【資料2-4】今後5年程度に集中して取り組むべき研究開発例について（案）

資 料 2-4 科 学 技 術 学 術 審 議 会 先 端 研 究 基 盤 部 会 光 量 子 研 究 開 発 作 業 部 会 第 5 回 ) 平 成 24 年 6 月 19 日 今 後 5 年 程 度 に 集 中 して 取 り 組 むべき 研 究 開 発 例 について 案 ) < 重 点 的 推 進 事 項 > 1 ものづくり 力 の 革 新 を 実 現 する 先 導 的 研 究 開 発 によるイノベーションの 促 進 2 横 断 的 利 用 の 成 功 事 例 となる 利 用 研 究 とその 実 現 に 向 けた 技 術 開 発 3 産 業 界 を 含 めた 利 用 者 の 裾 野 を 大 きく 広 げる 研 究 開 発 4 研 究 開 発 と 一 体 的 な 若 手 研 究 者 等 の 育 成 < 課 題 解 決 型 の 研 究 開 発 テーマ> 光 量 子 の 融 合 により 学 術 研 究 から 産 業 応 用 基 盤 技 術 開 発 にいたる 幅 広 い 新 たなアプローチによる グリーンライフイノベーションへの 貢 献

光 量 子 研 究 開 発 の 融 合 連 携 によるイノベーションの 創 出 案 ) 光 量 子 技 術 は ナノテクノロジー ライフサイエンス IT 環 境 等 の 広 範 な 科 学 技 術 や 産 業 応 用 に 必 要 不 可 欠 な 基 盤 技 術 我 が 国 の 光 量 子 研 究 開 発 における 融 合 連 携 を 促 進 させ 産 学 官 の 多 様 な 研 究 者 が 参 画 できる 研 究 環 境 を 形 成 し イノベーショ ンの 創 出 ものづくり 力 の 革 新 を 実 現 させる これにより 他 国 の 追 随 を 許 さない 世 界 トップレベルの 研 究 開 発 を 先 導 する ~ 融 合 連 携 研 究 を 促 進 する 研 究 開 発 のイメージ 図 ~ 高 次 高 調 波 レーザー 放 射 光 施 設 パワーレーザー 小 型 中 性 子 源 X 線 自 由 電 子 レーザー 大 型 中 性 子 施 設 時 間 分 解 X 線 回 折 法 による 光 誘 起 構 造 転 移 レーザー 超 高 圧 による 新 物 質 材 料 創 生 < 想 定 される 研 究 発 テーマ 例 > 20μm HIV-プロテアーゼの 触 媒 基 の 解 離 状 態 触 媒 反 応 の 超 高 速 動 態 の 解 明 コンパクトERL 放 射 光 レーザー 連 携 利 用 省 エネルギー 社 会 の 実 現 を 目 指 摩 擦 ダイナミクスの 解 明 中 性 子 とミュオン 連 携 利 用 燃 料 電 池 の 心 臓 部 である 電 解 質 膜 の 高 性 能 化 イオン γ 線 電 子 線 の 創 る 機 能 と 中 性 子 の 観 る 機 能 の 連 携 利 用 極 限 状 態 の 科 学 パワーレーザーとXFEL 連 携 利 用 光 触 媒 反 応 の 生 命 ダイナミクスの 解 明 XFEL 放 射 光 レーザーによる 軟 X 線 利 用 タンパク 質 の 水 素 ダイナミクスの 解 明 中 性 子 と 放 射 光 連 携 利 用 次 世 代 加 速 器 等 の 高 度 化 小 型 化 に 向 けた 研 究 開 発 装 置 の 高 度 化 小 型 化 等 による 光 量 子 融 合 連 携 促 進 量 子 技 術 と と 光 科 学 技 術 の の 一 体 的 な 研 究 開 発 利 用 研 究 を 促 進 光 量 子 分 野 の の 横 断 的 統 合 的 利 用 の 成 功 事 例 となる となる 利 用 研 究 と その と その 実 現 を 目 指 技 術 開 発 を を 推 進 産 業 界 や 他 分 野 にその にその 有 効 性 先 進 性 を 展 開 し 利 用 者 の 裾 野 を 大 きく きく 広 げる げる 研 究 開 発 等 を 推 進 するとともに するとともに 若 手 人 材 育 成 先 端 光 量 子 技 術 を 複 数 使 い 熟 す 研 究 者 の 増 加 コーディネーターの コーディネーターの 資 質 を 有 研 究 者 の 育 成 を 図 る る 課 題 解 決 に 向 けた けた 先 導 的 取 組 として 5 として 5 年 程 度 で 一 定 の 成 果 がでるものを がでるものを 重 点 的 に 支 援 融 合 連 携 を 促 進 する 利 用 者 本 位 の 技 術 開 発 利 用 研 究 によりイノベーション 創 出 を 実 現!

