【流動研究部門】内藤 俊雄 准教授

内藤 俊雄 ナノテクノロジー・材料系
分子が集まってできる微小な結晶に眠る
次世代ハイテク電子部品の可能性
~ナノデバイスの“光合成”を目指して~
内藤 俊雄准教授

創成科学研究機構・流動研究部門 ナノテクノロジー・材料系

植物に負けるな!

ここで紹介するのは、ただ同然の物質にある細工をして、次世代ハイテク電子部品に変えてしまおうという挑戦的研究である。「ある細工」とは、ほんのわずか光を当てるだけだ。つまり光エネルギーを利用して目的の製品を合成しようというわけである。太古の昔から、植物は太陽の光を利用して自らが必要とする養分を作ってきた(光合成)。この研究がうまくいけば、やがて人類は科学の光を利用して自らが必要とする各種デバイスを“光合成”する日がやってくるかもしれない。

 

みにくい宝石の子?-実は眠れる宝!

 そうした研究の対象となるのは、「結晶」という固体の一種である(図1)。結晶と言うと、綺麗な水晶や高価な宝石などを思い浮かべる人もいるだろうが、ここで扱うのは顕微鏡で見るほど小さく、ややいびつである。その正体は、1mmの1000万分の1ぐらいの大きさしかない有機分子などが規則正しく並んだ集合体である。だからどんなにちっぽけといっても、一つの結晶に含まれる分子の数は天文学的数字に上る。同じものを人間が作ろうとしても、とてもこの精度(ずれや狂いが1mmの10億分の1以下)で、この膨大な数の分子を並べることはできない。

それを分子は当たり前のように短時間で正確にやってのけるから、まるでコンピューターのようである。残念ながらその“プログラミング言語”を知らないため に、人間は結晶構造(結晶内の原子や分子の配列)を自由に操れない。それならば逆に利用できそうな分子配列をした結晶を見つけ、何とかそれを生かせないであろうか?そこで考えた。どうせ利用するなら、できるだけ役に立つものにしたい。例えばこれからのハイテク社会で求められる様々な電子部品(デバイス)なんかどうだろうか?こうしてこの研究は始まった。今のところほとんど見向きもされない絶縁体の分子性結晶に、大胆にもデバイスとしての可能性を考えている。本当にそんなことができるのであろうか?

 

分子性結晶が超伝導体に化けるとき

 まずは図2を見て欲しい。これは1993年に発表されたある分子性結晶の電気抵抗の温度変化である。冷やしていくと約5 K(-268 ℃)で突然電気抵抗がゼロになった様子が捉えられている。つまりこの温度以下でこの結晶は超伝導になっているのである。このように分子性結晶の伝導性は、化学変化、温度、圧力などを利用して様々に変えられる。実はこの「多様に変えられる伝導性」と、「分子が規則正しく整列していること」こそが、次世代ハイテク電子部品、つまりナノデバイスとしての可能性を匂わせている。

(* H. Kobayashi, T. Udagawa, H. Tomita, K. Bun, T. Naito and A. Kobayashi, Chem. Lett., 1559(1993).)