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2017年 10月 22日 (日)

研究室へ行こう:宇宙からナノまで究める「プラズマ」畠山・金子研究室の皆さんに聞きました。 取材・写真・文/大草芳江

2009年4月21日

畠山・金子研究室(東北大学大学院工学研究科電子工学専攻)を一言で表すと?

「アグレッシブに、常日頃コツコツと」


畠山・金子研究室(東北大学大学院工学研究科)の学生に聞く

―このコンテンツは、「科学って、そもそもなんだろう?」を探るべく、研究室の「今」を
 学生さんの本音を通して、まるごとお伝えするコーナーです。
 今回は、東北大学大学院工学研究科電子工学専攻の畠山・金子研究室に所属する
 学部4年(研究歴:約1年)・修士1年(約2年半)・博士3年(約5年半)の皆さんに集まって
 頂きました。研究歴の違いからも研究室の「今」が立体的に見えればと考えています。

馬場和彦さん(博士3年):

―研究内容について、ご紹介ください。

馬場和彦さん(博士3年)

畠山研には、基礎と応用の研究があります。

基礎は、プラズマそのものを調べています。
応用ではプラズマを使って、最近はカーボンナノチューブ やフラーレンなどのナノ物質をつくったり、
新しい特性を与えたりする研究などをしています。

私は、応用の方で、プラズマ中に液体を入れて、新しい物質を作る研究しています。
プラズマそのものは、一般的に減圧下でつくるのですが、
そういう環境では通常、液体は入れにくいんです。蒸発してしまうので。

大気圧でもプラズマはできるのですが、プラズマそのものは減圧下の方が、
制御しやすい、つまり、こちらが言うことを聞きやすいところがあります。

ところがイオン液体という特殊な液体がありまして、
それは減圧下にも導入できるという、一風変わった性質を持っているんです。

このように自由度を持った上で、プラズマと液体と組み合わせた環境というものは、
これまでありませんでした。

イオン液体を容器内に導入して真空引きをし、 プラズマを発生させる準備をする馬場さん。

イオン液体を、減圧というこれまでにない環境下に
放り込んだら、何が起きるのだろう?

新しいものを組み合わせて、新しい環境をつくれば、
新しいことが何か発見できるのではないか。

そういうところを、基礎物理現象を含め、
カーボンナノチューブなどの応用に結びつけるような研究をしています。

どちらかと言うと、プラズマ研究の中では、
新しいプラズマの形態をつくるという研究です。

―何か見通しがあった上で、新しいものを組み合わせていると思うのですが、
 そもそも、どのような価値に結びつくという見通しで行っている研究なのでしょうか?

イオン液体と接触したプラズマが生成されている様子

もともと学部の頃にテーマを貰って、
大気圧プラズマから研究をしていました。
大気圧という環境下だと、発生するのは
非常に小さなプラズマなのです。
そこに液体を接触することはできるのですが、
自由が効かないという問題がありました。

プラズマの制御性は減圧下の方が、
こちらの言うことをより聞きやすいところがあります。

ですからプラズマを自由に操ることができると、新しく拓けてくるところがあるのです。

あとは最近、それぞれの分野において研究が進んできましたが、
特に最近は、融合がひとつの流れになっています。

お互い分かれていたものがまた出会うことで、何か新しいものができるのではないか。
そういう流れの一環でもありますね。

これまでは大気圧下で液体と接触させてきたものを、
自由度が効く環境下で液体と接触させたとき、プラズマは液体と、どう対話するか。

液体を用いることで、バイオ系のプロセスも可能になるような形態が生まれてきます。
減圧下に対して液体を導入すると、そういった融合研究になるのです。

つまり、色々な分野のものを融合することで、全く新しいことができるのではないか、
ということを探索しています。

それと個人的には、ちょっとスケールの大きなことを言うと、これからの宇宙時代、
宇宙環境で液体を扱う場合に、プラズマとイオン液体の関係も、基礎物理として、
もしかしたらおもしろくなるのではないのかな、という想像もしているわけです。

