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【海外サイエンス・実況中継】新低加速電子顕微鏡により明らかになる超~ナノの世界

posted Jan 30, 2012, 11:45 AM by Yunke Song   [ updated Jan 31, 2013, 12:42 PM ]
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_/ 『海外の大学院留学生たちが送る!サイエンス・実況中継』
_/ November 2009, Vol. 52, No. 1
_/ カガクシャ・ネット→ http://kagakusha.net/
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今回は、アリゾナ州立大で材料科学において Ph.D. を取得され、その後、ポ
スドクを経て米国企業にて活躍されている、Aさんに執筆してもらいました。
Aさんのこれまでのエッセイは、当ウェブサイトの過去ログからご覧下さい。
(閲覧には、無料のユーザー登録が必要です。)

■ミクロな世界で活躍している新技術 ~ナノテクノロジー
http://kagakusha.net/modules/weblog/details.php?blog_id=29
■大学院留学:給料がもらえる院生とフレキシブルな就職口
http://kagakusha.net/modules/weblog/details.php?blog_id=30

●Ph.D. 取得後のキャリアを成功させるには:企業編(前)
http://kagakusha.net/modules/weblog/details.php?blog_id=93
●Ph.D. 取得後のキャリアを成功させるには:企業編(後)
http://kagakusha.net/modules/weblog/details.php?blog_id=95

▲工学系の大学院事情
http://kagakusha.net/modules/weblog/details.php?blog_id=96

★アメリカ企業就職サバイバルのためのアドバイス(前)
http://kagakusha.net/modules/weblog/details.php?blog_id=121
★アメリカ企業就職サバイバルのためのアドバイス(後)
http://kagakusha.net/modules/weblog/details.php?blog_id=122


今回の論文紹介は、いま最もホットな研究トピックの一つである、カーボンナ
ノチューブ・カーボン系ナノ材料に関連する、電子顕微鏡の開発に関してです。
まず最初に、この論文が発表される背景となっている、電子顕微鏡の性能と限
界に対する歴史を簡単に紹介し、その後に、今回紹介されている論文を執筆さ
れた、末永博士グループの業績をまとめています。どうぞお楽しみ下さい!

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最近発表された論文の簡単な紹介とその将来的な可能性など
新低加速電子顕微鏡により明らかになる超~ナノの世界
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ナノテクノロジー・ナノサイエンスとは、物質を作っている分子・原子レベル
の大きさの領域で起こる、特異な現象をうまく利用することで、飛躍的な技術
革新を起こそうとする、学際的な技術・研究領域です。この分野において、新
しく作製したナノサイズの材料や構造の特性を調べるのに、これまで非常に重
要な役割を果たしてきたツールの一つが、電子顕微鏡です。

「顕微鏡」という言葉を聞くと、多くの人は試料の拡大像を得る道具だ、と思
われるかもしれません。しかし、電子顕微鏡、特に透過型電子顕微鏡では、電
子の波としての性質から生じる回折という現象(電子回折法)を使って数ナノ
メートル(ナノメートルは、ミリメートルの1,000,000分の1)の微小領域の原
子配列の情報を得ることができます。さらには、顕微鏡内で加速された電子が
試料中の電子をはじき出すことに起こる電子のエネルギー変化、及びX線の発
生を利用し、試料の中に含まれる元素と、その含有量を特定できる(電子エネ
ルギー損失分光法およびエネルギー分散型X線分光法)だけではなく、その元
素が、試料中にどのように分布しているかを、イメージとして視覚化すること
も可能です。また、理論計算と実験を組み合わせると、試料の電子状態を調べ
ることもでき、ナノテクノロジー・ナノサイエンスのみならず、様々な研究分
野で利用されてきました。

電子顕微鏡の活躍の例を一つ挙げると、飯島澄夫博士は、この透過電子顕微鏡
技術を駆使して、新しいナノサイズの炭素材料の構造を明らかにし、カーボン
ナノチューブと命名されました[1]。

今回は、このカーボンナノチューブおよびカーボン系の材料研究分野がテーマ
です。世界的に活躍しておられる、末永博士の研究グループが、最近発表され
た論文についてご紹介させていただきます。末永グループは、この論文で、カー
ボン系ナノマテリアルを、原子レベルで解析するために必要な超高性能・高分
解能電子顕微鏡を見事に開発し、それを用いて行った画期的な研究について報
告されています。

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論文タイトル: Visualizing and identifying single atoms using
electron energy-loss spectroscopy with low accelerating voltage

著者: Kazu Suenaga, Yuta Sato, Zheng Liu, Hiromichi Kataura,
Toshiya Okazaki, Koji Kimoto, Hidetaka Sawada, Takeo Sasaki,
Kazuya Omoto, Takeshi Tomita, Toshikatsu Kaneyama and Yukihito Kondo

文献: Nature Chemistry Online, 5 JULY Volume 1, Issue 5, p. 415-418
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まず、この論文の背景となる部分を、少し説明したいと思います。

電子顕微鏡の分解能(どれくらい細かいものが見えるか)は、電子線のエネル
ギーの大きさとレンズの性能の両方で決まります。顕微鏡のレンズには、「収
差」と呼ばれる、ピンボケを引き起こす欠陥があり、既にレンズ技術の限界の
性能まで来ていました。そこで、分解能を上げるために、電子線のエネルギー
を上げる装置開発が行われ、一時期は100万ボルト以上の加速電圧を有する装
置も開発されました。

しかし、100万ボルト級の顕微鏡では、分解能は格段に良くなったものの、電
子エネルギーがあまりに大きいため(強い放射線を試料に当てている場合に相
当する)、試料がダメージを受けてしまうという問題が生じました。その一方、
電子線のエネルギーを上げる研究開発と平行して、ピンボケの原因を起こす「
収差」を補正する装置の開発が長年続けられてきましたが、ついに2000年前後
に、収差補正装置のついた顕微鏡の試作・商用化が行われ、分解能の飛躍的な
向上が達成可能となりました。

