ナノテクノロジー：原子のスケールで設計する

1959年12月29日の夜、パサデナのカリフォルニア工科大学で開かれたアメリカ物理学会の年次晩餐会で、リチャード・ファインマンは演壇に立ち、物理学者で埋め尽くされた会場に向かって、底にはたっぷりと余地があると語った。彼が言う「底」とは、大きさのスケールの最下層、すなわち原子と分子の領域のことであり、晩餐会後の講演を通じて彼は、機械も道具も文字も、ブリタニカ百科事典のすべてが一本のピンの頭に収まってしまうほど小さく作ることを、物理法則の何ひとつ禁じてはいないと論じた。その主張を際立たせるために、彼は千ドルの賞金をふたつ提示した。ひとつは六十四分の一インチより小さい、実際に動く電気モーターを最初に作った者へ、もうひとつは活字一ページ分を二万五千分の一の大きさに縮められた者へ。モーターの賞金は、ありふれた道具と忍耐でそれをやってのけた技術者によって一年のうちに獲得された。縮小されたページのほうは、もっと時間がかかった。

底にはたっぷりと余地があると題されたこの講演は、その後さらに十年のあいだ、属するべき分野すら持たなかった。「ナノテクノロジー」という言葉がまだ生み出されていなかったからである。それでもこの講演は、この学問分野の礎を築いた文章として正当に記憶されている。申し分のない経歴を持つ者が、ごく小さなものはただ小さいだけではなく、違うものなのであり、その違いは追い求めるに値すると声に出して言った瞬間として。この記事は、ファインマンを真剣に受け止め、実際にそのスケールで物を作るとき何が起きるのか、そして物質を十分に細かく切り刻んでいくと、なぜそれが自分自身の小さな縮図のようには振る舞わなくなり、本物の新しい何かのように振る舞いはじめるのかについての話である。

1ナノメートルと100ナノメートルのあいだの窓

1ナノメートルは10億分の1メートルで、おおよそ原子を三つか四つ横に並べた幅にあたる。ナノ材料とは、少なくともひとつの次元の大きさが、おおよそ1ナノメートルから100ナノメートルのあいだに収まる構造のすべてと定義される。この「少なくともひとつの次元」というのが重要で、つまりシートは、残りふたつの方向では顕微鏡のスライドガラス全体に広がっていても、厚みが原子一個か二個分しかないかぎり、ナノ材料でありうるということだ。

この窓を特別なものにしているのは、日常的なバルク物質ではどちらも無視できるふたつの物理効果が、ここでは決定的なものになるという点である。ひとつめは幾何学的な効果だ。物体を小さくしていくと、内部に埋もれているのではなく表面に位置する原子の割合が急激に高まり、その結果、表面積と体積の比が劇的に大きくなる。小石はほとんどすべての原子が内部に安全に閉じ込められているが、同じ物質のナノ粒子では、原子のかなりの割合が表面にむき出しになり、そこではるかに化学的に反応しやすい状態に置かれる。ふたつめは量子力学的な効果だ。固体の内部にある電子は、ビー玉のように転がりまわる点粒子ではなく、固有の波長を持つ波として振る舞う。電子を閉じ込めている構造がその自然な波長より小さくなると、もはや電子をバルクの自由な住人として扱うことはできなくなる。許される電子のエネルギーは圧縮され、とびとびの値をとるようになる。これが量子閉じ込めと呼ばれる現象である。1ナノメートルから100ナノメートルの窓は、表面の支配と量子閉じ込めというこのふたつの効果が、材料の光学的、電気的、化学的な性格を書き換えはじめる、まさにその範囲なのである。

炭素と結晶から削り出された四つの形

現代のこの分野は、ありがたいことに四つの代表的な構造を中心に整理されており、それらを混同せずに把握する手っ取り早い方法は、それぞれの何次元がナノスケールに閉じ込められているかを数えることだ。フラーレンは三方向すべてに閉じ込められた小さな籠であり、したがって「自由な」次元はゼロである。カーボンナノチューブは二方向に閉じ込められているが、軸に沿っては長く伸びることができるので、実質的に一次元だ。グラフェンは一枚の平らなシートで、その厚みだけが閉じ込められており、自由な次元がふたつ残る。量子ドットは、フラーレンと同じく三方向すべてに閉じ込められた点であり、したがって零次元である。この四つのうち三つが完全に炭素からできているのは偶然ではない。炭素が平らな六角形の配置で自分自身と結合しようとする性質が、ほかのどの元素にもまねできない多才さを炭素に与えているのだ。四つめの量子ドットは、半導体結晶の世界から来ている。これらが合わさって、ナノ科学の実用的な語彙を形づくっており、それぞれが固有の発見の物語を伴って登場した。

