研究内容について
ナノ・マイクロ材料が持つ未知の強度・物性の謎に迫る
材料の寸法がナノ～マイクロレベルまで小さくなると、バルク材（マクロ材）とは異なる特性を示すことが知られています。
本研究室では、ナノ～マイクロサイズの構造体を対象として、様々な顕微鏡（透過型電子顕微鏡、走査型電子顕微鏡、原子間力顕微鏡、圧電応答顕微鏡、磁気力顕微鏡）内で負荷実験を行い、力学解析や理論解析を援用してその強度、破壊機構および力学特性などを解明する研究に取り組んでいます。また、ナノ構造体の様々な物性（強誘電性・磁性等）と力学的変形特性とのカップリング効果（マルチフィジックス特性）の解明を行っています。さらに、内部に特定の構造を持ち、従来の材料ではなし得ない力学特性を発現するメカニカルメタマテリアルについての研究も進めています。
主要研究テーマ
ナノ〜マイクロスケール金属の疲労現象の解明に関する研究
構造物の破壊原因の多くが疲労によるものです。金属材料では、その内部に形成される数ミクロン寸法の疲労転位構造によって疲労き裂が生じることが明らかになっています。しかし、それより小さいナノ・マイクロ材料の内部には、従来型の疲労転位構造は存在することができません。つまり、ナノ・マイクロ材料特有の疲労挙動を示す可能性があります。透過型電子顕微鏡や走査型電子顕微鏡を用いたその場観察疲労試験や詳細観察により、その解明を行っています。三次元的にナノ・マイクロサイズの材料の疲労試験については、世界トップの技術を有しています。
関連動画
マイクロ銅単結晶に対する引張圧縮繰り返し負荷試験
In situ observation on formation process of nanoscale cracking during tension-compression fatigue of single crystal copper micron-scale specimen
Takashi Sumigawa, Kim Byungwoon, Yuki Mizuno, Takuma Morimura, and Takayuki Kitamura
Acta Materialia, Vol. 153 (2018) pp. 270-278.
DOI: https://doi.org/10.1016/j.actamat.2018.04.061
マイクロ銅単結晶に対する引張圧縮疲労試験
FE-SEM in situ observation of damage evolution in tension-compression fatigue of micro-sized single-crystal copper
Takashi Sumigawa, Shin Uegaki, Tetsuya Yukishita, Shigeo Arai, Yoshimasa Takahashi, and Takayuki Kitamura
Materials Science and Engineering A, Vol. A 764 (2019) 138218.
DOI: https://doi.org/10.1016/j.msea.2019.138218
積層ナノ材料に対する繰り返し負荷試験
Cu/Si Interface Fracture due to Fatigue of Copper Film in Nanometer Scale
Takashi Sumigawa, Tadashi Murakami, Tetsuya Shishido, and Takayuki Kitamura
Material Science and Engineering A, Vol. 527 (2010) pp. 6518-6523.
DOI: 10.1016/j.msea.2010.07.002
マルチフィジックスに関する研究
ナノテクノロジーが急速に発達し、それを利用して進化する現代では、人類の社会基盤はナノスケール材料が持つ特異な機能に支えられていると言っても過言ではありません。ナノサイズの材料では、表面の効果が大きく、マクロ材料とは異なった特性を有しており、その力学応答についての詳細は明らかにされていません。そこで、強誘電性、磁気およびモット転移等に着目し、ナノサイズの材料に力学的負荷が加わった際の応答について、研究を行っています。この研究に必要な圧電応答顕微鏡や磁気力顕微鏡を所持しており、独自開発の負荷装置を用いて解明を行っています。
メカニカルメタマテリアルに関する研究
材料中に制御した人工的な構造を持たせることで、自然界の物質では現れない物性を示す「メタマテリアル（物質を超える物質）」を創り出すことができます。現代ではナノ・マイクロサイズの構造を有する材料の作製が可能となっていますが、それらに先駆けて、新しい力学特性を有する構造の開発を行う必要があります。そこで、特徴的な力学特性を発現するメタマテリアル（メカニカルメタマテリアル）を設計し、3次元プリンタを用いて実際に作製した後、その変形・破壊挙動について、実験および解析を用いて検討しています。
ナノオーダーの破壊に関する力学的支配因子解明に関する研究
き裂の先端では、応力が無限大に発散する特異応力場が存在します。また、異なる材料が接合された異材界面と表面が会合する異材界面端においても特異応力場が発生します。材料の破壊現象は、従来、連続体仮定下における破壊の力学（破壊力学）を用いて議論されてきましたが、材料の寸法がナノサイズまで小さくなると、相似則によって特異応力場の大きさも同等まで小さくなります。すると、この領域に含まれる原子の数は数十個程度となり，連続体仮定下での議論が可能かどうかはわかりません。このことについて、実験による解明を試みています。近年では、原子レベルの線欠陥（転位）からの破壊実験に世界で初めて成功し、原子オーダーの特異応力場からの破壊現象を明らかにすることに成功しています。
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ナノ構造体の疲労強度・現象に関する研究
Characteristic Feature of Slip Bands in Submicron Single Crystal Gold in Fatigue
Takashi Sumigawa, Ryosuke Shiohara, Kenta Matsumoto and Takayuki Kitamura
Acta Materialia, Vol.61, pp.2692-2700 (2013)
Fatigue of 1μm-Scale Gold by Vibration with Reduced Resonant Frequency
Takashi Sumigawa, Kenta Mtatsumoto, Toshiyuki Tsuchiya and Takayuki Kitamura
Materials Science and Engineering A, Vol.556, pp.429-436 (2012)
Effect of Environment on Fatigue Strength of Cu/Si Interface in Nanoscale Components
