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磁 気 科 学
─磁場が拓く物質・機能および生命科学のフロンティア─
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本書の特色
- 磁気科学の基礎から応用までを、物質の構造とその機能や化学的・物理的現象および生命化学の中から話題を抽出。
- 主に均一および勾配磁場による磁気科学を取り上げ、電磁波、変動磁場やパルス磁場は多くは取り上げない。
- 多くの方に磁場のもつ可能性を示すために、広い領域に話題をもとめ磁気科学として、確かで、再現性のある磁気現象にスポットをあてている。
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監修
編著 |
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北澤 宏一（東京大学名誉教授）
尾関寿美男（信州大学 理学部 教授）
谷本 能文（分子科学研究所 教授）
山口 益弘（横浜国立大学 工学部 教授） |
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体裁／価格 |
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体 裁：B5判 500ページ
定 価：47,000円＋税 送料当社負担
発行日：2002年11月30日
コードNo. 927 |
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新しい研究分野「磁気科学」は、磁気の化学反応、物理変化、生物現象などと磁場との関わり合いを研究したり、その応用を図る科学の新しい一部門であり、実に広範な研究領域をカバーしている。有機結晶・無機結晶・蛋白質結晶・ポリマー・機能性材料の磁場による構造と機能制御、鉄鋼や合金など種々の金属材料の磁場による構造・物性の制御、光化学反応・電気化学反応など各種化学反応の磁場制御、磁気同位体効果、磁気力による各種磁気分離、磁気浮上、磁場の生体影響といった研究が現在行われている。「磁気科学」は、理学・工学・医学・生命科学・宇宙科学の基礎から応用に至る広い分野を横断する学際的な新しい研究分野である。現在新技術としての実用化が着々と進んでいるテーマや、近い将来の実用化が期待されるテーマも多い。意欲的な研究が全国各地で行われ、今後さらに大きな展開が期待される分野であり、「磁気科学」は社会のニーズに応え社会の発展に大きな貢献ができるものと思われる。
ここに例示した“磁気科学”は磁場の能力の一端を収集したに過ぎない。原則として、サイエンスとしてあるもの、成り立ちつつあるもの、見込みのあるものを取り上げたとはいえ、これらのいくつかは修正を加えられるであろうし、さらに新しい進展に導かれ
ることと思われる。多くの方々が、それぞれの領域で磁場の能力を引き出し、検証して頂く端緒としていただければ、本書の出版の異議は達せられたといえる。本書が磁気科学の幕開けにふさわしい役割を果たしてくれることを念じている。（編集委員） |
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執 筆 者 一 覧 |
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●監 修
北澤 宏一 東京大学名誉教授 科学技術振興事業団 専務理事
●編 著
尾関寿美男 信州大学 理学部 教授
谷本 能文 岡崎国立共同研究機構分子科学研究所 分子スケールナノサイエンスセンター 教授
山口 益弘 横浜国立大学 大学院工学研究院 物理情報工学専攻 教授
●執筆者（執筆順）
林 久治 学習院大学理学部 客員教授 （元理化学研究所 分子光化学研究室）
阿部 晴雄 物質・材料研究機構 強磁場研究センター 主席研究員
藤原 昌夫 岡崎国立共同研究機構分子科学研究所 分子スケールナノサイエンスセンター 助手
廣田 憲之 東京大学 大学院新領域創成科学研究科 助手
青垣 良一 職業能力開発総合大学校 造形工学科 教授
栗山 義彦 日立金属㈱ 先端エレクトロニクス研究所 磁性グループ
冨中 利治 理化学研究所 加速器基盤研究部 低温技術開発室
木吉 司 物質・材料研究機構 強磁場研究センター グループリーダー
浅野 稔久 物質・材料研究機構 強磁場研究センター
