鈴木厚(トヨタ自動車(株) パワトレーン材料技術部)
海道昌孝(トヨタ自動車(株) パワトレーン材料技術部 燃料・油剤・摺動材室)
平井悠司(東北大学 多元物質科学研究所 自己組織化高分子材料研究分野 助教)
藪浩(東北大学 多元物質科学研究所 自己組織化高分子材料研究分野 准教授)
下村政嗣(東北大学 多元物質科学研究所 自己組織化高分子材料研究分野 教授;原子分子材料科学高等研究機構)
摩擦は,生体においても,機械においても(そして社会においても)常におこる。摩擦は,時としてエネルギー損失の原因であるものの,摩擦がなければとどまることも歩くこともできない。摩擦の制御は,システムやデバイス特性発現に本質的に関わっているだけでなく,エネルギーや環境など現代の人間社会が抱えている問題の解決に直結している。一方,生物は長い進化と適応の歴史のなかで,さまざまな摩擦特性をもつ“材料”を獲得してきた。本稿では,生物模倣(バイオミメティクス)の考え方が,どのようにトライボロジーへ応用できるのか,その可能性を述べたい。
【目次】
1. はじめに―生物における低摩擦表面と摩擦制御―
2. 自動車部品の低摩擦化へのバイオミメティック・アプローチ
3. ハニカムフィルムを出発材料とする金属マイクロディンプル構造の作製
4. 金属ディンプル構造の摩擦特性
5. おわりに
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ドット型周期微細構造
Nano Dot Array Fabricated by Nano Sphere Lithography
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篠塚啓(王子製紙(株) 開発研究所 上級研究員)
ナノ～サブミクロン粒子を単層で物体の表面にコーティングし,これをマスクとしてエッチングを行い,円錐～円柱状のドット型周期微細構造を作製する。ドット型周期微細構造の周期は25nm～5μm程度,アスペクト比は0.1～ 3.0程度である。反射防止体,太陽電池やLEDの効率向上,バイオ関連への応用などが考えられる。
【目次】
1. はじめに
2. 粒子マスクによるドット型周期微細構造の製作
2.1 粒子単層マスクの製法
2.2 エッチングによる微細加工
2.3 非平面上の微細構造の作製
3. ドット型周期微細構造の応用
3.1 微細構造による反射防止
3.2 反射防止フィルム
3.3 太陽電池の反射防止
3.4 LEDの高輝度化
3.5 有機ELの高輝度化
3.6 細胞培養基材
3.7 超撥水体
3.8 そのほかの応用
4. おわりに
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金属表面のはっ水/超はっ水処理の最新動向
New Twist of Hydrophobic/Superhydrophobic Treatments for Metal Surfaces
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穂積篤((独)産業技術総合研究所 サステナブルマテリアル研究部門 高耐久性材料研究グループ 研究グループ長)
蓮の葉の構造/機能を模倣した超はっ水性に関する研究が,最近のバイオミメティックブームにものって再び活況を呈している。本稿では,我々の身近にある金属/合金をターゲットに絞り,それらの表面のはっ水,超はっ水処理における最新の研究動向について紹介する。
【目次】
1. はじめに
2. 金属/合金のはっ水処理
2.1 有機シラン
2.2 ホスホン酸
2.3 脂肪酸
2.4 イソシアナート
3. 金属/合金の超はっ水処理
3.1 アルミニウム
3.2 銅
3.3 鉄/ステンレス鋼
3.4 マグネシウム
3.5 銀
3.6 ニッケル/亜鉛
4. 真の濡れ性評価
5. おわりに
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超低燃費型船底防汚塗料の研究開発―生物がくれたヒント―
The Development of Anti-fouling Paint for Ultra-efficiency―Tips from Sea Life―
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島田守(日本ペイントマリン(株) 技術本部 研究開発部 課長)
南晴康(日本ペイントマリン(株) 技術本部 研究開発部 課長)
大型魚類が高速遊泳することからヒントを得て,魚の体表を覆う粘液状物質に着目した。その物質は水と非常に親和性が高いと考えられ,このような化合物の一つとしてヒドロゲル構造に着目し,各種の化学修飾で誘導体化が可能なキトサン誘導体膜の摩擦抵抗が低いことを見出した。これを船底防汚塗料に応用し船舶の燃費低減を実現した。
【目次】
1. はじめに
2. 付着生物との闘いのなかから生まれ発展してきた船底防汚塗料
3. 高速遊泳能力をもつ海洋生物に学ぶ
4. 摩擦抵抗を低減する船底防汚塗料の開発
5. おわりに
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ゲルの新規バイオミメティック材料としての展開
Development of Polymer Gels as Novel Biomimetic Materials
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上野智永(東京大学 大学院 工学系研究科 マテリアル工学専攻 博士課程3年)
桶葭興資(東京大学 大学院 工学系研究科 マテリアル工学専攻 特任研究員)
吉田亮(東京大学 大学院 工学系研究科 マテリアル工学専攻 准教授)
