研究を通じてグローバルに活躍できる学生を育てたい。
Ｑ：先生が工学の世界を選んだ理由を教えてください。
子供の頃からプラモデルを作ったり、絵を描いたりすることが好きでした。特に自動車が好きで、将来はＦ１ドライバーなりたいと思っていたくらいです。大学進学の際は、自動車の仕事に携わるため、機械工学が学べる工学部に進学したのがこの世界の第一歩です。
その後、1996年4月、立命館大学の学部4年生のときに私の専門領域であるナノ材料学の世界に足を踏み入れることになりました。自動車の内燃機関の研究室を希望して門戸をたたいたのですが、かなわずに生産加工学の研究室に配属されました。その研究室では、周りの仲間が新しい砥石を作ったり、難削材の加工をしたりしている中、当時、最新鋭の設備である原子間力顕微鏡（AFM）が研究室に導入されることになり、私にはナノ加工に関するテーマが割り当てられました。初めて扱う装置の原理をゼロから学び、無我夢中で数多くの実験をこなしたのを覚えています。
AFMはカンチレバーと呼ばれる微小な針を使って材料の表面をなぞり、原子レベルの凹凸を検知できる顕微鏡です。針先は半径10nm（ナノメーター）程度と小さく、そこに力をかけたり電流を流したりして様々なナノ加工を行うこともできます。私は、AFMの針先に電流を流してシリコンウェハ表面を局所的に酸化させ、エッチングと組み合わせることで幅200nm程度のシリコンナノブリッジ構造（材料力学的には両端固定梁構造）を作りました。また、その強度計測にもチャレンジし、材料のサイズが小さくなるほど高強度となるサイズ効果現象を見出すとともに、ヤング率（注）にはナノ～ミリ範囲ではサイズ効果が存在しないことを明らかにしました。材料をどこまで小さくすると、ヤング率が一定値から逸脱するのか、そのサイズこそが材料を連続体として扱うことができる限界ではないのか。私は、肉眼では見えないナノ材料の世界に魅せられ、連続体と原子集合体の境界サイズの実験的特定に強く惹かれていきました。
（注）ヤング率（Young’s modulus）は、フックの法則が成立する弾性範囲における、同軸方向のひずみと応力の比例定数。
Ｑ：博士号取得後は本格的に研究を深められていきましたね。
そうですね。立命館大学で博士号取得後は、兵庫県立大学の助教として薄膜などのマイクロ材料の機械物性を精密に測る独自の実験技術を開発してきました。ナノではなくマイクロ試験技術から着手した理由は、ナノ試験の技術的難度が極めて高く、いきなりナノ試験技術から着手することは無謀だと感じたためです。マイクロ材料試験技術として、薄膜を対象とした一軸／面内直交二軸引張試験装置や電子顕微鏡内引張試験装置など、数々の独自試験装置を開発しました。しかし、これらの実験を行う中で、ある時、学生たちが半導体加工技術を駆使して一か月程かけて作製したマイクロ試験片をわずか1分程で使い切る実験に面白みを感じなくなり、材料を「壊す」実験から「作る」実験をしたい、と思うようになりました。
そこで薄膜を作るスパッタリング装置を自作することから始めてみました。学生と共に一から図面を起こし開発した三源直流スパッタリング装置で金属多層膜に関する研究をスタートさせました。この膜は軽金属と遷移金属を数nm～数十nmの厚さで積層堆積させたもので、外部から微小刺激を与えると発熱反応が起こり、それが膜内を高速自己伝播するというユニークな特徴を持っています。この発熱膜を瞬間局所熱源として用い、シリコンウェハ等を1秒未満で接合する独自技術を確立しました。この研究が「JSTさきがけ」に採択され、材料を「作る」研究は大きく加速していきました。その間、ナノ試験技術開発にも着手し、MEMS（Micro Electro Mechanical Systems）を使ったナノ材料の強度試験技術の開発に成功するとともに、今ではカーボンナノチューブ（CNT）やシリコンナノワイヤーの強度試験を電子顕微鏡の中で実施できるまでになりました。
この間、兵庫県立大学准教授から愛知工業大学教授として活動し、2020年4月に本学工学部に教授として着任しました。カーボンナノチューブ等のナノ材料の機械物性解明や発熱多層膜を使った瞬間接合技術に関する研究に加え、ナノ粒子に発熱機能を付与する研究を新たにスタートしました。私たちは、オリジナリティの高い挑戦的研究にチャレンジし、目標達成に向けて日々力強く活動しています。