木村 恒久 東京都立大学 大学院工学研究科 応用化学専攻 助教授
茂木 巌 東北大学 金属材料研究所 助手
佐崎 元 東北大学 金属材料研究所 結晶物理学研究部門 講師
大塚伊知郎 信州大学 理学部 化学科
山本 勲 横浜国立大学 大学院工学研究院 物理情報工学専攻 講師
浅井 滋生 名古屋大学 大学院工学研究科 材料プロセス工学専攻 教授
掛下 知行 大阪大学 大学院工学研究科 マテリアル科学専攻 教授
淡路 智 東北大学 金属材料研究所 強磁場超伝導材料研究センター 助教授
西本 右子 神奈川大学 理学部 講師
本河 光博 東北大学 名誉教授
中垣 良一 金沢大学 大学院自然科学研究科 教授
藤原 好恒 広島大学 大学院理学研究科 数理分子生命理学専攻 助教授
米村 弘明 九州大学 大学院工学研究院 応用化学部門 講師
森 義仁 お茶の水女子大学 理学部 化学科 教授
本田 数博 神奈川工科大学 工学部 応用化学科 教授
森田 浩 千葉大学 大学院 自然科学研究科 助教授
若山 信子 産業技術総合研究所 環境調和技術研究部門 主任研究員
森 茂 金沢大学 大学院自然科学研究科 地球環境科学専攻 教授
佐藤 昭 湘南工科大学 電気電子メディア工学科 教授
小原 健司 物質・材料研究機構 強磁場研究センター 主席研究員
渡辺 恒雄 東京都立大学 工学研究科電気工学専攻 教授
中林誠一郎 埼玉大学 理学部 基礎化学科 教授
馬場 凉 東京商船大学 商船学部 助教授
渡會 仁 大阪大学 大学院理学研究科 化学専攻 教授
東 照正 大阪大学 医学部 保健学科 助教授
上野 照剛 東京大学 大学院医学系研究科 生体物理医学専攻 教授
岩坂 正和 東京大学 大学院医学系研究科 生体情報学分野
正田 誠 東京工業大学 資源化学研究所 教授
小穴 孝夫 鉄道総合技術研究所 環境工学研究部 主任研究員
高橋 秀幸 東北大学 大学院生命科学研究科 教授
松永 是 東京農工大学 工学部 生命工学科 教授
新垣 篤史 東京農工大学 工学部 生命工学科 |
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■第1章■ 磁気科学をとりまく現状 |
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〈基 礎 編〉 |
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■第2章■ 磁気科学の基礎 |
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2. 1 巨視的磁気学（山口）
2. 1. 1 磁気モーメントと磁化
2. 1. 2 磁化率
2. 1. 3 磁場
2. 1. 4 電磁場の基本法則
1) マクスウエルの方程式
2) 各種の電磁場
2. 2 物質の磁性（山口）
2. 2. 1 反磁性体
1) ラーモアの反磁性
2) 分子の反磁性
3) 反磁性の異方性
2. 2. 2 電子の磁気モーメント
1) 軌道磁気モーメント
2) スピン磁気モーメント
2. 2. 3 原子・イオンの磁気モーメント
1) 電子殻の基底状態
2) 鉄族遷移元素の磁気モーメント
3) 希土類元素の磁気モーメント
2. 2. 4 分子の磁気モーメント
2. 2. 5 常磁性
1) 常磁性の古典論（ランジュバンの常磁性）
2) 常磁性の量子論
3) パウリ常磁性
2. 2. 6 秩序磁性
1) 強磁性体（フェロ磁性体）
2) フェリ磁性体
3) 反強磁性体
2. 3 磁場効果の基礎（山口）
2. 3. 1 ゼーマン効果
2. 3. 2 磁気的なエネルギー
1) 磁気エネルギー
2) 磁化のポテンシャル・エネルギー
3) 磁気双極子-双極子相互作用
4) 磁気異方性エネルギー
2. 3. 3 磁場による力学・電流・熱作用
1) 磁気トルク
2) ファラデー力（磁気力）
3) ローレンツ力
4) うず電流とジュール熱
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■第3章■ 磁場効果の原理 |
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3. 1 磁気熱力学効果（山口）
3. 1. 1 磁気熱力学
3. 1. 2 化学反応
1) 平衡条件
2) 熱力学定数への磁場効果
3. 1. 3 相転移
1) 熱力学定数
2) クラペイロン・クラウジウスの式
3. 1. 4 ギブスの相律
