【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
Post date: Jan 30, 2012 7:45:17 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。
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■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
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●Ph.D. 取得後のキャリアを成功させるには：企業編（前）
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●Ph.D. 取得後のキャリアを成功させるには：企業編（後）
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▲工学系の大学院事情
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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。
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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