東北大学
学際科学フロンティア研究所

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高いひずみ検出感度を示すナノグラニュラー材料を開発 ― 高感度・省電力かつ高密度集積が可能なひずみゲージの実現に期待 ―

2025年11月10日『Scientific Reports』誌に論文掲載およびプレスリリース

2025.11.11

物体の変形（ひずみ）を電気信号として検出するひずみゲージは、土木や医療など非常に多くの分野で利用されています。ひずみゲージの高感度化・小型化・省電力化はIoT社会の高度化にとって重要な課題です。
 
東北大学学際科学フロンティア研究所の増本博教授らの研究グループは、電磁材料研究所、東北大学材料科学高等研究所（WPI-AIMR）、理化学研究所との共同研究により、金属ナノ粒子が絶縁体中に分散したナノグラニュラー材料が、現在広く利用されている金属箔ひずみゲージと比べ、約5倍の大きいゲージ率と約107倍の高い電気抵抗率を示すことを発見しました。また、この大きいゲージ率が、ナノ粒子間で起こる電子のトンネル伝導と、ひずみによるナノ複合構造の変化に起因することを明らかにしました。
 
この新しい材料を用いることで、省電力かつひずみ受感部が1/10000以下に小型化された高感度ひずみゲージを作製できます。ひずみゲージを集積化することで高密度な力学情報の検出が可能になります。これにより、ロボティクスで人間に近いきめ細やかな動作制御が可能になるなど、新たな有用な用途が開発されることが期待できます。
 
本成果は2025年11月10日付で科学誌Scientific Reportsに掲載されました。


図：
a：Co26Mg18F56ナノグラニュラー薄膜の高分解能透過電子顕微鏡像。暗い粒子状の部分がCoナノ粒子で、明るい部分がMgF2マトリックスです。
b：ナノグラニュラー薄膜中での電子のトンネル伝導の模式図。電子は絶縁体をトンネルすることでナノ粒子間を伝導します。
c：ナノグラニュラー薄膜に引張ひずみを加えたときの微細構造変化の模式図。図中のsは粒子間距離、dは粒子径です。s0とd0はひずみが加わっていないときの粒子間距離と粒径です。ナノ粒子（d）は変形せず、ナノ粒子間のマトリックス（s）のみが変形することで、大きな電気抵抗の変化が起きます。

【論文情報】
タイトル：High-sensitive mechanical response in metal–insulator nanogranular films with large gauge factor
著者：Tomoharu Uchiyama, Wang Chen, Yui Hasegawa, Nobukiyo Kobayashi, Hiroshi Masumoto*, Saburo Takahashi, Sadamichi Maekawa
*責任著者：東北大学学際科学フロンティア研究所 教授 増本博
掲載誌：Scientific Reports
DOI：10.1038/s41598-025-24084-7
URL：https://www.nature.com/articles/s41598-025-24084-7
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