小野 亮/ONO Ryo

小野 亮 准教授

【研究分野】
環境・エネルギー分野
【研究領域】
放電プラズマ工学、プラズマケミストリー
【研究室URL】
http://streamer.t.u-tokyo.ac.jp

研究内容

空気やアルゴンなどの気体に高電圧を印加すると、荷電粒子が加速され、分子・原子と衝突・電離を繰り返しプラズマ(=電離気体)が生成されます。プラズマは反応性の高い「超高反応性ガス」であり、通常では考えられないような強い反応が発生します。本研究室では「プラズマ反応を利用した未来のエネルギー・環境・医療技術の開発」に取り組んでいます。また、「プラズマ反応をレーザー計測とシミュレーションで解明する基礎研究」にも取り組んでいます。

エネルギー技術

火力発電所や自動車・航空機エンジンでは、燃料を燃焼させてエネルギーを得ています。燃料の着火や燃焼にプラズマを利用し、燃焼性能の向上や環境汚染排ガス低減を行う研究に取り組んでいます。水素やプロパンなどの燃料をプラズマで活性化してから燃焼したり、プラズマ着火する研究を行っています。

もう一つ、別のエネルギー技術として、次世代太陽電池である色素増感太陽電池をプラズマ反応で高効率化する研究も行っています。色素増感太陽電池の酸化チタン(TiO2)光電極をプラズマ反応で処理し、太陽電池の性能を向上させます。プラズマは太陽電池の変換効率向上のみならず、太陽電池の製造に必要な焼成温度を大幅に下げる効果もあり、耐熱性の低い材料を使った新しいタイプの太陽電池の開発にも道を拓いています。

医療技術

プラズマにガン治療や創傷治癒の効果があることが最近分かってきました。プラズマの活性種(反応性の高い化学種:酸素原子、OH分子、イオン、励起種など)が、ガン細胞を不活化したり、逆にダメージを受けた細胞を修復したりします。医学の専門家と共同研究を行い、医療用プラズマの開発や、プラズマ医療の原理解明に取り組んでいます。培養した細胞へプラズマを照射し、細胞の活性化・不活化の度合いを調べるとともに、どの活性種が作用しているかを調べるため活性種のレーザー計測も行っています。また、創傷治癒で重要なプラズマ殺菌の原理解明にも取り組んでいます。

環境技術

プラズマによる水処理技術の開発を行っています。汚染水の中で水中プラズマを発生すると、水分子(H2O)が解離してOH分子が生成されます。このOH分子の極めて強力な殺菌・化学物質破壊効果を利用して汚染水を浄化します。OH分子による水処理は促進酸化法(AOT: Advanced OxidationTechnology)と呼ばれ、薬剤や紫外線の組み合わせでOHを生成する既存の手法があります。これをプラズマで発生するのが、本研究のコンセプトです。プラズマによる環境汚染ガス処理技術も開発しています。工場・発電所・自動車から排出される燃焼排ガスや化学物質を、プラズマ反応で簡単・安価に分解除去する研究を行っています。室内空気浄化の研究にも関連しています。

プラズマ反応の解明

上で述べたプラズマ技術の開発には、プラズマ反応の中核となる活性種の挙動を調べる基礎研究が重要です。我々は、プラズマ反応で重要なこれら活性種のレーザー計測と、プラズマ反応シミュレーションの構築を通して、プラズマ反応を解明する研究を行っています。活性種の計測には、レーザー誘起蛍光法やレーザー吸収法を用います。分子のエネルギー構造に関する量子論的な知見や、レーザー分光に関する知見を学び、これらを駆使します。シミュレーションでは電界計算、流体力学、電界下での荷電粒子の衝突反応、化学反応論を学ぶとともに、自ら高度なプラズマシミュレーションを構築する醍醐味を味わえます。

学生へのメッセージ

プラズマは通常では起こせない反応を容易に起こすことができ、ここで紹介した他にも様々な応用が考えられます。プラズマは大きな可能性を秘めた未完の技術であり、エネルギー・環境・バイオ・医療・材料・化学プロセスなど多くの技術に関連したキーテクノロジーです。このような異分野も含めた新しいテーマの探求が好きな人、あるいは高電圧工学、レーザー分光計測、荷電粒子や化学種の反応工学、流体力学を駆使したプラズマ反応の基礎研究に興味のある人、お待ちしています。

図1:エネルギー技術(プラズマ支援燃焼、プラズマ着火、色素増感太陽電池)
図2:医療技術(プラズマ照射したガン細胞の分析とプラズマ殺菌)
図3:環境技術(水処理と環境汚染ガス処理)
図4:プラズマ反応の解明(活性種のレーザー計測とシミュレーション)