Research Themes
分子が固体表面に引きよせられる瞬間——その現象を多角的に問い直すことで、堀河研究室は材料科学・計算化学・プロセス工学の境界を越えた研究を展開しています。
活性炭・ゼオライト・シリカゲルなど多様な多孔質材料を対象に、気体分子が固体表面に吸着される現象を理論的・実験的に解明します。吸着等温線の高精度な記述を可能にする独自の理論モデル（Horikawa-Doモデル）の構築により、国際的に高く評価されている研究分野です。表面の不均一性・細孔径分布・分子間相互作用を総合的に考慮することで、従来モデルでは捉えきれなかった吸着挙動の本質に迫ります。
大気中の水蒸気を効率よく吸着・回収するための多孔質炭素材料の開発と、そのメカニズム解明に取り組む研究テーマです。砂漠地帯での水資源確保・省エネ型除湿システムへの応用が期待されます。窒素ドープ処理などの表面修飾技術により、水蒸気に対する親和性を大幅に向上させ、従来材料の最大3倍の吸着容量を実現した事例もあります。
吸着等温線や吸着速度データを解析することで、多孔質材料の構造（細孔径分布・表面積・表面エネルギー分布）を高精度に評価する新しいキャラクタリゼーション手法の開発に取り組んでいます。従来のBET法・DFT法を超える精度と汎用性を目指し、材料開発・品質管理の現場に実装できる評価技術を研究しています。
特定の分子・イオン・汚染物質を選択的に捕捉する「機能性吸着剤」の設計と合成に関する研究です。多孔質炭素材料・金属有機構造体（MOF）・ゼオライトなどを対象に、目的物質への高選択性・高吸着容量・高再生性を同時に達成する材料設計指針を確立します。水処理・ガス分離・薬物送達など幅広い応用が期待されます。
細孔径をオングストローム単位で精密に制御した多孔質炭素材料の合成技術を確立します。テンプレート法・化学気相蒸着・有機合成化学などを駆使し、ターゲット分子のサイズ・形状に最適化された細孔構造を設計。ガス貯蔵・エネルギー変換・センサー応用において革新的な性能を実現する材料の創製を目指します。
古典分子動力学（MD）シミュレーションを用いて、水溶液中の重金属イオン（鉛・カドミウム・銅など）が活性炭表面に吸着される分子レベルのメカニズムを解明します。吸着サイトの同定・配位構造の解析・溶媒和効果の定量化を通じ、実験だけでは観測困難な原子スケールの吸着ダイナミクスを可視化します。
量子力学に基づくab initio（第一原理）分子動力学シミュレーションにより、電子レベルでの吸着メカニズムを解析します。化学結合の形成・電荷移動・表面反応性を量子化学的に記述することで、古典MDでは扱えない化学的相互作用の本質を捉え、より精緻な吸着材設計・吸着制御指針の獲得を目指します。
化学工学・吸着科学分野だけでなく、自然科学現象は線形モデルで理解できないものにあふれています。自己組織化、同期、相転移など、個々の分野を超えて共通に現れる「普遍的なパターン」があり、それを見抜くことで異なる分野の問題を一つの枠組みで扱えるようになります。身近にみられる現象において発現する非線形挙動に着目し、そのメカニズムを理論的・実験的に解明します。
吸着等温線測定・速度論解析・熱測定を組み合わせ、実材料における吸着現象を精密に定量します。
→ Experimental統計力学・熱力学に基づく吸着理論モデルの構築と検証。Horikawa-Doモデルに代表される独自理論を展開します。
→ Theory & Modeling原子間ポテンシャルを用いた大規模MDシミュレーションにより、液相・気相での吸着ダイナミクスを原子スケールで可視化します。
→ Classical MDab initio MDにより、電子構造レベルで吸着メカニズムを解析。量子効果を含む精密な計算を行います。
→ ab initio / DFT多孔質炭素・ゼオライト・MOFの合成と表面修飾。ナノスケールでの細孔構造制御技術を駆使した機能性材料創製を行います。
→ Materials Synthesis大学院進学・研究室見学・企業との共同研究など、お気軽にお問い合わせください。