マテリアルサイエンス研究科

　超高真空中（10－11Torr）で稼働する走査型プローブ顕微鏡（SPM、（走査型トンネル顕微鏡：STM、原子間力顕微鏡：AFM））などの「原子スケールで鋭利な探針（プローブ）を利用する表面顕微鏡法」を中心として、装置・手法を新たに模索・開発しながら、原子スケールで固体表面の構造や電子状態 を解析します。電界電子放射による局所電子励起や、プローブ法による力学的励起、光励起表面電子分光法の構築とその活用を通して、表面で発現する魅惑的な 物性を探究します。

　SPMや他の高分解能顕微鏡法を利用して、固体結晶表面や超薄膜成長の様子を原子スケールで観察し、あわせて電子状態を解析します。特異な結晶構造・ヘテロ構造を対象として、Ⅳ族元素を中心としたナノ構造の創製もめざします。量子力学的トンネル現象である電界電子放射現象などを利用して、針状試料先端の原子配列、組成やその電子状態を調べ、走査型プローブ顕微鏡のプローブ開発に資するとともに、電界放射励起・電子定在波励起を利用した表面解析法を開発し、 電子トンネル・波動性に由来する現象の理解を深めます。

　絶縁体材料にも適応でき、原子分解能を有する非接触原子間力顕微鏡（noncontact（nc）-AFM）を活用して、プローブ先端原子と試料原子や分子との間に働く微弱な力を計測・制御する技術（ナノプローブテクノロジー）をベースに、原子や分子をナノ力学に基づいて操作・組み立てる新しい研究分野（原子分子のナノ力学）を開拓します。この手法により、個々の原子・分子の表面反応の解析や、絶縁体にも適用可能な「次世代の原子・分子の科学・技術」を構築します。

超高真空走査型トンネル顕微鏡、超高真空非接触原子間力顕微鏡、エネルギー分析器複合電界放射走査型トンネル顕微鏡、走査型オージェ電子顕微鏡、超高分解能走査型電子顕微鏡など

　今日のエネルギー問題を打開するひとつの手段として注目を集めているのが、『熱電変換技術』です。熱電変換技術を用いると、『質の悪い熱エネルギー』と 『良質の電気エネルギー』を相互に直接変換することが出来ます。私たちの研究室では、最先端設備と独創的な実験手法を用いて、熱電変換材料とその関連化合 物の多様な物性を探索するとともに、新規ナノ複合材料の創製を行っています。

1.新しいエネルギー変換材料の開発と熱電変換の物理

　特殊な半導体（熱電材料）に温度差を付けると、半導体内部の伝導電子の速度分布が変化し、半導体の両端に電圧が発生します。これが熱電変換技術の基本と なる『ゼーベック効果』です。熱電材料の電気抵抗を低く抑えておけば、この効果により大きな電力を得ることが出来ます。これが、次世代の廃熱利用技術とし て期待されている『熱電発電』の原理です。一方、同じ熱電材料に直流電流を流すと、ペルチェ効果により両端に温度差が発生します。これを『熱電冷却（電子 冷却）』と呼び、既にフロンを使わない冷蔵庫や光通信用レーザーダイオードの温度安定化など、幅広い分野で実用化されています。
　 私たちの研究室では、今まで層状物質を用いた新しい熱電変換材料の開発や、熱電現象の基礎となるエネルギー変換メカニズムに関する研究を行ってきました。 一例として、層状物質の一つ二硫化タンタル（TaS2）の熱電物性を詳細に研究し、伝導電子のクーロン反発すなわち電子相関によって熱電性能が増強される ことを実験的に初めて証明しました。
　 現在、この関連材料の研究を発展させるとともに、ビスマスベースの低温熱電材料の創製や、ナノスペースにおける電気⇔熱エネルギー変換のメカニズムを実験 的に解明するためのポイントコンタクト装置の構築を行っています。この装置には、JAISTで培われた独創的な測定手法の数々が応用されています。