3. 2 スピンと化学反応
3. 2. 1 ラジカル反応（林）
3. 2. 2 分子の励起状態と磁場効果（阿部）
1) 気相分子の電子励起状態と無輻射過程
2) 蛍光の磁場消光
3) 蛍光の磁場消光のまとめと今後の展望
4) 最近のトピックス
3. 3 磁気配向（藤原昌夫）
3. 3. 1 磁気配向のメカニズム
1) 磁気配向
2) 磁気エネルギー
3) 磁気配向と熱揺らぎ
4) 配向秩序
5) 温度の効果
3. 3. 2 磁気配向の実例
1) 常磁性物質
2) 反磁性結晶
3) タンパク質
3. 4 磁気力効果（廣田）
3. 4. 1 モーゼ効果
3. 4. 2 磁気アルキメデス効果
3. 5 MHD効果（青垣）
3. 5. 1 MHD効果と電磁流体方程式
3. 5. 2 電気化学反応 |
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■第4章■ 磁場の発生 |
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4. 1 永久磁石（栗山）
4. 1. 1 材質
4. 1. 2 磁気異方性
4. 1. 3 磁気特性
4. 1. 4 磁気回路
4. 1. 5 仮定磁路法
4. 1. 6 不可逆減磁
4. 1. 7 永久磁石の応用
4. 2 電磁石（富中）
4. 2. 1 電磁石
4. 2. 2 電磁石の構造および原理
4. 2. 3 電磁石の構成要素（材料）
1) 磁性材料（鉄芯、ヨークの材料）
2) コイル用導体
4. 2. 4 電磁石の設計
1) 電磁石の設計の概要
2) 電磁石の設計における有用な概略の公式3)
4. 2. 5 電磁石の入手・購入
4. 2. 6 磁場発生設備の共同利用（電磁石の借用）
4. 2. 7 磁場計算
1) 磁場計算の基礎
2) 解析的な磁場計算の概要（有用な公式）
3) 鉄などの磁性体の磁化による磁場
4. 3 超伝導磁石（木吉）
4. 3. 1 超伝導磁石の原理
1) 超伝導状態
2) 超伝導線材
3) 超伝導磁石の冷却
4. 3. 2 超伝導磁石の特徴
1) 発生する磁場の特徴
2) クエンチ
4. 3. 3 超伝導磁石の現状
1) 発生磁場
2) 特殊な磁場
3) 汎用磁石
4. 3. 4 超伝導磁石の使用
1) 設置
2) 運転
3) 実験
4) 保守
4. 4 パルス磁石・特殊な磁石（浅野）
4. 4. 1 パルス磁石
4. 4. 2 非破壊式パルス磁石装置概要
4. 4. 3 破壊型パルス磁石
4. 4. 4 ハイブリッド磁石
4. 5 磁石開発の将来（木吉）
4. 5. 1 磁場のキャラクタリゼーション
4. 5. 2 汎用磁石の開発
4. 5. 3 極限的磁石の開発
4. 5. 4 プロセス固有磁石の開発
4. 5. 5 磁石開発と材料 |
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〈応 用 編〉 |
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■第5章■ 磁場による構造制御 |
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5. 1 低分子量物質の集合構造の磁場制御（尾関）
5. 1. 1 液晶
5. 1. 2 脂質
1) リポソームの融合・分裂
2) 分子の膜透過の磁場制御
5. 2 高分子量物質の高次構造の磁場制御
5. 2. 1 合成有機高分子（木村）
1) 概論
2) 繊維の磁場配向
3) 液晶性高分子の磁場配向
4) 結晶性高分子の磁場配向
5) 導電性高分子（茂木）
5. 2. 2 タンパク質（結晶成長）（佐崎）
1) 磁場中でのタンパク質の結晶化
2) 結晶の磁場配向
3) 結晶の成長・溶解速度
4) 磁気力の利用（疑似微小重力環境）
5) 対流の制御
6) 結晶品質の向上
7) タンパク質水溶液の変化
5. 2. 3 ゲル
1) 体積相転移ゲル（尾関）
2) アガロースゲルの相転移（山本）
5. 2. 4 炭素
1) 炭素繊維
2) カーボンナノチューブ（配向と生成）（藤原昌夫）
5. 2. 5 無機高分子：メソポーラスシリカ（尾関）
1) 有機テンプレートの磁場配列とその固定
2) ハイブリッド系の磁場による構造変化
3) 磁場によるメソポーラスシリカの構造および細孔変化
4) 薄膜の磁場配向
5. 3 シリコン半導体（尾関）
5. 4 金属および金属酸化物
5. 4. 1 水素吸蔵合金（山本）