現在では、収差補正装置のついた10万~30万ボルト級の顕微鏡が、世界中の大
学・研究機関に設置されています(収差補正装置の付いてない顕微鏡も含める
と、10万~40万ボルトが世界の顕微鏡の主流です)。最新の30万ボルト級の装
置では、0.05ナノメートルの分解能を達成し、ナノサイエンス・材料科学の研
究に革新的な飛躍をもたらしました。

ところで、このようにナノマテリアルサイエンスにおいて、非常に重要な役割
を果たしている、この収差補正装置付きの電子顕微鏡ですが、現在のままの装
置では、ナノテクノロジー・サイエンスの主役ともいえる、カーボンナノチュー
ブの研究には向かないことが示されています。というのも、これまでの研究に
より、電子線のエネルギーが8万ボルトを越えると、観察中の試料が壊れてし
まい、正しい特性を調べることが難しいことが分かってきたのです。

カーボンナノチューブをはじめとしたナノマテリアルの正確な特性を、原子一
つ一つの高い分解能で調べるには、新しい低電子エネルギーの電子顕微鏡(専
門的には、低加速高分解能電子顕微鏡)の開発が必要とされました。そこで、
末永博士は、科学技術振興機構(JST)のCRESTからのサポートを得て、プロジェ
クトを立ち上げられました。
http://www.busshitu.jst.go.jp/kadai/year03/team03.html

末永チームの研究により、電子のエネルギーを8万ボルトより低い6万ボルトま
で下げることで、元素のマッピング(2次元的元素の分布をイメージ化する技
術)をする際に、試料のダメージを著しく軽減できることが明らかになりまし
た。ただし、6万ボルトまでエネルギーを下げると、これまで2000年前後に発
明された収差補正装置では、原子一つ一つを見る性能が著しく下がることも分
かりました。そこで、新たな概念をベースとし、より高性能な低加速用収差補
正装置(DELTA CORRECTOR)を見事に開発しました。この収差補正装置を使う
と、6万ボルト以下でも原子分解能を容易に得られるだけでなく、元素マッピ
ングを行うことも可能になります。

装置開発の詳細は、オンラインで発表された論文の補足資料に詳しく書いてあ
りますので、興味のある方はそちらをご参考ください。

この論文の中では、カーボンナノチューブの中に封入された、フラーレン分子
内に存在するカルシウム原子(原子番号20番)、ランタン原子(原子番号57
番)、セリウム原子(原子番号58番)、エルビウム原子(原子番号68番)を見
事に観察し、さらには電子エネルギー損失分光法を応用して、それぞれの原子
の種類を特定しています。特に、原子番号が一つしか違わないランタンとセシ
ウムを、原子一個という超高倍率で識別するのは非常に困難ですが、それを世
界に先駆けて達成されました。

より詳しい研究報告については、末永氏のホームページをご覧ください。
http://staff.aist.go.jp/suenaga-kazu/

数年前に発表されたプレスリリースもご参考ください。なお、装置の性能はこ
の当時よりも格段に上がっています。
http://tinyurl.com/yjda2r4


この装置開発と実験の結果から、これまで容易ではなかったカーボン系のナノ
マテリアル、あるいは軽い元素からなる有機・生物分子などを、原子レベルで
観察し、さらには元素の種類の識別、分布状態も試料にダメージを与えずに調
べられることが示されました。例えば、生物試料の中に存在する、カリウムや
カルシウム原子の位置を特定することもできるようになるため、ナノテクノロ
ジー・ナノマテリアルの更なる研究の発展のみならず、バイオテクノロジーや、
これまであまり電子顕微鏡が応用されていなかった有機系材料、あるいは有機
分子の観察・解析などナノテクノロジーの実用化において重要な研究が、この
装置により可能となります。

末永博士率いるチームはさらに次なる発展を考えておられ、今後のこのプロジェ
クトの行方に世界も注目しています!


●参考文献
[1] Sumio Iijima, Nature Vol. 354, 7, 56-58(1991)
2009年9月の時点で論文引用件数8754回


今回のエッセイへのご意見は、こちらへどうぞ。
http://kagakusha.net/modules/weblog/details.php?blog_id=145





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編集後記
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つい先日、ボストン美術館に“The Secrets of Tomb 10A”紀元前2000年のエ
ジプト展を家族で見に行きました。古代エジプトのミイラやお墓に関するミス
テリアスな神秘に触れることができ、とても楽しめました。またその展示で子
供達が展示物のスケッチをしたり、熱心に説明文を読んでいるのを見て嬉しく
なりました。子供の頃から、学ぶことを楽しむことは素晴らしいことだと思い
ます。(筆者)

これまで、いくつかの分野における、「最近発表された論文の簡単な紹介とそ
の将来的な可能性など」をお送りしてきましたが、次号からしばらくの間、第
3弾メルマガのもう一方のテーマである、「大学院留学を実現させるためのノ
ウハウ集」を配信予定です。ちょうど、2010年秋入学を目指す方々にとっては、
まさにこれからが出願の正念場だと思います。最初から順番に沿って配信して
いると、核心部分に到達するころには、出願シーズンが終わってしまうことも
懸念されるため、早めに取り扱って欲しい内容があれば、staff_AT_kagakusha.
net(_AT_を@に変換してください)まで、ご要望をどしどしとお送り下さい。
もしくは、メーリングリスト(http://groups.yahoo.co.jp/group/Kagakusha/)
に質問事項を投げかければ、多くの方々の意見が聞けると思います。(山本)


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