イオン液体は、宇宙環境でも、液体として存在しうる。
なおかつ宇宙はプラズマでできていますので。

・・・
難しいですね(笑)。

専門的な固い言葉で話す癖があるけれど、
それを噛み砕いて言おうとすると、難しいですね。

けれども噛み砕いて話すと、本質がより見えてきそう(笑)。

シンプルな質問に対して、意外とそれが重要だったり、本質をついている。
「何でやっているのかな」とつい、言いそうになりました(笑)。

研究も毎日いろいろやっていると、
「自分が何をやっているんだろう」と、ふと思うことがあるんです。

それが毎日当たり前のように感じることがあるので、そういった意味でも、
研究として、いろいろ振り返ることにもなりますね。


田村周一さん(修士1年):

―研究内容について、ご紹介ください。

田村周一さん(修士1年)

僕は、応用ではなく基礎研究の方で、
プラズマ自体を見ることをやっています。

今見ているのは、プラズマの不安定性というもの。
プラズマは特性上、うまく長時間、
形をずっと安定に保つことができません。
プラズマ中に波の「ゆらぎ」ができたりすると、プラズマが壊れてします。

僕が研究しているのは、どういう条件で、プラズマにゆらぎができて、
プラズマが不安定になってしまうのかというものを、ずっと計測していく実験です。

―基礎研究とおっしゃっていましたが、研究の目的は何ですか?

ひとつは、核融合発電の実現です。
プラズマの応用はいろいろあるのですが、今一番期待されているのが、核融合というもの。

これは、発電の新たな形式なのですが、実は、太陽もプラズマでできていて、核融合反応が起きて、
太陽の持つエネルギーはすごく大きいものがあります。

地球上で、太陽がやっているような反応を、人工的に自力で起こすことができれば、
エネルギー生成はとても効率的で、無尽蔵なエネルギーを生み出すことができます。

核融合発電をするためには、とてもエネルギーの高いプラズマを長い時間、
維持し続ける必要があるのです。
けれども現時点では、それがなかなか達成されていない。

プラズマ中にできるゆらぎなどによってプラズマが不安定になり、
プラズマが壊れてしまうので、なかなか核融合の反応を、
太陽のようにずっとやり続けることができないためです。

ですから、プラズマ不安定性の原因や、プラズマ不安定が生じる条件を研究することで、
ゆくゆくは、核融合発電のための土台となるようなことを目指しているのが、ひとつです。

―核融合発電が達成されない原因は、プラズマ不安定性によるものが最も大きいのですか?

プラズマ不安定の他に、どのような装置でプラズマを作るかとか、いろいろ問題も
あるのですが、その中でも一番の問題は、プラズマが長時間維持できないことです。

長時間維持できない要因も、様々あるのですが、その中で僕は、
プラズマがゆらいでいる状態がどのようなときに起きるのかを、計測しているのです。

プラズマのゆらぎを測定する田村さん

―具体的には、どのような方法で研究しているのですか?

測定方法は、大きな装置でプラズマをつくり、
電極や磁場などで、プラズマの状態をいろいろ
変化させることができるので、それを変化させながら、
プラズマの状態の変化を見ていくという感じです。


小山内陽祐さん(学部4年):

小山内陽祐さん(学部4年)

カーボンナノチューブがのった基盤に、カルシウムプラズマを照射する

発生したカルシウムプラズマの様子を確認する小山内さん

自分が研究しているのは、応用の方です。

研究の目的としましては、今、半導体のデバイスとして、
シリコンを用いた半導体デバイスが多いのですが、
その小型化がほぼ限界まで来ています。

半導体デバイスを小型化するために、
カーボンナノチューブを用いて、半導体デバイスを
つくれないかということで、カーボンナノチューブを
用いた研究をしています。

そもそも半導体をつくるには、
P型の半導体とN型の半導体が必要です。
けれども、カーボンナノチューブ自体はP型なんです。

簡単に言いますと、P型は「正孔」と言いまして、
電子の穴の部分が電流として流れる。
N型は、電子が電流として流れる物質なのです。

トランジスタという半導体デバイスは、P型とN型を合わせたもの。
カーボンナノチューブはP型なので、
N型の物質をつくらないといけない。

そこで、N型の半導体をつくるために、カルシウムのプラズマをつくって、
カーボンナノチューブにカルシウムを内包させて、N型にできるのではないか
という予測のもと、実験をしています。

発生したカルシウムプラズマ

馬場さん(博士3年):
つまりは、電気的な特性を変えたい、ということです。
そもそもチューブには、ある電気特性があります。

けれどもチューブは中が筒になっているので、
中に何かを詰めたら、電気的な特性も変わるのではないか。

中に入れるものによって、どう変わるだろうか。
中に入れるものは、フラーレンであったり、原子であったり、でいろいろ変わります。

そういったものひとつに、カルシウムがあります。
プラズマという状態が、プラスとマイナスの電荷を帯びた状態なので、
カルシウムイオンを制御しやすい環境をつくっている状態なのですね。