5. 4. 2 鉄系合金のマルテンサイト変態（掛下）
1) マルテンサイト変態に及ぼす磁場の影響
2) Fe-C合金のα-γ 逆変態（拡散を伴う変態）に及ぼす磁場の影響
5. 4. 3 超伝導体（淡路）
1) Y123バルク
2) Y123膜
3) Bi2212およびBi2223
5. 5 水が関与する構造形成（尾関）
5. 5. 1 微粒子への水和
5. 5. 2 水中での結晶合成とモルフォロジー
5. 5. 3 水と塩およびアミノ酸との共晶：酸素の役割（西本）
5. 6 材料電磁プロセッシング（浅井）
5. 6. 1 材料電磁プロセッシング技術
1) 材料電磁プロセッシング誕生の歴史
2) 電磁気力利用技術
5. 6. 2 電磁場が電気伝導性流体に示す機能
1) 形状制御機能
2) 流動抑制機能
3) 分離・凝集機能
4) 駆動（攪拌）機能
5) 振動機能
6) 飛散機能
7) 浮揚機能
8) 昇温機能
9) 流速検出機能
10) 複合機能
5. 6. 3 材料電磁プロセッシングの課題と将来
5. 7 磁気浮上による物質合成（本河・茂木）
5. 7. 1 磁気浮上とその技術
5. 7. 2 反磁性物質の磁気浮上合成
1) 磁気浮上水滴の凝固
2) 水溶液からの結晶成長
3) ガラスの溶融凝固
4) 浮上状態での物質の配列・配向
5. 7. 3 磁気浮上の課題と将来 |
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■第6章■ 磁場による反応制御と機能発現 |
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6. 1 化学反応
6. 1. 1 有機光化学反応（中垣・藤原好恒）
1) 均一反応系における磁場効果と磁気同位体効果
2) 不均一反応系における磁場効果と磁気同位体効果
3) その他の磁場効果
6. 1. 2 光電極反応（米村）
1) ドナー―アクセプター連結化合物を担持した修飾電極の光電極反応に対する磁場効果
2) 半導体ナノ粒子を担持した修飾電極の光電極反応に対する磁場効果
6. 1. 3 振動反応（森）
6. 1. 4 無電解析出（谷本）
1) 実験
2) 結果と考察
6. 1. 5 気相反応と微粒子生成（森田）
1) 複合微粒子形成反応
2) グリオキサール／アクロレイン混合気体からの微粒子形成反応における外部磁場効果
3) グリオキサール／CS2混合気体からの微粒子形成反応における外部磁場効果
4) CS2／有機ケイ素化合物混合気体からの微粒子形成反応における外部磁場効果
6. 1. 6 磁場を利用した空気流および燃焼反応の制御 －磁気空気力学－（若山）
1) 空気中における反磁性ガス流の挙動
2) 拡散火炎の磁場効果
3) 白金触媒燃焼
4) 燃料電池酸素電極の勾配磁場効果
5) 呼吸の促進－呼吸補助器－
6. 2 電気化学反応
6. 2. 1 電極反応速度（森）
1) 電極反応速度に関与する諸現象
2) 予期される磁場印加の効果と律速状態
3) 物質移動速度と物質移動係数
4) 平面状電極周りの一次元的物質移動に及ぼす磁場
5) 三次元的形状の電極周りにおける物質移動に及ぼす磁場印加の効果
6) 強制対流を伴う平板電極周りの物質移動と磁場印加の効果
6. 2. 2 マイクロMHD効果（青垣）
6. 2. 3 電析・薄膜・メッキ（茂木）
6. 2. 4 腐食（佐藤）
1) 腐食実験の方法
2) 強磁場下の鉄付近における勾配磁場
6. 2. 5 無電解めっき（青垣）
6. 3 吸着（尾関）
6. 3. 1 気体の吸着
1) 界面での磁場応答現象
2) 吸着への磁場効果
3) 分子磁気吸着
4) 分子磁気吸着の特徴
5) 局所勾配磁場による吸着制御
6) 固／気界面での磁場応用
6. 4 磁気分離
6. 4. 1 磁気同位体分離（林）
6. 4. 2 磁気力による遷移金属イオンの分離（藤原昌夫）
1) 静電気力と磁気力
2) 勾配磁場
3) 金属イオンの分離
4) 磁気力による分離
6. 4. 3 磁気クロマトグラフィーによる微粒子の分離（小原）
1) クロマトグラフィーと磁気クロマトグラフィー
2) 磁気クロマトグラフィーの原理と構造
3) 計算機シミュレーション
4) 理論解析の結果
5) 実験
6. 4. 4 磁気アルキメデス効果による弱磁性粒子の分離（廣田）
6. 4. 5 電解および磁気分離による新廃水処理システムの開発と浸出水への適用（渡辺）
1) 実験装置と実験方法
2) 実験結果
