本研究では，フェイスマスク微細構造内におけるサブミクロンサイズの粒子挙動を明らかにするために，実際のフェイスマスクのX線CT画像を連携した数値シミュレーションモデルを開発した．微細構造内部に大きな細孔が存在すると，当該部近傍で流線が湾曲し，その流れに同伴する粒子が細孔表面で捕集されやすくなることがわかった．細孔の存在は，圧力損失と捕集率の低下をもたらすものの，上記の効果により捕集率の低下が抑制されるため，フェイスマスクの性能（quality factor）を向上させることがわかった．

常圧焼結では大きな亀裂状欠陥は収縮せず，むしろ，わずかに成長する．理論的にも，小さな空隙や欠陥は収縮するが，成形段階で形成された粗大欠陥を常圧焼結で除去することは困難である．一方，ホットプレス（HP）や放電プラズマ焼結（SPS）等の加圧焼結では，比較的低温で，緻密な微細組織を有する高強度・高信頼性セラミック部材が製造でき，また内部欠陥の除去により透明セラミックスの製造も可能となる．ただし，加圧焼結では高圧力が必要で，比較的小型の単純形状部材しか製造できないという問題がある．このため，複雑形状大型部材の製造に適した常圧焼結では粉体成形プロセス中に形成される欠陥寸法を抑制し焼結中に除去することが，また，加圧焼結では大型部材製造のために，より低い圧力でも欠陥除去ができるように，3次元マルチスケールでの欠陥消失過程の解明が求められる．本研究ではSPS中にどのように気孔と欠陥の形状が変化・消失していくかを観察する．

全固体リチウムイオン二次電池は，その優れた安全性などから次世代の二次電池として期待されている．その製造工程で，粒子間の接触界面を大きくし，粒子の流動性を向上させる必要がある．また，固体電解質の粒子形状は，接触界面の増大と流動性向上で重要な役割を果たす．Li₃PS₄（LPS）は固相反応だけでなく，液相で合成されることから高い生産性という利点を有する．しかし，粒子サイズと形状を制御するメカニズムはまだ明らかにされていない．本研究では，ホットスターラーと超音波ホモジナイザーを用いて液相中でLPS粒子を合成し，反応温度と衝撃力が反応時間と粒子形状に及ぼす影響を検討した．ホットスターラーを利用し，イオン伝導度が1.3 × 10^–4 S/cmと高いLPS粒子を67°Cで60分かけて合成できることが示された．この合成法は，従来の液相振とう法（6時間）よりも大幅に高速であった．また，LPSの粒子形状は，反応過程における衝撃エネルギーによって決定されることを見い出した．さらに，異なる合成法を組み合わせることにより，高いイオン伝導性を有する形状制御粒子の合成に成功した．本研究で得られた結果は，特定の粒子形状と粒子サイズを得るために合成条件を最適化するための貴重な知見である．

微粒子の多孔質構造化は，環境触媒の開発においても重要である．本研究では，マクロポーラス構造を持つ三元触媒（ポーラスTWC）粒子の合成を検討した．ポーラスTWC粒子は，TWCナノ粒子と造孔材粒子を噴霧乾燥することで合成した．ポーラスTWC粒子と造孔材を用いずに合成したTWC凝集体粒子のCO酸化性能を評価した結果，ポーラスTWC粒子はTWC凝集体粒子の構造と比較して，COの酸化効率が50%向上した．これは，微粒子内に連通孔を有した多孔質構造により，粒子内部の対流拡散が促進されたためだと考えられる．この研究成果は，環境触媒の機能向上のための重要な知見となると考えている．

構造柔軟性を有する多孔性錯体（MOF）は，骨格構造の体積膨張を伴うステップ状の吸着挙動を示す．MOFは粉末試料であるため，工業利用には何かしらの成形が必要だが，高分子バインダーを用いてペレット化すると，ステップ挙動が緩慢になることが報告されている．この原因は，高分子によってMOFの体積膨張が阻害されるためだと考えられる．本研究では，体積膨張率の異なるMOFをペレット化し，吸着挙動の比較を行った．