光 量 子 融 合 連 携 基 盤 技 術 開 発 プログラム 仮 称 )~ 具 体 的 なイメージ 例 ~ コンパクトERL ERL 放 射 光 レーザーによる 物 質 構 造 ダイナミクスの の 解 析 グリーンイノベーション) グリーンイノベーションの グリーンイノベーションの 鍵 となる となる 化 学 反 応 として として 注 目 されている されている 光 合 成 は は 分 子 が 吸 収 太 陽 光 エネル エネル ギーをどのように ギーをどのように 化 学 エネルギーに エネルギーに 変 換 するのかが するのかが 未 解 明 のまま のまま 課 題 と なっており エネルギー なっており エネルギー 変 換 のメカニ のメカニ ズムを ズムを 知 る 上 で で 変 換 過 程 における における 物 質 構 造 ダイナミクスを ダイナミクスを 知 ることは ることは 極 めて めて 重 要 な 要 素 こう こう 背 景 を 受 けて けて 現 在 呼 吸 鎖 光 合 成 といったような といったような 膜 タンパク タンパク 質 複 合 体 の 動 的 構 造 等 の 解 析 が 注 目 され され 主 に 放 射 光 を 利 用 解 析 が 進 めら めら れているところ れているところ しかしながら しかしながら 超 高 速 で 起 こっている こっている 光 合 成 の 初 期 過 程 の 理 解 には フェ には フェ ムト ムト 秒 からピコ からピコ 秒 の 時 間 分 解 能 が 必 要 であり であり 現 行 の 技 術 で 解 析 すること すること は 不 可 能 放 射 光 レーザーに レーザーに 加 えてコ えてコ ンパクトERLのそれぞれの ンパクトERLのそれぞれの 特 性 波 長 パルス パルス 幅 など)を など)を 利 用 し し 物 質 構 造 の 高 速 ダイナミ ダイナミ クス クス 研 究 を 進 めることにより めることにより 超 高 速 で 起 こっている こっている 光 合 成 の 初 期 過 程 の 理 解 に 必 要 な な フェムト フェムト 秒 からピコ からピコ 秒 の 時 間 分 解 能 による による 解 析 が 可 能 人 工 光 合 成 触 媒 反 応 等 について 電 子 状 態 変 化 等 も 含 んだ 構 造 変 化 を 分 析 することで 新 規 触 媒 開 発 エネルギー 変 換 貯 蔵 素 子 等 のナノデバイス 開 発 研 究 等 への 展 開 が 期 待 コンパクトERLを 利 用 フェムト 秒 オーダーの 物 質 科 学 研 究

光 量 子 融 合 連 携 基 盤 技 術 開 発 プログラム 仮 称 )~ 具 体 的 なイメージ 例 ~ 中 性 子 とミュオンによる 摩 擦 メカニズムのダイナミクス 階 層 性 研 究 グリーンイノベーション) 自 動 車 をはじめ をはじめ 様 々な 々な 工 業 製 品 の 中 で 起 こる こる 摩 擦 に よるエネルギー よるエネルギー 損 失 はGDP はGDP の3%とも の3%とも 言 われ われ 摩 擦 によ によ るエネルギー るエネルギー 損 失 を 低 減 さ せることが エネルギー せることが エネルギー 問 題 解 決 のために のために 強 く く 求 めら めら れている れている これまで これまで 熱 力 学 物 性 情 報 流 体 力 学 などの などの 方 法 論 から から 原 子 レベルでの レベルでの 研 究 が 進 んでいたが メカニズ んでいたが メカニズ ム 解 明 のために のために 重 要 な 電 子 レベルでの レベルでの 解 明 について について は 解 析 プローブのスペック プローブのスペック が 十 分 ではなかったことか ではなかったことか ら ら 解 析 が 進 んでいない んでいない 中 性 子 低 エネルギー エネルギー 原 子 分 子 解 析 に 有 利 )とミュオン )とミュオン 高 エネルギー バルク エネルギー バルク 表 面 解 析 に 有 利 )の )の 測 定 装 置 を 高 度 化 し さらに し さらに 相 補 的 に 連 携 させ させ ることで ることで 摩 擦 ダイナミクスの ダイナミクスの 電 子 レベルでのメカニズム レベルでのメカニズム 解 明 がはじめて がはじめて 可 能 航 空 宇 宙 機 器 自 動 車 半 導 体 ハードディスク 分 野 をはじめと 機 械 や 部 品 の 低 摩 擦 低 摩 耗 表 面 損 傷 の 低 減 を 実 現 し 省 エネル ギー 社 会 実 現 に 貢 献 J-PARCに 建 設 中 の 中 性 子 スピン エコー 分 光 器 群 VIN-ROSE Tribology 摩 擦 と 潤 滑 の 科 学 )への 展 開