Ｑ：先生が現在力を入れている研究は何でしょうか。そして将来、どのような形で社会に還元していきたいとお考えでしょうか。
私が現在、力を入れている研究は下記2つです。それぞれを簡単に紹介します。
１．原子～ナノ構造体の機械物性解明
物体サイズを極限まで小さくすると材料の強さはどう変化するのか。MEMSやナノ加工技術を駆使した独自技術で、電子顕微鏡内で数nmサイズの強度解明に挑戦しています。最近では、単層CNTの強度と構造の相関を実験的に取得することに成功しました。直径が小さく、かつ、アームチェア型に近いCNTほど高強度であることを世界で初めて実証し、この成果の一部は2019年にNature Communicationsに掲載されています。この研究をデバイス設計に反映させることで、長期信頼性に優れる“壊れない”デバイス開発に貢献できます。現在、CNTに関する研究の課題は、強度を下げずにサイズを大きくすることで、これが技術的に可能になれば、宇宙エレベーターといった大型の構造物の実現に大きく貢献できるでしょう。
２．自己伝播発熱素材の開発
2種類の異なる金属をナノの厚みで積層したものに微小な外部刺激を与えると、合金となり発熱します。金属の組み合わせや原子比、厚み等の組み合わせで発熱量を自由にデザインできるため、ニーズに合わせた発熱性能を素材に付与できます。それは電気ヒーター等の他の加熱方法とは全く異質な熱源となるので、従来技術では不可能なことが可能になります。例えば、Al/Ni多層膜を使った瞬間接合技術では、0.1秒以内に2枚のシリコンウェハを貼り合わせることができます。発熱中にガスを発生させないため、省エネだけでなく環境フレンドリーな技術として、電気自動車のパワー半導体素子の実装や、次世代医療での活躍が期待できます。
しかし、何よりも大切なことは、研究を通じて仕事力とメンタルを鍛え上げ、グローバルに活躍する学生たちを社会へと送り出すことです。彼らが自力で社会に立ち、世の中の役に立つ仕事に精一杯励むことこそが、最大の社会還元と考えています。私の研究室では学生たちが主体となって徹底的に実験データを集め、そこからどんな結論を導きだせるのかとことん追求してもらっています。
Ｑ：プライベートについてお聞かせください。先生の趣味や関心、大学生時代に夢中になった事について教えてください。
学生時代に夢中になったことは3つあります。それは、音楽、料理、研究です。音楽は、元々ドラムをたたいていたこともあり、気の合う友人とバンドを組み、作曲や練習に日々励んでいました。ジャズとポップスを足して2で割ったようなオリジナル曲を作り、ライブ活動をしていました。とあるアマチュアバンドコンテストで準優勝し、そこで優勝したグループはメジャーデビューしていきました。
料理は、大学生時代の9年間、京都山科の中国料理店の調理場でアルバイトをしました。その店のマスターが同郷ということもあり、料理を通じて弟子のように厳しくも温かく仕事のやり方を教えてくださいました。食材の切り方、鍋の振り方、味付けの仕方を一から勉強させていただき、一通りの中華料理を作れるようになりました。その店には今も通っており、マスターは私の父のような存在です。
研究は先に紹介した通り「肉眼では見えない小さい物体を見たり操ったりして、その特徴を知る」ことに興味を持ち、今に至ります。これらを通じて学んだこと、今でも学んでいることは、「要点を見極めること」「やるからには最高を目指し妥協しないこと」「必ず最後までやり遂げること」のような気がします。人生、大きな夢と目標を持ち、今この瞬間を大事に丁寧に生きることが大切と感じる日々です。
Professor NAMAZU Takahiro
In this episode of “Tell Us Teacher,” we talked with Professor Takahiro Namazu, who has been conducting research on nanomaterials which will become the foundation for technological innovation in fields ranging from semiconductor devices essential to IoT innovations to automobiles and aircraft.