そこでプラズマを使うことで、カルシウムがプラスであれば、チューブをマイナスにすれば、
プラスはマイナスに行くので、そういうことで照射をしてやって、
チューブの内部空間にカルシウムを入れてやる。

そういうことで、空っぽのチューブとは、また違ったような物質ができる。
ということで、そういった電子特性を、いろいろと調べているということです。

小山内さん(学部4年):
物質としての特性が変われば、それをまた応用することができます。
そこで、どういう物質になるかを調べるべく、色々な物質を内包して、
その電気特性を調べてみて、「あ、変わったな」ということを調べたりしています。


宇宙プラズマ・核融合プラズマ現象解明の室内実験装置


そもそも研究とは?

―小山内さんが畠山・金子研に来たのは1年前ですね。畠山研を選んだ理由は、何かありますか?

小山内さん(学部4年):
テーマ的には与えられる形ですが、この研究室を選んだ理由としましては、
まずは自分の中で条件がありまして、まず実験系であること。

パソコンの前でカタカタやるシミュレーション系ではなく、
オールマイティな仕事をできる、実験系であること。

次に、大学の授業を受けていく中で、自分の得意科目は何であるかを考えて、
その中で、プラズマの研究室はまだ合っている方かな、ということ。

あとは、研究室見学の中での先輩方の雰囲気を見て、この研究室を選びました。

―オールマイティな仕事とは?

僕のイメージですが、実験系って、ちょっと体育系のイメージがあるんですよ。

体を動かして何かをして、データをまとめるのには、
パソコンの前で打って、またなぜ悪いのかを考えて、また体を動かす。

そういうことをしていきたかったので、
シミュレーションよりも、実験系の方が良いかなと。

―実験系=体育会系というイメージについて、先輩方はどう考えられますか?

田村さん(修士1年):
確かに体は動かしますが、体育系ではないかな・・・(笑)

馬場さん(博士3年):
体を動かすと言いますか(笑)、手を動かして、頭を動かして、やっていく。
重たいものを動かすときは、たしかに体育会系の方が有利だけど(笑)。

小山内さん(学部4年):
現場を知ることができるのが、実験系というイメージがあります。
イメージが若干、違うんですかねぇ(笑)

「こうしたら、こうなるだろう」と予測しながら実験をしていくのだろうと思いますが、
それがうまくいかなかった場合、「これはこういうものなのか」と考えて、
次のステップに進んでいく、そういうステップが実験系にはたくさんあると思うので。
それが楽しいというか、おもしろそうだな、と。

―実際に研究をやっていて、その原動力は何ですか?
 例えば理学部と工学部で、その原動力は違ったりするのでしょうか?

馬場さん(博士3年):
それはもう、発見ですね。

小山内さん(学部4年):
理学部は、メカニズムを深く究明していくイメージがあります。
工学部は新しいものを見出して、実用化に向けて発見していくようなイメージがあります。

田村さん(修士1年):
僕のやっているプラズマの観測というのは、実用化というよりは、
プラズマ自体の状態を観測し、なぜそうなっているのか、という興味の方が強いですね。

ですから、どちらかと言えば、実用化よりも、物理とか力学とか、
そちらの興味の方が強いです。

うちの研究室の場合、マスターと学部生の研究については、
先生がだいたい人の性格を見て、テーマを決めているそうです。

応用か基礎か、その人の適正などを見て、
やっぱりそれにあった性格というものがあるらしくて。

この研究だったら、こういう性格の人が向いているから、
こういうテーマにしよう、と先生が決めているらしいです。

僕は、テーマを与えられて研究をしているわけですが、
実際にやってみて性格的には、基礎研究の方が、僕は合っているなと感じています。

―メカニズムを探究していく基礎と、実用化を目指す応用。
 それぞれに合った性格があって、それに先生がテーマを振り分けるスタイルなのですね。
 ちなみにドクターの方は、自分でテーマをつくるのですか?