熱電変換技術の基本となるゼーベック効果：熱電材料に温度差を付けると、伝導電子の速度分布が変化する。

軽元素のみを含む層状熱電変換材料：単結晶と測定用素子

伝導性酸化物中に分散された磁性ナノ粒子：強磁性ナノ粒子の表面に形成された酸化膜層を介した電子のトンネル伝導が観測される。

2.新規ナノ複合材料の創製と物性

　自然界には、層状（2次元）や針状（1次元）の構造を持ち面白い物性を示す『低次元化合物』が数多く存在します。私たちは、この物質群を『自然がつくるナノ構造』ととらえ、その電子物性の研究と新機能の探索を行っています。
　このような化合物の多くはそれだけでは磁性を持ちませんが、他の磁性材料と複合化させることで、興味深い磁気的・電気的性質を付与させることが出来ます。 我々は種々の技術を応用して新規複合磁性材料を作製し、その中の磁気モーメント間の強磁性・反強磁性相互作用およびナノ領域での電流磁気効果に関する研究を行っています。

ヘリコンスパッタ装置、試料作製用電気炉、Ｘ線回折計、透過型電子顕微鏡、SQUID磁束計、低エネルギーラマン散乱分光装置、熱電性能測定装置、電流磁気効果測定装置、液化ヘリウム

　生命現象の解明には、そこで働く生体分子の機能を理解することが必要です。生命現象の最も重要な担い手はタンパク質です。タンパク質が生物学的機能を持 つためは、分子が特有な高次構造を取ることが必須です。そのために、これまで様々な分析手法により、タンパク質の立体構造が盛んに解析されてきました。しかしながら、そうして得られた構造の情報はタンパク質の「静的な」情報です。実際には、タンパク質分子はその特有な構造を、「ダイナミックに」揺らがせる ことで、初めてその機能を発揮することができます。したがって、生体分子の動的構造、つまりダイナミクスの研究も非常に重要です。しかしこれまでのダイナミクス研究は全て、膨大な数の分子が同時に存在する試料を一度に測定する方法であったために、個々の分子構造の揺らいでいる情報は、圧倒的な他の分子の情 報によってかき消されてしまい、揺らいだ、稀有な構造を捉えることは困難でした。そこで近年、生体分子を一分子レベルで計測する技術が急速に発展してきました。それらは主に、蛍光色素によって分子を標識し、蛍光顕微鏡でその分子を観測するというものですが、この方法だと、分子の位置や配向は知ることができますが、分子の「内部の」運動に関してはわかりません。そこで1分子レベルで、分子の内部の運動に関する測定技術の開発が求められてきています。

　本研究では、原子間力顕微鏡技術を基礎として、生体分子、特にタンパク質を対象とし、遺伝子組み換え技術や化学修飾といった技術を用いることで、タンパク 質「1分子」を部位特異的に捕らえて引っ張り、かつその分子を人工的に揺らしてやり、これに対する分子の応答を「粘弾性」という形で計測する技術を開発しています。われわれのこれまでの研究により、1分子の粘弾性を用いることで、その分子構造が揺らいでいる情報を非常に細かく、定量的に記述できるということを発見しました。そして、タンパク質の内部構造の揺らぎは、その分子の機能に本当に必要な動きであるかどうか、そしてその動きは分子の形によってどう変わるのかを調べることで、生物学的機能の解明に役立つものと期待されます。さらには、内部運動の情報を利用して、捕らえられている分子の状態をリアルタイムに追跡しながら、分子に様々な構造を取らせる新しい1分子操作技術の開発を目指します。

高精度原子間力顕微鏡（AFM）Digital Instruments社Picoforce、Asylum社MFP-1D

　科学の発展と相まって深刻化する地球環境問題を克服することは、２１世紀に生きる研究者として最大の課題と考えています。この課題を克服することは、人 類の持続的な発展を約束出来るだけでなく、地球を住処とする他の動植物との共存を永続することに繋がります。以上の観点から、本研究室では環境に優しい材 料を最先端の科学技術を駆使して開発することを目的としています。特に、非常に高機能であるπ電子反応性分子種に注目しています。一方、これらの分子は環 境には猛毒となってしまうことがあります。そこで、π電子系分子をナノからマクロなレベルで階層的に構造制御することで、環境毒を環境保全の特効薬に変換 する技術を開発しています。