I want to nurture students who can play an active role in the world through their research.
Ｑ：Why did you choose the world of engineering?
I have always enjoyed making plastic models and drawing pictures since I was a child. I was especially fond of cars, and even wanted to become a Formula 1 driver. When I went to university, I decided to study mechanical engineering in order to get involved in the automotive industry, which was my first step into this world.
Later, in April 1996, when I was a senior undergraduate student at Ritsumeikan University, I decided to enter the world of nanomaterials, which is my current field of expertise. I had hoped to enter a laboratory researching internal combustion engines for automobiles, but I was unable to do so and was assigned to a production processing laboratory. While my colleagues around me were making new grinding wheels and processing difficult-to-cut materials, some of the most advanced equipment at the time, an atomic force microscope (AFM), was brought into the laboratory, and I was assigned a topic related to nanofabrication. I remember learning the principles of the equipment from scratch for the first time and becoming completely absorbed in the many experiments I conducted.
An AFM is a microscope that uses tiny needles called cantilevers to trace the surface of a material and detect atomic-level irregularities. The tip of the needle has a small radius of about 10 nm (nanometers) and it can be used to perform various nanofabrications by applying force or electric currents to the target surface. In my experiments, I applied an electric current to the needle tip of the AFM to locally oxidize the surface of a silicon wafer, and combined it with etching to create a silicon nanobridge structure (a fixed beam structure at both ends in terms of material mechanics) with a width of about 200 nm. We also took up the challenge of measuring the strength of this structure, and found that the strength increases as the size of the material decreases, and that there is no size effect on Young’s modulus* in the nano to millimeter range. I wondered to what extent the Young’s modulus deviated from a certain value when the material was reduced in size, and whether that size was the limit at which the material could be treated as a continuum. I was fascinated by the world of nanomaterials, which is invisible to the naked eye, and was strongly attracted to the experimental identification of the boundary size between continuum and atomic aggregates.
*Young’s modulus is the proportional constant of strain and stress in the coaxial direction in the elastic range where Hooke’s law is valid.
Ｑ：After obtaining the doctoral degree, you have begun to conduct full-scale research.
Yes, that’s right. After obtaining my doctorate at Ritsumeikan University, I worked as an assistant professor at the University of Hyogo, where I developed an original experimental technique to precisely measure the mechanical properties of micro materials such as thin films. The reason why I started with micro testing technology instead of nano testing technology is because the technical difficulty of nano testing is extremely high and I felt that it would be reckless to start with nano testing technology. As a micro material testing technology, we developed a number of original testing devices, such as uniaxial and in-plane orthogonal biaxial tensile testing devices for thin films and tensile testing devices in an electron microscope. However, in the course of conducting these experiments, I lost interest in the experiments in which students used up the micro test specimens that they had fabricated in about a month using semiconductor processing technology in just one minute.
So we started by making our own sputtering equipment for making thin films. Together with the students, I drew up the plans from scratch and we started our research on metal multilayer films using our in-house three-source DC sputtering system. These films are made of light metals and transition metals deposited in layers of several nm to several tens of nm in thickness, and have the unique feature that an exothermic reaction occurs when an external micro-stimulus is applied, and the reaction propagates through the film at high speed. Using this exothermic film as an instantaneous local heat source, we have established a unique technology for bonding silicon wafers and other materials in less than one second. This research was selected as a “JST PRESTO” project, and the research on making materials was greatly accelerated as a result. During this time, we also started to develop nano-testing technology and succeeded in developing strength testing technology for nano-materials using MEMS (Micro Electro Mechanical Systems). We are now able to conduct strength tests of carbon nanotubes (CNTs) and silicon nanowires in an electron microscope.