Ag担持触媒はエチレン選択酸化反応等で利用されている．その触媒性能向上には，いかにAgを微粒化するかが重要な課題となっているが，Agのタンマン温度が低く，容易に凝集するため微粒化が困難であった．本研究において，燃焼反応場で誘起されたAg/TiO₂間の相互作用（Strong Metal-Support Interaction, SMSI）によりAgクラスターを安定化することで，1 nm～2 nmのAgクラスターをTiO₂に20 wt%担持可能であることを見出した．SMSI発現に由来するTiOxの生成量はAg量や燃焼条件により変化した．H₂パルス滴定により測定したAg表面積は，Ag担持量の増加によって増加したが，Ag量が30 wt%以上の場合に表面積はほぼ一定であった．TiO₂に担持されたAgクラスターの安定性は，燃焼合成条件，Ag担持量，酸化チタンの比表面積に依存することが示唆された．今後は開発したAg/TiO₂触媒が活性を示す触媒反応を探査する予定である．

ナノ粒子の最も簡便な細胞毒性試験として，赤血球を用いた溶血性試験が広く用いられている．しかしながら，ナノ粒子の溶血作用メカニズムは未だによく理解されていない．本研究では，種々の粒子径（5–120 nm）および表面官能基（なし，アミノ基，カルボキシル基）をもつシリカ粒子の溶血作用を，種々の曝露温度（4–43°C）およびリン酸緩衝生理食塩水（無添加，血清の添加，血清アルブミンの添加）において検討した．具体的には，溶血性試験，赤血球に対する粒子付着数の測定，赤血球の凝集・分散性の評価などを行うことにより，ナノ粒子の溶血作用メカニズムの全体像を明らかにした．

本研究では，位相回復ホログラフィ法による微粒子計測モジュールの開発をおこなった．このモジュールが持つシステムは，2台のカメラが接続されたGPU搭載のシングルボードコンピュータ，グリーンレーザーとビームスプリッタで構成されている．さらにGPUによりリアルタイム再生が可能となっている．また，3次元体積中の静止流体に落下する微粒子の形状と位置を2枚のホログラムとして記録できる．また位相回復ホログラフィによって位相情報欠落による双画像問題を解決できる．さらに，ホログラムの記録と再生についてモジュールの構成要件を理論的に示した．よって，研究室利用に留まっていたホログラフィ計測を粉体生産工程のインライン・オンライン測定で利用できることを示した．

粉体の機能化を図るうえで，粉体の構造と機能を分類することは重要であり，その方法の一つとして機械学習が用いられる．機械学習を材料設計に応用するためには分類精度向上に寄与する因子の“見える化”が重要と考え，原因分析が可能なマハラノビス－タグチ（MT）法を用いることを試みた．モデル粉体材料としてカブトムシ三齢幼虫が排出する糞を対象とし，雌雄分類精度向上に寄与する糞形状が糞の表面粗さに関係する因子であることを明らかにした．雌の糞に含まれるバインダー量が雄のそれより優位に多いことを考慮すると，腸内でプレス成形された糞が体外に排出される際に，雌の糞は形を崩しやすいのではないかと推測される．MT法は，粒子の構造と機能の分類においても，いわゆる個体差に類似したばらつきを除外し，分類精度向上を目指す手法としての展開が期待できる．

Si–Si σ結合はC=C π結合と類似の反応性や物性を示す．本研究グループではSi–Si σ結合の柔軟性や芳香族置換基とのσ–π共役を活用し，様々なジシラン架橋マクロサイクルの合成，構造，物性などについて検討している．すでに2量体（テトラシラシクロファン）の合成と温度変化による相転移について検討している．ここでは3量体，4量体のマクロサイクルの合成と温度変化による結晶の外形変化，相転移について報告する．

錠剤など固形製剤生産において，晶析と造粒を同一系内で同時に行う球形晶析法は，医薬品生産プロセスにおけるダウンストリームを融合できるため，医薬品製造の高効率化が可能となる．一方で，晶析後のろ過・乾燥・製剤化などのプロセス強化が課題であった．この課題を解決するため，我々はろ過・乾燥機能に加え粉体加工操作をハイブリッド化したワンポット型加工装置を開発した．卓上サイズの本装置は，ろ過・乾燥・粉体混合・湿式造粒の全工程を一括処理できる高機能回転式球体チャンバーを有する．本研究では，球形晶析法により調製したフェノフィブラート顆粒の懸濁液が，ワンポット型粉体加工装置により処理できることを確認した．また，本装置内のスプレーノズルからバインダーを噴霧することで，アセトアミノフェン粉砕品の湿式造粒が可能であることを明らかにした．

