posted Jan 30, 2012, 11:45 AM by Yunke Song
[
updated Jan 31, 2013, 12:42 PM
]
_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/ _/ _/ 『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/ _/ _/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/
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!
━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 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 ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━
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。
---- 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 ----
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
━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 編集後記 ─────────────────────────────────── 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)
━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ カガクシャ・ネット http://kagakusha.net/ (上記サイトで無料ユーザー登録後、バックナンバー閲覧可) 発行責任者: 杉井 重紀 編集責任者: 山本 智徳 メールマガジンの登録と解除: http://www.mag2.com/m/0000220966.html ご連絡はこのメルマガに「返信」または以下のページから: http://kagakusha.net/Mailform/mail.html 友人・お知り合いへの転送は自由ですが、無断転載は禁じます。 転載ご希望の際は必ずご連絡ください。 ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ |
|
|