我々はバイオミメティックの観点から,ゲルに時空間構造を内包することによって,(1)自らが周期的に膨潤/収縮することで動的に変化する自励振動ゲル,(2)ゲル媒体のネットワーク制御によって非線形化学反応を介した空間的な秩序構造の形成,さらに(3)生体のもつ高次な機能を人工的に構築すべく,分子レベルからの階層的なシステムデザインを施すことによって光エネルギーを化学エネルギーに変換する人工光合成ゲルシステムの構築を試みている。本稿ではそれらについて解説する。
【目次】
1. はじめに
2. 自励振動ゲル
3. パターン形成媒体としてのゲル
4. 人工光合成ゲル
5. おわりに
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連載 人間×環境×マテリアル―ヒューマンアダプティブ・マテリアルの開拓(12)最終回
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有機・無機ハイブリッド薄膜材料の創製
Synthesis of Organic-inorganic Hybrid Thin Film Materials
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中山弘(大阪市立大学 大学院工学研究科 教授;(株)マテリアルデザインファクトリー 代表取締役)
20世紀第4四半世紀の産業を牽引した半導体集積回路産業を支えたキーマテリアルが最も完全で,純度の高いSi単結晶であることは疑いがない。Si単結晶と安定な酸化物であるSiO2があって初めて超高集積回路ができた。低環境負荷・省エネルギー・持続的発展の可能な21世紀社会を支える産業は何であるか?筆者はフレキシブルディスプレー,電子広告,電子ペーパー,フィルム型バッテリーなどの「フィルムベースエレクトロニクス」が21世紀を牽引する巨大な新産業に成長するものと考え,産業振興を進めている。その新しい産業を支えるキーマテリアルは,無機と有機材料の複合機能材料である「有機・無機ハイブリッド薄膜材料」であると考えている。本稿では,「有機・無機ハイブリッド薄膜材料」の成膜法として,有機触媒CVDの原理と材料,応用例などを紹介し,そのポテンシャルを明らかにする。
【目次】
1. 有機・無機ハイブリッド薄膜材料とは
2. 有機触媒CVDの原理
3. フィラメント反応の解析
4. SiOC薄膜
5. SiCN薄膜と超ガスバリアフィルムへの応用
6. まとめ
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シリーズ 画像処理学のすすめ(3)
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高速度映像技術
Digital High Speed Camera Technology
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楳田敏之((株)フォトロン イメージング事業本部 開発部)
「見えないものを見てみたい」という人間の知的要求に応えるために,「高速度カメラ」・「高速度撮影技術」の研究開発が進められている。本稿では,工業技術や研究開発分野だけではなく,放送・映画,先端医療や,スポーツ解析などの幅広い分野で利用されている次世代型映像技術について紹介する。
【目次】
1. はじめに
2. デジタル高速度カメラの技術
3. デジタル高速度カメラの種類
4. 高速度カメラを利用したアプリケーション
5. これからの展望
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海外‘Niche’ビジネスレポート
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タイにおける日本食産業の変遷と今後の展望
Transition and Outlook of the Future of Japanese Food Industry in Thailand
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Global IBIS 編集部
【目次】
1. 在留邦人向け日本食店の現状
2. タイ風アレンジによる成功
3. 日本からの参入
4. 今後の日本食店の展望
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Market data
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バイオミメティクスの市場動向
Market Trend of Biotechnology Mimetics
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【目次】
1. 概要
2. 応用分野
3. 市場動向
4. 業界動向
4.1 世界動向
4.2 技術開発トピックス
(1) ヒトの生体を模倣した複数のバイオアッセイ系を1枚のチップ上に構築/東大
(2) 超撥水性膜技術を用い水滴中で細胞を立体培養/名大
(3) 人口触覚ひげ付きロボットねずみ/英シェフィールド大
4.3 企業動向
(1) JC皮膚科学研究所
(2) クーパービジョン・ジャパン
(3) 日油
(4) 大日本住友製薬
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2010 『機能材料』総目次
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2010 Vol.30 『機能材料』総目次 1～12月号
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