During this period, I worked as an associate professor at the University of Hyogo and then as a professor at Aichi Institute of Technology, and in April 2020, I was appointed as a professor at the Faculty of Engineering of KUAS. In addition to research on elucidating the mechanical properties of nanomaterials such as carbon nanotubes and instantaneous bonding technology using exothermic multilayers, we have started a new research project on adding exothermic functions to nanoparticles. We are pushing ourselves to conduct highly original and challenging research, and we are working vigorously every day to achieve new goals.
Ｑ：What is your current research focus? And in what ways do you want to give back to society in the future?
I am currently focusing on the following two areas of research. I will briefly introduce each of them.
1.Elucidation of the mechanical properties of atomic to nanostructured materials
How does the strength of materials change when the object size is reduced to its absolute extremes? We are trying to clarify the strength of several nm sizes in an electron microscope with our original technology that makes full use of MEMS and nano processing technology. Recently, we succeeded in experimentally obtaining answers about the correlation between the strength and structure of single-walled CNTs. We demonstrated for the first time in the world that CNTs with smaller diameters and with shapes closer to an armchair possess higher strength, and some of these results were published in Nature Communications in 2019.
By implementing this research in device design, we can contribute to the development of “unbreakable” devices with excellent long-term reliability. The current challenge in CNT research is to increase the size of CNTs without decreasing their strength, and if this becomes technically possible, it will greatly contribute to the realization of large structures such as space elevators.
2.Development of self-propagating heat generating materials
When a nano-thick layer of two different metals is given a small external stimulus, it becomes an alloy and generates heat. Since the amount of heat generated can be freely engineering through the combination of metals, atomic ratios, thicknesses, etc., the material can be given a heat-generating performance tailored to whatever the process calls for. It is a completely different heat source from other heating methods such as electric heaters, which makes it possible to do things that are impossible with conventional technologies. For example, instantaneous bonding technology using Al/Ni multilayers can bond two silicon wafers together in less than 0.1 second. Since no gas is generated during the heating process, this technology is not only energy-saving but also environmentally friendly, and is expected to play an active role in the mounting of power semiconductor devices for electric vehicles and next-generation medicine.
The most important thing, however, is to send students out into the world who can play a global role by developing their professional skills and mindset through their research. I believe that the best way to give back to society is to create graduates who can stand on their own feet and do useful work for the world. In my laboratory, students take the initiative in thoroughly collecting experimental data, and are encouraged to actively pursue any conclusions they can draw from it.
Ｑ：Please tell us about your hobbies, interests and things you were into during your time as a student.
There are three things that I was passionate about when I was a student. These were music, cooking, and research. As for music, I used to play the drums, so I formed a band with my good friends and worked hard on composing and practicing every day. We wrote original songs that were a mixture of jazz and pop music, and performed live. We won the second prize in an amateur band contest, and the group that won the contest went on to make a major debut.
As for cooking, I worked part-time in the kitchen of a Chinese restaurant in Yamashina, Kyoto for nine years when I was a university student. The master of the restaurant was a native of my hometown, and he was a strict boss but took me in like an apprentice through cooking. I learned how to chop vegetables, use a wok, and season food from scratch, and now I can make all kinds of Chinese food. I still go back to that restaurant to this day, and the master is like a father to me.
As for my research, as I mentioned earlier, I became interested in “seeing and manipulating small objects that are invisible to the naked eye, and learning about their characteristics”. What I have learned and am still learning through all of this is to “never lose sight of the point”, to “aim for the best and never compromise”, and to “always finish what you start”. Every day I feel that it is important to have big dreams and goals in life and to remember that every moment is precious.