　植物や微生物から有用なπ電子系物質を産生し原料開発を行います。これらを化学変換し機能性高分子とすることで、液晶素材、有機電導体、光記録メディア などを非石油資源から作ることができます。また、ファイトとは“植物性”という意味の接頭語ですが、本研究室ではファイトモノマーとファイトポリマーを地 球環境問題の解決に向けて“戦う”有機材料源としても捉えています。

　ファイトモノマーは、石油化学では合成の難しい多官能性の複雑な構造の分子を豊富に含みます。ノーベル賞学者のフローリーは多官能性分子から高分岐型高 分子が形成される理論を示しています。高分岐鎖とは樹木のように多数の枝を持つ分子鎖構造であり、周りの環境変化を鋭敏に感知し材料に新機能を与える素晴らしい分子建築の概念です。天然分子の形から教わる新奇高分子ナノデザインは無限にあります。本研究室ではこれらを実際に合成し高機能グリーン材料を開発します。

　本研究室では高分岐型グリーン高分子の一つとして、光に応答して分子鎖のナノ構造が変化し、生分解性を示すようになる画期的な液晶性高性能樹脂の作成に 成功しています。つまり、家電や自動車の耐久型部品を廃棄する時、特殊波長の人工紫外線を照射すれば、生分解性が誘発され地球に優しい植物分子に戻る究極 の環境材料の概念が生まれました。

固液両用粘弾性測定装置、蛍光偏光顕微鏡、顕微観察用力学試験器、上下回転撹拌装置、画像解析アプリケーション、ダイヤモンドATR、透明電極用超音波はんだ付け装置、バイポーラ電源、ファンクションジェネレータ

　次世代を見据えた先進的な物質変換では、何をつくるかではなく、目的とする化合物をいかにスマートに作るかといった点が重要視されています。触媒は古く から物質変換（原子の組み換え）の根幹に関わる高機能性ナノ材料であり、新しい機能を賦与した触媒は旧来の物質変換プロセスを一新し、目的物質だけを高収 率で作るためのシンプルな物質変換ストラテジーを提供できます。
　 当研究室では、固体表面を原子レベルで見つめ、環境・エネルギー・健康問題の解決に貢献する物質変換を目指した精密な触媒設計法の開拓を通して、新しい機 能を備えた固体触媒“賢者の石”を創製することを目的にしています。化学をベースに研究を進めますが、物質の触媒作用を決定づける表面原子配列を観察する 物理系、新たな触媒を設計するために必要な生体の優れた機能を解明する生物系などの分野融合を通して、触媒科学が飛躍的に発展すると考えています。

　ターゲットとする物質変換は、未来型社会実現のために不可欠である資源・エネルギーの高度活用に関わる官能基変換です。例えば、地球上に無尽蔵にある酸 素や水を用いる炭化水素類の高選択的酸化反応などを研究対象とします。そのため、酸素・水の活性化能やC-H結合活性化能を示す触媒成分（活性点）を、そ れぞれの機能が最大限に発揮され、しかも協奏的に働くことのできる固体表面を創製します。ここでは、活性点の配列や界面ナノ構造をも制御する新たな触媒調 製法（nano-weaving）の開発が鍵となるため、本学ナノマテリアルテクノロジーセンターや大型放射光実験施設（SPring-8）での光と物質 の相互作用を利用する最先端の分析方法を駆使して触媒活性点の原子レベルでの構造・配列を明らかにします。
　 さらに、次世代の機能性触媒材料として注目されている金属ナノ粒子の生成過程を、時間分解X線吸収分光法にて追跡・解明し、ソフトケミストリーの手法に基 づき粒子径や形、表面酸化状態をも同時に制御するナノ粒子触媒の調製へと挑戦します。

　人類の持続可能な発展に貢献する触媒でのイノベーションケミストリーを社会に還元するため、産官学を問わない研究開発活動を行います。特に、新規触媒材料の実用化を大きな目標とします。また、触媒科学を中心とする新たな研究領域の創生を目指します。

透過型電子顕微鏡、X線回折装置、X線光電子分光装置、400MHz核磁気共鳴分析装置、紫外可視分光光度計、赤外分光光度計、ガスクロマトグラフ装置、液体クロマトグラフ装置、質量分析装置、X線吸収微細構造分析装置（大型放射光施設）など