サッカーボールと巻き上げられたシート

1985年9月、ヒューストンのライス大学で、ハロルド・クロトー、リチャード・スモーリー、ロバート・カールは、レーザーで黒鉛を蒸発させ、その噴煙から凝縮してくる炭素のクラスターを研究していた。あるクラスターは、ちょうど六十個の炭素原子からなり、不審なほどの安定性をもって繰り返し現れた。それを説明するために彼らが提案した構造は、十二個の五角形と二十個の六角形からなる閉じた籠で、サッカーボールの形、幾何学的には切頂二十面体だった。彼らはこれを、ジオデシックドームの建築家であるバックミンスター・フラーにちなんでバックミンスターフラーレンと名づけた。この分子は彼の建築物に似ていたのである。ダイヤモンドと黒鉛に並ぶ、純粋な炭素の三つめの安定した形態のこの発見によって、三人は1996年にノーベル化学賞を受賞した。

フラーレンから六年後の1991年、日本の筑波にあるNEC基礎研究所の飯島澄男は、電気アーク放電のあとに残った煤を透過型電子顕微鏡で調べていた。その煤の中を貫いて、彼は針を見つけた。炭素のシートを巻いて管にしたものそっくりに見える中空の円柱が、木の年輪のように一本ずつ入れ子になっていたのだ。彼はこれらの多層カーボンナノチューブを1991年11月7日のネイチャーに発表し、単層のものは1993年に続いた。カーボンナノチューブとは本質的に、グラフェンのシートを継ぎ目のない円柱に巻き上げたものであり、その結果として、測定された引張強さが60ギガパスカルを超える、知られているかぎり最も強い材料のひとつが生まれる。これは最良の鋼鉄をはるかに上回る。ダイヤモンドを硬くしているのと同じ炭素同士の結合が、長さ方向に引っ張られたナノチューブを、ほとんど切れないものにしているのだ。

原子一個分の厚さ、テープで剥がし取られたもの

ナノチューブが巻き上げられる元になるシートには、それ自体の名高い歴史があり、しかもそれは驚くほど素朴なものだ。何十年ものあいだ、物理学者たちは、原子一個分の厚さの真に二次元の結晶は熱力学的に不安定であり、自立した物体としては存在しえないと考えていた。2004年、マンチェスター大学のアンドレ・ガイムとコンスタンチン・ノボセロフは、冗談のように単純な方法を使って、そうではないことを証明した。彼らはありふれた粘着テープを黒鉛のかたまりに押しつけ、薄い薄片をくっつけたまま剥がし、テープを自分自身に折り重ねてもう一度引き剥がし、この剥離をテープに残った残留物が場所によっては炭素原子一層になるまで繰り返した。最も薄い薄片を酸化したシリコンウェハーに移すことで、彼らはその単層を見つけ出し、研究することができた。これがグラフェン、炭素原子一個分の厚さの平らな蜂の巣状の構造であり、それは並外れたものであることが判明した。きわめて強く、熱と電気のすぐれた導体であり、ほぼ透明なのだ。彼らの論文原子レベルに薄い炭素膜における電界効果は2004年10月22日のサイエンスに掲載され、二人は2010年にノーベル物理学賞を共同受賞した。その教訓は、謙虚にさせると同時に胸を躍らせるものだった。ノーベル賞に値する材料が、これまでに書かれたあらゆる鉛筆の跡の中に隠れていて、誰かが十分に薄く剥がしてくれるのを待っていたのだから。

大きさだけで調整できる色

量子ドットは、量子閉じ込めが最も鮮やかにその真価を見せる場所だ。なぜなら、それを自分の目で見ることができるからである。量子ドットとは、閉じ込めによってバンドギャップ、すなわち電子が光を吸収または放出するために飛び越えなければならないエネルギーの段差がずれるほど小さい、半導体のナノ結晶のことだ。結晶を少し小さくすると、そのギャップが押し広げられ、放出される光がスペクトルの青い側へと押しやられる。少し大きくすると、ギャップが狭まり、色は赤のほうへ滑っていく。驚くべき帰結は、化学組成がまったく同一のふたつのドットが、ただその大きさの違いだけで異なる色に光りうるということで、これはどんなバルク材料も持たない性質である。バルクのセレン化カドミウムの瓶はただの黒っぽい粉末にすぎないが、ナノ結晶になると、同じ化合物が虹のあらゆる色で蛍光を発することができる。

その発見は段階を踏んで進んだ。アレクセイ・エキモフは、1981年にソビエト連邦で、ガラスに埋め込まれた塩化銅の結晶において、この大きさに依存する効果を観測した。ベル研究所のルイス・ブラスは、1983年に、液体中に浮遊する硫化カドミウムの粒子について同じ物理現象を実証し、それがガラスに特有の奇妙な現象ではないことを証明した。そしてムンギ・バウェンディは、1993年に、ついに有用なほど均一なドットの集団、すなわちすべてがほぼ同じ大きさの単分散の結晶を生み出す合成法を開発した。三人は2023年にノーベル化学賞を共同受賞した。こうした物語のいくつかが実を結ぶまでには四十年かかることもあるのだという思い出させ役である。量子ドットは今や、最も鮮烈なテレビの画面を照らし、生物学的イメージングにおいて個々の分子を目印として標識している。