馬場さん(博士3年):
テーマは、与えられた修士のテーマから引き継いで、ドクターでもやりました。

ただ、最初のきっかけとしてテーマ的なものは与えられますが、
その後は、研究をして進展をさせて議論をしている間に、
新しいものがでてくれば、また新しい流れが出てきます。

そういう意味では、主に、与えられたテーマに対して取り組むのですが、
それがすべてではないかもしれない。

我々は、実験屋です。
けれども、ただ単に、実験をしているわけではなく。

直接手を動かして、ものをつくって、装置を組立てて、実験をして、
それを測定して、解析して、そこからまた次に、そこからどうすればいいかを見て。
実際に、個々の現象に対して、対話をしながら、やっていきます。

そのなかで、大半が失敗ですけれども、
そういった失敗の中でも、はっきりと返ってくるものがあるんです。

駄目だったら駄目、測定できないときは測定できない、こうやったらうまくいく。

そういう対話というのが、おもしろいところでもあるかなぁと思いますし、
そういった中で、またこれまでないような発見が重なると、またおもしろさが増します。

思いがけないところで、発見があったりして。
そのあたりが非常に、味わいのあるところと言いますか、
噛み応えのあるところと言いますか、そういう感じです。

―それが研究の醍醐味という感じですか?

醍醐味で言えば、大半はうまくいかないことが、やっぱり多いんですよね。

そういった中で、研究というかな、課題を与えられて取り組んではいますが、
そういうものを通して、自分と向き合うことの方が、なかなか多いのかな。
自分が主体的に考えて動いていかなければならないことが多いので。

そこもまた、おもしろいところで、
素直に返ってくるときもあれば、返ってこないときもある。

人との対話ではないですけど、自然現象と、別の形で対話していくような感じで、
いろいろな面で、一般社会のところに通ずるところもあるのかなと、漠然と思っています。

最初はそこまで深く考えることはないと思いますし、
各個人がいろいろ感じ取りながら研究をやって、
消化していけばいいのだと思うのですが。

けれども少なくとも私は、ドクターまでいつの間にか来て(笑)、
そういうところを強く感じることが、最近出てきたところがありますね。

―特に「最近」なのですか?
 時間に比例して、そのように感じるようになるということでしょうか?

ひとつ言えるのは、これまでたくさんの経験を
させてもらえたというのが、大きいのかなぁと。

それは、いろいろですね。
研究も、最初のテーマを与えられて、
もちろん指導教員がいて、先生や先輩から教わるわけですが。

研究計画から、例えば、自分で考えたことをこうやるには、どれくらい何が必要なのか、
そのためには何が必要なのかを設計をして、設計図まで描くんですね。

次に今度は工場へ行って、「こういうものをつくりたい」と言って、
工場の人たちと一緒になって、実際ものをつくっていく。

そうやって装置ができてきて、次に、じゃあプラズマをつけないといけない。
今度は、配線も自分でしないといけない。
プラズマをつけたら、それを調べないといけない。

そして解析をしたり、それをまとめて文書化して、
目に見えるような形で、結果をまとめる。

最終的にはパワーポイントを使って、
皆に説得する、発表するというところまでいく。

その発表するときも、学会など、いろいろなところへ行かせてもらえるし、
場合によっては、国際会議にもいけます。

総合的な経験がすべてできるというところが、最終的にそれが一番の財産となって、
先ほど言っていたものに、つながっていく部分があるのかなぁと。

そういった意味では、学内に残る人、企業に行く人、どこに行くにしても、
そういった経験が、最終的に活きていく部分があるのかな。

そういうことを経験できることは、良いことだと思います。

―馬場さんは、5年半分のいろいろな経験を通して、そう思われている。
 では、2年半分の経験をした田村さんは、どう感じていますか?

田村さん(修士1年):
僕はまだ、自分で設定して、新たに自分がやりたいことをやるために
装置を立ち上げるところまではできないところがありまして、
どうしても今ある装置で、先輩からいろいろ習って、
その出来る範囲で自分のやりたいところをやっているという部分が強いですね。

ただマスターでも、いろいろと学会へ行かせてもらったりとか、
事務的な書類を書いたりとか、実験以外でも、確かに、
いろいろな経験をさせていただいているように気がします。

ずっと同じこととか、言われたことだけをやっているよりかは、
ちゃんと局面局面で自分で考えて、いろいろしないといけないことを学びました。

―そのような環境が、ここでは整っているということですか?