6. 5 磁場による物質輸送の制御
6. 5. 1 蒸発・液体への気体の溶解（廣田）
6. 5. 2 レーリー・ベナール対流（馬場・中林）
1) レーリー・ベナール対流
2) 電気化学的に駆動されたレイリー・ベナール対流とその磁場効果
3) 磁場による対流構造の制御
6. 5. 3 磁気力を利用した低重力環境と高品質タンパク質単結晶の作成（佐崎）
1) 磁気力を利用した重力制御装置
2) 仮想的低重力環境における気泡の挙動
3) 可変重力環境におけるタンパク質の結晶成長
6. 6 磁気運動機関（廣田）
6. 6. 1 電磁場を用いた液体モーター
6. 6. 2 磁気送風
6. 7 磁場による新規測定法（青垣）
6. 7. 1 サイクリックマグネタンメトリー（青垣）
6. 7. 2 液体中の浮遊粒子の磁化率測定法（青垣）
6. 7. 3 磁場と電場を用いる顕微泳動分析法（渡會）
1) 顕微磁気泳動分析法
2) 顕微電磁泳動分析法 |
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■第7章■ 生命科学における磁場応用 |
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7. 1 超構造（東）
7. 1. 1 赤血球
1) 定常磁場配向
2) 異方的反磁性帯磁率（Δχ）の測定
3) 磁場配向に寄与する細胞成分（Δχの概算）
4) 細胞成分の割合と配向の方向
7. 1. 2 鞭毛
1) 定常磁場配向
2) 異方的反磁性帯磁率（Δχ）の測定
3) 磁場配向に寄与する細胞成分（Δχの概算）
4) 将来の磁場応用への展望
7. 2 膜機能（尾関）
7. 2. 1 脂質膜の膜電位と膜抵抗
7. 2. 2 生体膜機能
7. 3 酵素機能（反応）と磁場（岩坂・上野）
7. 3. 1 酵素反応レベルでラジカル対機構の検証
7. 3. 2 様々な酵素反応を磁場に曝した報告例
7. 4 遺伝と形質転換
7. 4. 1 微生物（正田）
1) はじめに
2) 微生物の特徴
3) 高磁場と微生物反応
4) まとめ
7. 4. 2 ショウジョウバエ（小穴）
7. 5 細胞分裂（岩坂・上野）
7. 5. 1 生物発生における細胞分裂と磁場
7. 5. 2 受精直後の卵に対する実験の重要性
7. 5. 3 強磁場中でのアフリカツメガエル卵の観察法
1) アフリカツメガエル卵の処置
2) 磁場曝露装置および磁場中観察装置
7. 5. 4 アフリカツメガエル卵の発生初期における一過性の磁場影響
1) 14T磁場下での受精直後からの12時間曝露
2) 14T磁場下での受精卵の初期卵割のリアルタイム観察
3) 初期卵割パターンへの磁場効果メカニズム
7. 6 植物の応答（高橋）
7. 6. 1 強磁場と植物の成長
1) 磁場処理は収量を増大させるか
2) 超強磁場と植物の成長
7. 6. 2 微弱磁場と植物の成長
7. 6. 3 磁場勾配による屈性と走性
1) 磁気屈性と平衡石
2) 強磁場勾配を利用した疑似微小重力実験
3) 磁気走性
7. 6. 4 磁場応答機構の究明
7. 7 微生物の行動
7. 7. 1 磁性細菌（松永）
1) 磁石を作る生物
2) 磁性細菌の性質と行動
3) 磁性細菌の多様性
4) 磁性細菌粒子生成メカニズムの解析
5) 磁性細菌粒子を利用したナノバイオテクノロジー
7. 7. 2 ミドリムシの走磁性（谷本）
1) 実験
2) 結果
3) 考察
7. 8 生体磁気（岩坂・上野）
7. 9 生命科学における磁場応用の展開（岩坂・上野）
7. 9. 1 磁場配向技術の組織再生への応用
7. 9. 2 パルス磁場の生体刺激効果 |
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■第8章■ 磁気科学の展望 |
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8. 1 磁気科学の潮流（山口）
8. 2 磁気科学の展開
8. 2. 1 化学反応に対する磁場効果の基礎研究
8. 2. 2 開発が継続的に進められている磁場応用技術
8. 2. 3 新規磁場効果の解明と応用
8. 2. 4 生体に対する磁場効果 |
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| ■付 録■（山口） |
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