光 量 子 融 合 連 携 基 盤 技 術 開 発 プログラム 仮 称 )~ 具 体 的 なイメージ 例 ~ イオン 等 と 中 性 子 を 用 いた 燃 料 電 池 用 電 解 質 膜 の 高 性 能 化 グリーンイノベーション) γ 線 電 子 線 照 射 によるグラ によるグラ フト フト 重 合 や 放 射 線 架 橋 を 利 用 して して 合 成 されたメタノール されたメタノール 用 電 解 質 膜 は 携 帯 電 話 用 の 製 品 化 プロセスが プロセスが 確 立 されている されている 一 方 水 素 を 利 用 する する 自 動 車 や 家 庭 用 の 燃 料 電 池 では では 高 温 作 動 可 能 でかつ でかつ 高 耐 久 性 が 必 要 である である グラフト グラフト 重 合 技 術 や 重 イオンによる イオンによる 高 分 子 膜 の 穿 孔 技 術 の 高 度 化 により により 高 温 動 作 可 能 で 高 耐 久 性 を 有 する する 固 体 高 分 子 型 電 解 質 膜 を 合 成 試 作 された された 電 解 質 膜 の 内 部 での での 水 と 水 素 の 動 きを きを 中 性 子 小 角 散 乱 装 置 で 解 明 結 果 を を スパコン スパコン 等 によるシミュレーションと によるシミュレーションと 対 応 付 け さ け さ らに らに 高 性 能 な 電 解 質 膜 を 設 計 複 数 の 量 子 とシミュレーションにより とシミュレーションにより 製 品 等 のハイレベルな のハイレベルな 高 性 能 化 を 可 能 中 性 子 測 定 により 水 水 素 の 動 きを 解 明 自 動 車 や 家 庭 用 の 燃 料 電 池 の 研 究 開 発 を 促 進 し 安 定 的 なエネルギー 供 給 と 低 炭 素 化 の 実 現 に 貢 献 大 強 度 陽 子 加 速 器 施 設 J-PARC イオン 照 射 研 究 施 設 TIARA 電 子 線 ガンマ 線 イオン で 固 体 高 分 子 型 電 解 質 膜 を 合 成 試 料 合 成 設 計 へ フィードバック 対 応 付 け 研 究 炉 JRR-3 計 算 機 シミュレーション

光 量 子 融 合 連 携 基 盤 技 術 開 発 プログラム 仮 称 )~ 具 体 的 なイメージ 例 ~ パワーレーザーとXFEL XFELによる 新 極 限 物 質 科 学 研 究 グリーンイノベーション) パワーレーザーで パワーレーザーで 初 めて めて 実 現 で きる きる 数 百 万 ~1000 ~1000 万 気 圧 以 上 の 超 高 圧 状 態 は は 従 来 の 物 質 固 有 の 性 質 に 依 存 反 応 相 転 移 に よる よる 構 造 とは とは 全 く く 異 なる なる 新 しい しい 物 質 の 生 成 が 期 待 される される 新 たな たな 反 応 場 一 方 超 高 圧 構 造 相 転 移 の 時 間 スケールはフェムト スケールはフェムト 秒 からピコ からピコ 秒 と 考 えられており この えられており この 相 転 移 を 駆 動 する する 圧 縮 波 や 衝 撃 波 の 波 面 での での 反 応 過 程 は 全 く く 未 解 明 新 しい しい 物 質 材 料 の 設 計 や 開 発 に 必 要 不 可 欠 な ミクロな な ミクロな 高 圧 構 造 の 核 形 成 過 程 のフェムト のフェムト 秒 単 位 での での 解 析 や や 波 面 とその とその 内 部 に 広 がるマクロな がるマクロな 相 転 移 の 過 程 のピコ のピコ 秒 単 位 での での 解 析 など など が が 極 短 パルス パルス 高 輝 度 コヒーレント コヒーレント なX なX 線 自 由 電 子 レーザーを レーザーを 使 用 イ イ メージング メージング 技 術 よって よって 直 接 的 に 初 めて めて 観 測 可 能 パワーレーザーが 駆 動 す る 極 限 的 な 超 高 圧 環 境 下 で ミクロな 物 質 状 態 や 超 高 速 のダイナミクスを 解 明 し 従 来 技 術 では 実 現 できない 新 極 限 物 質 材 料 の 探 索 を 可 能 とすることによって 我 が 国 の 物 質 材 料 科 学 技 術 に 関 わ るイノベーションに 貢 献 X 線 自 由 電 子 レーザー 施 設 物 質 の 極 限 状 態 を 生 み 出 すことの できるパワーレーザー

