大阪大ら、ナノポア内のイオン流で冷温器を実現：陽イオンだけが流れるナノポア

大阪大学や東京大学、産業技術総合研究所および、Instituto Italiano Di Technologiaの国際共同研究グループは、「ナノポア」と呼ぶ極めて小さい細孔にナノワット級の電力を加えれば、冷温器になることを実証した。モバイル端末に向けた温調シートモジュールの他、発電素子としての応用が期待される。

[馬本隆綱，EE Times Japan]

薄型温調シートモジュールとして、スマートフォンなどに実装可能

　大阪大学や東京大学、産業技術総合研究所および、Instituto Italiano Di Technologiaの国際共同研究グループは2023年12月、「ナノポア」と呼ぶ極めて小さい細孔にナノワット級の電力を加えれば、冷温器になることを実証したと発表した。モバイル端末に向けた温調シートモジュールの他、発電素子としての応用が期待される。

　生理食塩水などの電解質液でナノポアを満たし、電圧を印加するとナノポアにイオンの流れが生じる。この原理を応用して、ウイルスやDNAなどを検出するセンサーデバイス、海水や河水を用いた発電デバイスなど、さまざまな研究が全世界で進んでいるという。こうした中で研究グループは、ナノポアにおけるイオンの流れと熱の関係に着目した。

極小ナノポアにおける陽イオンの流れによるペルチェ冷却効果を表した模式図［クリックで拡大］ 出所：大阪大学他

　実験を行うために開発したのが、陽イオンだけが流れるナノポアである。半導体技術を用い、さまざまな形状や構造のナノポアを作製し、生理食塩水中でのイオンの流れを調査した。この結果、ナノポアの直径を50nmまで小さくすれば、二酸化珪素の表面にある負電荷の影響によって、陽イオンだけナノポアを流れることが分かった。

　作製したナノポアの近くにナノサイズの温度計を設置し、ナノポア近傍の温度変化を調べた。この結果、ナノポア近傍の温度が室温よりも低温になることを発見した。ナノポアの上下を異なる塩濃度の生理食塩水で満たすと、簡単な電圧制御を行うだけで、冷却に加え昇温（加熱）も可能なことを実証した。

イオン流によるペルチェ効果の動作原理［クリックで拡大］ 出所：大阪大学他

ペルチェ効果で冷却、ジュール発熱で昇温するナノポア温冷器［クリックで拡大］ 出所：大阪大学他

　今回開発した熱制御技術は、多孔質膜を応用することで厚みが数十ナノメートルの薄膜デバイスで、大きな面積を効率よく加熱／冷却することが可能となり、スマートフォンなどにも容易に実装できるという。

　今回の研究成果は、大阪大学産業科学研究所の筒井真楠准教授や川合知二招へい教授、東京大学大学院工学系研究科の大宮司啓文教授、徐偉倫准教授、産業技術総合研究所の横田一道研究員および、Instituto Italiano Di TechnologiaのDenis Garoli研究員ら、国際共同研究グループによるものである。