Printed Electronics and Flexible Devices
セルロース・ナノファイバーや導電性インクを操る応用力学
人々の健康にIoTやAIを役立てるためには，一人一人にウェアラブル・デバイスが必要になります．データが桁違いに集まれば，難病への治療の手がかりも掴めるかもしれません．規模の違いによる同様の革新は，生態系のモニタリングによる環境保全や，食料の生産から販売までのトレーサビリティの飛躍的充実などにも成立します．膨大な数のデバイスを多様な場所に実装する場合，多様な形状や変形に対応できるフレキシブル・デバイスであることも必要です．また，多品種生産には回路をデジタル設計からインクジェット技術で直接描画するプリンティッド・エレクトロニクスが有効です．そして，全体として製造や使用時の環境負荷が最小限であり，さらに，最後のことを考えると生分解性もあれば究極の理想形です．
このような究極的条件を満たすデバイスになる可能性のある材料として，セルロース・ナノファイバー（CNF）があります．普通の紙と異なり繊維がナノスケールの極細であることから，CNF分散水を乾燥させて作るナノペーパーは緻密な組織構造を持つので導線をインク描画した際にも相対的に染み込みにくいという強みもあります．ちなみに，導電性インクを構成する分散媒は水であり，有機分子組成の導電性ナノ粒子もありますので原料が枯渇しません．CNF自体が開発されて産業界でも広く有望視されて注目される段階になったので，これからは構造物へ活かす段階に移ってゆきます．CNF分散水からデバイス基板を作製することも，導電性インクを描画して配線を形成することも，流体から固体を生み出す力学現象です．つまり，力学のプロである機械工学が活躍する好機です．
モノ作りには試行錯誤が必須ですが，試行錯誤のみに依存すると大きな無駄が生じます．CNFは繊維なので，製法次第で多種多様です．また，導電性インクの素材も将来新たな有機分子に入れ替わるかもしれません．さらに，用途に合わせたり耐久性を持たせたり，毎回ゼロからやり直すのではなく臨機応変に対応する設計を実現するためは，基礎を踏まえた体系化が必要です．ここで扱う基礎となる力学とは，四力を横断的に扱う統計力学（statistical mechanics）と力学系（dynamical system）です．流体中に漂うナノファイバー群やナノ粒子群のダイナミクスを操るためには，個々のファイバーや粒子が相互作用しながら動く仕組みを理解し，サッカー等の名将のように個々を踏まえて全体を活かします．そのために，当研究室では特に，顕微鏡で獲得した動画データからランダムさの背後に潜む法則性を読み解きます．このような形で，最先端の工学研究にこれらの基礎学問を駆使して科学と技術をつなぐところは今まで当研究室の他にありません．