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Takashi Sumigawa, Tadashi Murakami and Takayuki Kitamura
Materials Science & Engineering A, Vol.528, pp.5158-5163(2011)
Cu/Si Interface Fracture Due to Fatigue of Cooper Film in Nanometer Scale
Takashi Sumigawa, Tadashi Murakami, Tetsuya Shishido and Takayuki Kitamura
Materials Science and Engineering A, Vol.527, pp.6518-6523 (2010)
Fatigue Crack Growth along Interface between Metal and Ceramics Submicron-thick Films in Inert Environment
Hiroyuki Hirakata, Masaya Kitazawa and Takayuki Kitamura
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Effect of Loading Frequency on Fatigue Crack Growth between a Submicron-Thick Film and a Substrate
Do Van Truong, Hiroyuki Hirakata and Takayuki Kitamura
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関連動画
き裂導入の様子
Fracture Toughness of Silicon in Nanometer-scale Singular Stress Field
Takashi Sumigawa, Shinsaku Ashida, Shuhei Tanaka, Kazunori Sanada, and Takayuki Kitamura
Engineering Fracture Mechanics, Vol. 150 (2015) pp. 161–167.
doi:10.1016/j.engfracmech.2015.05.054
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Fracture Toughness of Silicon in Nanometer-scale Singular Stress Field
Takashi Sumigawa, Shinsaku Ashida, Shuhei Tanaka, Kazunori Sanada, and Takayuki Kitamura
Engineering Fracture Mechanics, Vol. 150 (2015) pp. 161–167.
doi:10.1016/j.engfracmech.2015.05.054
ナノサイズの特異応力場からのき裂伝ぱ試験②
Griffith Criterion for Nanoscale Stress Singularity in Brittle Silicon
Takashi Sumigawa, Takahiro Shimada, Shuhei Tanaka, Hiroki Unno, Naoki Ozaki, Shinsaku Ashida, and Takayuki Kitamura
ACS Nano, Vol. 11 (6) (2017), pp. 6271–6276.
http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsnano.7b02493
積層ナノ材料の界面端部からの破壊試験
Interface Crack Initiation due to Nanoscale Stress Concentration
Takashi Sumigawa, Tetsuya Shishido, Tadashi Murakami, and Takayuki Kitamura
Material Science and Engineering A, Vol. 527, No. 18-19 (2010) pp. 4796-4803.
DOI: 10.1016/j.msea.2010.04.002
積層ナノ材料の界面中央部からの破壊試験
Interface Crack Initiation due to Nanoscale Stress Concentration
Takashi Sumigawa, Tetsuya Shishido, Tadashi Murakami, and Takayuki Kitamura
Material Science and Engineering A, Vol. 527, No. 18-19 (2010) pp. 4796-4803.
DOI: 10.1016/j.msea.2010.04.002
積層ナノ材料におけるミックスモードでのき裂発生試験
Mixed-mode crack initiation at the edge of Cu/Si interface due to nanoscale stress concentration
Kohei Kishimoto, Yabin Yan, Takashi Sumigawa, Takayuki Kitamura
Engineering Fracture Mechanics, Vol. 96 (2012) pp. 72-81.
DOI: 10.1016/j.engfracmech.2012.07.027
積層ナノ材料における切り欠きからのき裂発生試験①
Fracture Mechanics Investigation on Crack Propagation in the Nano-multilayered Materials
Licheng Guo, Takayuki Kitamura, Yabin Yan, Takashi Sumigawa, Kai Huang
International Journal of Solids and Structures, Vol. 64–65 (2015) pp. 208–220.
DOI: 10.1016/j.ijsolstr.2015.03.025
積層ナノ材料における切り欠きからのき裂発生試験②
Fracture Mechanics Investigation on Crack Propagation in the Nano-multilayered Materials
Licheng Guo, Takayuki Kitamura, Yabin Yan, Takashi Sumigawa, Kai Huang
International Journal of Solids and Structures, Vol. 64–65 (2015) pp. 208–220.
DOI: 10.1016/j.ijsolstr.2015.03.025