ほとんどが表面であることがすべてを変える理由

ナノ材料を、ありふれた物質のただの小さなかたまりだと考えるのは誤りだろう。表面積と体積の比が高いということは、その原子のかなりの割合が表面に住んでいるということであり、表面の原子は落ち着きがない。満たされない結合を持ち、触媒として活性で、化学的に反応しやすく、しばしば内部とは違って光学的にも独特なのだ。この幾何学的な恩恵は、数十もの製品の中で静かに働いている。日焼け止めに含まれる二酸化チタンのナノ粒子は、白い塗り跡を残すのではなく透明なままで、紫外線を散乱させ吸収する。反応しやすい表面を非常に多く持つ銀のナノ粒子は、イオンを放出して強力な抗菌コーティングにする。自動車の触媒コンバーターの蜂の巣状の構造に広げられた白金のナノ粒子は、ごくわずかで高価な金属の質量から膨大な触媒面積を露出させ、固体の白金のかたまりにはとうてい及ばないほど効率的に排ガスを変換する。

同じ論理が、最も重大な応用のひとつであるナノ医療を支えている。これは脂質ナノ粒子、高分子ミセル、金ナノシェルといったナノスケールの運搬体を使って、丸ごと飲み込まれるバルクの錠剤よりも選択的に薬を届ける。血流に溶け込んだ薬はどこへでも行ってしまうが、ナノ粒子の中に包まれた薬は、必要とされる場所へ操縦し、保護し、放出することができる。この発想のこれまでで最大規模の臨床的展開が、ともに2020年12月に承認されたファイザー・ビオンテックとモデルナのmRNA新型コロナワクチンであり、そこでは壊れやすいメッセンジャーRNAの鎖が、それを保護して細胞の中へ運び込む脂質ナノ粒子に包まれている。何十億回もの接種を経て、ナノ医療はファインマンがほとんど想像もできなかった規模で試されたのである。

私たちがまだ測り方を学んでいる最中の危険

このすべてには、冷静に向き合うべき側面がある。ナノ材料は今や年間数千トンの規模で工業的に生産されているが、毒性学と規制の枠組みは化学に遅れをとってきた。ナノ粒子を有用にするまさにその反応性が、生物学的に攻撃的なものにもなりうるのであり、より大きな粒では止まってしまう膜を越えて細胞の中に滑り込めるほど小さい粒子は、慎重な研究を求める。常に念頭にある予防的な懸念は、アスベストとの類推である。アスベストであれ、ある種の高アスペクト比のナノチューブであれ、長く細く耐久性のある繊維は肺組織に入り込んで排出に抵抗しうるのであり、この類似性は研究者が意図的にそれを検査するほど真剣に受け止められている。規制当局も追いつきつつある。欧州連合は2011年に、規制上の目的でナノ材料を定義する委員会勧告を発し、米国食品医薬品局は2014年以降、ナノテクノロジーの指針を公表してきた。誠実な立場とは、私たちはそのルールを書くのと並行して巨大な実験を進めているのであり、長期的な影響については知的な謙虚さがふさわしい、というものだ。

重要なポイント

ナノ材料とは、少なくともひとつの次元の大きさがおおよそ1ナノメートルから100ナノメートルのあいだにある構造のすべてであり、それはバルク物質では消えてしまうふたつの効果が支配権を握る窓である。ひとつは表面積と体積の比の急激な上昇で、これによって原子のかなりの割合が反応しやすい表面に置かれる。もうひとつは量子閉じ込めで、構造が電子の自然な波長より小さくなると電子のエネルギーをとびとびにする。リチャード・ファインマンの1959年12月の講演底にはたっぷりと余地があるがこの分野を切り開き、四つの代表的な構造がそれを支えていて、それぞれ零、一、二、零の閉じ込められた次元に対応する。フラーレンC60（クロトー、スモーリー、カール、1985年、1996年ノーベル賞）、カーボンナノチューブ（飯島、1991年、引張強さは60ギガパスカル超）、グラフェン（ガイムとノボセロフ、2004年、粘着テープで単離、2010年ノーベル賞）、そして大きさだけで色が決まる量子ドット（エキモフ、ブラス、バウェンディ、1981年から1993年にかけての業績、2023年ノーベル賞）である。これらの原理は実際の技術を支えており、二酸化チタンの日焼け止めや白金の触媒コンバーターから2020年の脂質ナノ粒子mRNAワクチンに至るまでさまざまだが、その一方で、アスベストとの類推を指針となる懸念として、毒性学と規制は、すでに数千トン単位で製造されている化学に追いつこうと急いでいるのである。