離散要素法（DEM）では，オリジナル粒子より剛性を低減させたモデル粒子を使用することで時間刻みを大きくとり，シミュレーションにかかる計算コストを下げることが一般的である．また，付着性粒子のシミュレーションにおいては，接触時間の増加に伴う過剰なエネルギー消散を防ぐため，粒子剛性の低減に合わせて付着力をスケーリングする手法が近年提案されている．この手法は粉体がバルク体として流動化している動的な系に対しては非常に有効であるが，接触中における瞬時の力の釣り合いが崩れることから，凝集や付着といった相対的静止状態を模擬することが難しい．本研究では，剛性を低減したモデル粒子に対して，付着力の代わりに粘性減衰係数をスケーリングする手法を提案した．また，提案手法を回転ドラムのシミュレーションへと適用し，壁面への粒子の付着といった静的な状態と動的安息角といった粉体バルク挙動を同時に模擬可能であることを確認した．

光と粉体の相互作用は，粒子径分布の計測や，光散乱現象，レーザーアブレーションによる粉体合成など，幅広い対象において重要な研究課題である．特に近年進展がみられるナノ粒子の分野では，製造法としてだけでなく，粒子のハンドリング法としての光の利用が注目されている．本研究では，これらのレーザーと粉体の相互作用のうち，特にナノ粒子凝集体の分散と光散乱現象（表面増強ラマン散乱）に着目し，その基礎現象の解明に取り組んだ．表面増強ラマン散乱は，逆に粒子の凝集状態（ナノ粒子間のコンタクト）の制御が特異な光散乱現象において重要となる．そこで，濃度を調整した銀ナノ粒子懸濁液の噴霧乾燥により得られるエアロゾルを静電分級装置により分級して凝集状態を制御した．得られる凝集体を基板上に沈着（積層）させ，表面増強ラマン特性を評価したところ，粒子間の結合が極めて高いラマン散乱増幅効果を発現することを明らかとなった．

本研究は，多孔質膜を湿式プロセスで成膜する場合に，プロセスの条件と乾燥後の多孔質膜の性能の関係に関する知見を得ることを目的に実施した．比表面積が異なる二種類のカーボンブラック（XC-72rおよびLi-100）を用いて多孔質膜を作製した．プロセスの条件として，カーボンブラックを分散させるための超音波攪拌時間およびウェット膜を乾燥させるための加熱温度を変更させた．得られた多孔質膜に対して，膜厚，透過率および表面粗さに基づき多孔質構造の評価を試みた．透過率はLi-100の膜では膜厚とともに増加したのに対して，XC-72rの膜ではほぼ一定となった．表面粗さは膜厚に対して明瞭な傾向は確認できなかったものの，分散質の粒径分布がbi-modalなスラリーから成膜した膜ではカーボンブラックの種類によらず大きくなった．これらの膜厚に対する透過率および表面粗さの傾向は，カーボンブラックの形状およびスラリー中の粒径分布から説明可能であることを示した．

粉体プロセスにおける粒子の付着・堆積は，製品の品質および生産性の低下を招く原因となる．本研究では，流体や機械的外力を用いずに，粒子の帯電と運動を同時に制御して堆積粒子を除去する手法を確立するため，絶縁板に堆積させた誘電性粒子を上向きの静電場と紫外線照射によって帯電・浮揚させる実験を行った．紫外線が照射された最上層の粒子は，光電子放出によって正に帯電し，クーロン力によって浮揚した．浮揚粒子のフラックスと運動および各浮揚粒子の帯電量を求めた結果，粒子層と浮揚粒子から放出された光電子が光電子雲を形成し，粒子の帯電量を変化させるため，浮揚粒子の約40%が浮揚直後に降下することが分かった．さらに，紫外線照射後に上向きの電場を印加すると，光電子雲は形成されず，全ての粒子が途中で降下せずに浮揚した．また，粒子の帯電量増加によって，より多くの粒子が浮揚したが，継続的な浮揚はみられなかった．

粒子流動性を向上させる手法の1つに微小粒子添加法がある．しかし，その詳細なメカニズムについては不明な部分も多い．そこで本研究では，微小粒子の被覆状態によって生じる各接点の付着力分布が流動性向上効果に影響を及ぼしている可能性に着目し，DEMシミュレーションを用いて検討した．シミュレーションでは，3種類の異なる表面付着力分布モデル（不均一，ランダム，均一）を用い，オリフィスからの粒子流出速度を求めた．その結果，不均一付着力分布モデルの場合は，均一またはランダム分布のモデルの場合と比べて，流出速度が向上することが明らかとなった．これは，不均一分布モデルの場合は，粒子層内に不連続面が発生しやすくなることで，粒子架橋形成が生じにくくなったためではないかと考えられる．よって，微小粒子添加法における各粒子接点の付着力分布は流動性向上に寄与していると考えられる．