うちの研究室の場合は、特に。

先生も忙しいし、皆、預かっている研究分野も多方面なので、
詳しい人を捕まえて話を聞かないと、厳しかったりします。

あとは、一人ひとりのやらないといけない仕事量は比較的多い方だと思うので。
どうしても、ちゃんと自分で考えてやっておかないと。
後々まずいことになることは多いですね(笑)。

小山内さん(学部4年):
いい経験として捉えられるようにすべき、ですよね。

馬場さん(博士3年):
確かにやることはたくさんあるんですね。

そこはやっぱり、最終的には個人がどうとらえるかで、
そこをまあ、結局すべてやらされていると思えば、重さは倍になると思いますし、
これはできるんだと思ってやれば、それは半減しますし。

もちろん絶対的な量の程度にも寄りますけど(笑)。

どちらかというと畠山研としては、とりあえず自分でまず経験をしてみなさい、
というスタイルなのでしょう。

もちろん安全を確保する上では、最低限守らないといけないところはありますが、
まずは自分でやって、経験した上で、自分で考えさせるスタイルのようです。

―では、1年分の経験をした小山内さんはどう感じていますか?
 研究室配属直後から、何かしらの変化はありましたか?

小山内さん(学部4年):
入ってきた当時は、あまりよくはわからなかったです。
けれども一年間配属されて、段々と仕事が与えられるようになってきて、
先輩方の生活や、仕事をこなす様子を見ていくうちに、
「自分から動かないと駄目なんだな」と思いました。

こんなに仕事があるんだと最初はびっくりしましたが、
後々は、自分の役に立つことなのだろうな、という気は今、
少しずつ出てきています。


研究室について

―畠山先生はどのような方だと思いますか?

小山内さん(学部4年):
研究においては、ゼミで発表した後に、鋭く僕の研究に対して質問して頂いたりして、
研究の方向性というものを正してくれるような、素晴らしい先生だなぁと思っています。

研究に対する姿勢を教えて頂けているような、偉大な先生のような気がします。
研究の意欲を湧き出させてくれるような、そういう雰囲気を持っている先生かな。

それこそパワフルな質問をしてくる感じで、
それに答えようとするために、研究にも意欲が湧いてきたり。

そうですね、そんな感じです。

田村さん(修士1年):
やっぱり頭の良い人だな、というのがありますね。
ちゃんと人を観察している、見ている感じがします。

何も考えていないようで喋っているようなこともあるのですが、
ある意図があって、そう喋っているという部分があると思います。

馬場さん(博士3年):
研究所では本当に厳しく、やはり厳しい面はありますが、
一方で、気さくでおもしろい面がある方だなぁと思います。

一番は、ものごとに対する接し方、取組み方が、私としては勉強になります。
ものごとに対して一生懸命取り組むようなところは、我々学生も見習うべきところ。

研究という分野でもそうですし、単に人としても、
非常に勉強になる、魅力を感じるところでもあります。

―では最後に、畠山研を一言で表すと?

小山内さん(学部4年):
「常日頃」ですね。

一日一日コツコツやっていくことが結果へつながっていく、多分そういうことだろうと。
教授も毎年「常日頃」という言葉を皆に伝えるのですが、結構、ずっしりとくる言葉で。

その言葉がぴったりくると思っています。

田村さん(修士1年):
僕も、「常日頃」・・・(笑)

小山内君の話を聞いて、あぁそうだな、と思いまして。
確かに、研究をしていく中で、一日一日の積み重ねです。

特に、僕がやっている研究なんかは、コンスタントに実験をやらないと、
結果も出てこない研究ですので、良い言葉だと思います。

馬場さん(博士3年):
ここで「常日頃」は、言えないですねぇ・・・(笑)

「アグレッシブ(aggressive)」。

課題に対しても、積極的に新しいことを見つけよう。

課題はそれぞれに与えられるので、それに対する新しい発想とか、
もしくは、引継ぎの研究では、これまでの蓄えられてきた研究成果をもとにして、
それを継承しつつ、じゃあ自分はここで何ができるのかと、やっぱり考えたりして。

ですから一言でいえば、アグレッシブ。

畠山先生自体も、積極的でエネルギッシュというか、
とてもパワフルな先生なので、学生もすごく触発されるところが多いですね。

そういう意味では、アグレッシブに、やっぱり常日頃やらないと(笑)。

―皆さん、本日はどうもありがとうございました。

取材先: 東北大学      (タグ: , , ,

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