光 量 子 融 合 連 携 基 盤 技 術 開 発 プログラム 仮 称 )~ 具 体 的 なイメージ 例 ~ XFEL 放 射 光 レーザーによる 電 子 構 造 ダイナミクスの 解 析 ライフイノベーション) 光 触 媒 反 応 等 をはじめと をはじめと 化 学 反 応 プロセスの プロセスの 解 析 につ につ いて これまで いて これまで 光 電 子 分 光 法 を 用 いた いた 電 子 構 造 の 解 析 が 行 わ れてきたが れてきたが 現 行 では では 放 射 光 とレーザーでそれぞれ とレーザーでそれぞれ 独 自 に 研 究 開 発 が 行 われてきており そ われてきており そ の 知 見 が 統 合 されていない されていない また こうことから また こうことから 計 測 さ れたデータが れたデータが 材 料 開 発 の 指 針 となるようなデータが となるようなデータが 充 分 に 得 ることができなかった ることができなかった これまでの これまでの 放 射 光 とレーザー とレーザー に さらにFELを に さらにFELを 加 えて これら えて これら プローブの プローブの 融 合 連 携 によっては によっては じめて じめて 可 能 となる となる 超 高 速 分 光 を 実 現 し これにより し これにより 化 学 反 応 における における 電 子 構 造 ダイナミクス ダイナミクス の 総 合 的 解 析 がはじめて がはじめて 可 能 光 ロドプシン レチナール 超 高 速 分 光 により 化 学 反 応 の 解 析 が 可 能 に さらに これらの 知 見 を 基 にして タンパク 質 の 視 神 経 視 覚 の 問 題 表 面 の 触 媒 反 応 などについて 超 高 速 分 光 を 行 うことにより 解 明 が 期 待 視 覚 システムの 解 明 軟 X 線 領 域 の 実 験 が 可 能 となる 高 次 高 調 波 レーザー 水 の 光 分 解 フェムト 秒 軟 X 線 分 光 によって 過 渡 現 象 を 直 接 的 に 観 測 放 射 光 電 子 分 光 装 置