本研究では，我々が脂質ナノ粒子の粒径の精密制御を目的として開発したマイクロ流体デバイスである「iLiNP^®デバイス」を用いて，Poly lactic-co-glycolicacid（PLGA）ナノ粒子の粒径の精密制御に取り組んだ．iLiNPデバイスを用いることで，原料溶液の流量依存的に約30～120nmの範囲でPLGAナノ粒子の粒径を制御することが可能であった．また，ナノ粒子の血中滞留性を向上させるために不可欠なPEG化PLGAを用いたナノ粒子や抗がん剤であるパクリタキセル（PTX）を搭載したPLGAナノ粒子作製への応用を検証した．その結果，作製したPLGAナノ粒子の粒径やPTXの搭載率が，細胞やマウスでの粒子活性の評価試験に使用できる性能であることを示した．

有機溶媒に懸濁した微粒子分散系は広範な工業プロセスで用いられているため，その分散挙動の評価・制御は非常に重要であり，分散・凝集の支配要因である表面間力を理解することが必要不可欠である．しかしながら，有機溶媒中での表面間力の理解は，水溶液中のそれよりはるかに遅れている．そこで本研究では，原子間力顕微鏡（AFM）による表面間力の直接測定と，パルス核磁気共鳴（NMR）による緩和時間測定により，溶媒と表面との親和性と表面間力の性質との関係を検討した．その結果，粒子の分散する系では固体表面間に作用する短距離斥力によって分散がもたらされることを見出した．この斥力は表面に吸着した溶媒分子の立体反発に起因する溶媒和力であり，固体－溶媒分子間の相互作用が大きいときに作用する可能性が示された．一方，表面と溶媒分子の相互作用が弱いときはこのような溶媒和力が顕在化せず，van der Waals力により粒子が凝集することを確認した．

太陽光を用いて光触媒反応を発現させるためには半導体光触媒が必要である．しかし，酸化チタンをはじめ多くの酸化物半導体は3eVを超える大きいバンドギャップを有するため紫外光しか吸収できない．一方，太陽光をエネルギー源として用いる場合，紫外光は太陽スペクトルの5%程度しか含まれておらず，近年可視光も吸収できる狭いバンドギャップの光触媒の開発が盛んに行われている．そこで，本研究ではBiVO₄/BiOX (X=F, Cl, Br, I)ヘテロ構造光触媒に注目した．BiVO₄はn型半導体であり，バンドギャップは2.4eVであるため可視光を吸収できる．しかし，電子・正孔の再結合が速く，光触媒反応における効率が低いことが知られている．BiOXはp型半導体であり，n型のBiVO₄と組み合わされるとpn接合を形成し，光照射の際に生じる電子は正孔と再結合する前にp型の方へ流れるため光触媒性能の高効率化を可能にできると考えた．BiVO₄/BiOXヘテロ構造を作製するために水熱合成法を用い，結晶構造を評価するとともに光触媒特性を評価した．

外部磁場に応答する磁性材料は，磁気共鳴画像法（MRI）や医療診断材料としての利用がなされる生物医学分野や，メモリデバイスやセンサー開発などの電子材料分野，ならびに触媒分野など，多岐にわたる分野で利用されている．磁性材料の構成成分には，優れた磁気特性を有するマグネタイト（Fe₃O₄）やマグヘマイト（γ-Fe₂O₃）などの酸化鉄磁性粒子が一般に使われ，酸化鉄磁性粒子を基盤とした様々な機能磁性材料の開発が進んでいる．酸化鉄磁性粒子は濃茶色から黒色の材料であるため，色材や光学材料への利用は困難である．本研究では，ランタノイド元素を複合したポリマーネットワークを用いることで，無着色な磁性粒子が得られることを見出した．本技術を応用し，フルカラー磁性粒子ならびに蛍光磁性粒子の作製に成功した．作成した材料は，粉体ならびに溶媒に分散した状態で磁性を示し，新たな磁性材料としての応用展開が期待される．