光 量 子 融 合 連 携 基 盤 技 術 開 発 プログラム 仮 称 )~ 具 体 的 なイメージ 例 ~ 中 性 子 と 放 射 光 による 構 造 生 物 学 的 手 法 による 化 学 反 応 プロセスの 解 明 ライフイノベーション) 量 子 施 設 を 活 用 する する ことによるタンパク ことによるタンパク 質 の 構 造 情 報 を 基 に に 創 薬 や 生 体 機 能 材 料 の 設 計 を 行 う 際 に タンパ に タンパ ク 質 の 水 素 原 子 や 外 殻 電 子 を 含 めた めた 分 子 全 体 を 対 象 と と 高 精 度 な 研 究 を 行 わなければ わなければ ならない ならない しかしながら しかしながら 従 来 のタンパ のタンパ ク 質 の 結 晶 構 造 解 析 技 術 では では 生 体 反 応 を 決 定 づけるこれら づけるこれら の 構 造 情 報 を 実 験 的 に 決 定 す るのは るのは 解 析 プローブが プローブが 充 分 に 整 備 されていない されていない 理 由 から から 非 常 に 困 難 であり であり 既 存 の 化 学 的 常 識 に 依 存 議 論 に 終 始 している している 状 況 中 性 子 と 放 射 光 のそれぞれ のそれぞれ の 特 性 構 造 解 析 は 放 射 光 水 水 素 の 挙 動 は 中 性 子 )を )を 利 用 できる できる 環 境 を 整 備 し し 相 補 的 な 利 用 を 図 ることにより ることにより 生 体 反 応 を 決 定 づける づける 水 素 原 子 や 外 殻 電 子 についての についての 構 造 情 報 を 明 らかにする らかにする 光 合 成 反 応 や 呼 吸 における 反 応 の 化 学 プロセスの 解 明 や 薬 剤 がタンパク 質 に 結 合 する 際 の 分 子 論 的 な 理 解 の 進 展 を 進 める 生 命 分 子 システムの 機 能 発 現 メカニズムの 解 明 により 新 しい 方 法 論 による 創 薬 や 機 能 性 材 料 の 早 期 実 現 が 期 待 放 射 光 による 高 分 解 能 構 造 解 析 が 中 性 子 構 造 解 析 の 必 要 性 を 喚 起 中 性 子 と 放 射 光 の 相 補 利 用 によってはじめ て 把 握 可 能 となる 水 分 子 の 位 置 ) HIVプロテアーゼにおける 水 素 の 位 置 を 示 図

光 量 子 融 合 連 携 基 盤 技 術 開 発 プログラム 仮 称 )~ 具 体 的 なイメージ 例 ~ 光 量 子 科 学 を 支 える 加 速 器 等 の 高 度 化 小 型 化 に 向 けた 研 究 開 発 基 盤 技 術 開 発 ) 先 端 施 設 装 置 技 術 等 の 利 用 拡 大 には には 小 型 で 維 持 管 理 の 容 易 な 光 源 等 をはじめと をはじめと 次 世 代 の 加 速 器 技 術 等 の 開 発 が 必 要 例 えば えば 中 性 子 分 野 では X では X 線 のように のように 研 究 室 規 模 で 使 用 できる できる 小 型 線 源 がほとんどなく がほとんどなく 大 型 施 設 に 限 られている られている 装 置 等 の 高 度 化 小 型 化 とともに とともに 習 熟 人 材 や 装 置 開 発 ができる ができる 人 材 の 育 成 応 用 分 野 の 開 拓 や 潜 在 的 利 用 者 の 掘 り 起 こし こし 等 が 課 題 我 が 国 には 約 15 万 の 橋 梁 があるが その 多 くは 建 設 後 40-50 年 が 経 過 し 疲 労 や 劣 化 が 生 じている 大 学 や 研 究 機 関 ものづくり ものづくり 分 野 の 企 業 等 が 連 携 し し 先 端 加 速 器 等 の 高 度 化 小 型 化 施 設 装 置 の 省 エネ エネ 化 低 コスト コスト 化 学 生 やメーカー やメーカー 等 産 業 界 の 研 究 者 にも にも 簡 便 に 利 用 できる できる 解 析 ソフト ソフト 等 を 備 えたシステムの えたシステムの 構 築 によ によ る 利 便 性 の 向 上 などを などを 実 現 する する 大 型 施 設 等 のコンパクト 化 低 コス ト 化 の 実 現 が 期 待 また 自 動 車 の エンジンや 燃 料 電 池 飛 行 機 の 機 体 材 料 など 高 機 能 材 料 の 研 究 開 発 のスピードアップ 高 品 位 な 製 品 開 発 や 品 質 保 証 等 に 広 く 活 用 が 期 待 され 世 界 トップレベルの 研 究 開 発 のための 基 盤 を 強 化 し 産 業 競 争 力 の 強 化 等 に 貢 献 する 小 型 中 性 子 源 により 従 来 技 術 で は 不 可 能 であった 橋 梁 等 大 型 建 造 物 の 内 部 を 直 接 可 視 化 し 効 率 的 な 交 通 インフラの 再 生 強 化 に 貢 献 全 体 構 造 の 取 得 骨 材 部 分 の 抽 出 橋 梁 等 の 内 部 構 造 を 可 視 化 橋 梁 やメーカー 等 工 場 などでその 場 観 察 が 可 能 とな る 小 型 可 搬 型 中 性 子 イメージングシステムの 構 築 約 10m 磁 場 の3 次 元 計 測 燃 料 電 池 内 部 水 挙 動