ウィスカとも呼ばれる１次元ナノ材料である金属ナノワイヤは、人髪の千分の一程度の直径を有した小さな材料ですが、それゆえに面白い機能を持っています。例えば非常に強度が高い（小さいものは強くなる！）という特徴を有しており、有機物カーボンナノチューブが軌道エレベータの構成材料として期待されているように、金属ナノワイヤも新しい素材として注目されています（次世代光学・バイオデバイスなど多岐にわたる）。しかし金属ナノワイヤは身の回りにありふれて存在していないのが現状です。理由は単純につくるのが難しいためです*1。１次元ナノ材料のなかでもカーボンナノチューブのような有機物ナノ構造体や半導体ナノワイヤは数多く報告されていますが、純金属ナノワイヤは高い潜在性を有するにも関わらずつくるのが難しく、産業活用のボトルネックになっています。

これを克服する新しい試みが“原子拡散”を主役にした新しい純金属ナノワイヤ創製法で、当研究室では他に先駆けた試みを行っています。目に見えないナノスケールではどのように材料をつくるべきでしょうか？理想的には原子を積み上げていけばナノ材料になりますが、ナノスケールでは小さ過ぎて人の手を加えるのが難しいです。ここに「拡散」を使います。インクを水の中に垂らすとジワッと広がるのが「拡散」です。実は固体の中でも何らかの刺激を加えると原子が拡散するので、人の立ち入れないナノスケール領域における原子の操作方法としてこれを活用しています。原子を動かす刺激の根源は「力」であり、材料力学・熱力学・材料強度学・結晶学を統合的に利用して、新しいモノづくりを行います。

原子にどのような力が加わるのか、それによって原子がどう動くのか、その結果どのようにナノ材料ができあがるのか、これらを探究するテーマになります。当研究室では、静水圧応力場や電場（電流）、温度場を利用することによって、意図的に原子を輸送し、狙った箇所に原子を集約させ、金属ナノワイヤを筍を生やすように（ボトムアップに）成長させる技術を生み出しています。まだまだわからないことが多くあり、どんな元素でも、形状・組織をナノスケールでデザインできるように鋭意進行中です。

*1｜正確には、単結晶金属ナノワイヤはつくるのが難しい、ということになります。多結晶の金属ナノワイヤはテンプレート法と呼ばれる手法でつくることができます。また一方で、意図せぬSnウィスカ成長は古くから電子デバイスの故障要因として多く研究が行われてきましたが、それを防ぐ研究は多くされども、意図した場所に意図した形状で積極的に引き起こすのは至難の業です。原子がキレイに配列された単結晶Alナノワイヤのように、これから光・バイオデバイスなどへの応用が期待されている小さな材料のつくる技術（小さなモノづくり）を提供しています。

電流印加中、電子が原子に衝突して電子が原子を押し流すような作用はエレクトロマイグレーション（電流による原子拡散）と呼ばれ、電子パッケージにおける故障要因として古くから知られています。電流を流すだけで金属配線内の原子が動いてしまうのです。これによって、原子が枯渇すればボイドと呼ばれる穴が断線を招き、原子が集まればヒロックやウィスカ（ナノワイヤ）と呼ばれる塊が短絡を招きます。皆さんが持っているスマートフォンやPC内の半導体チップでは、このエレクトロマイグレーションを考慮した設計が既にされています。

しかし、この「電子」が主役となって「原子や結晶欠陥」を動かす作用は完ぺきに理解されているとは言い難いのが現状です。しかもTopic 1で触れたように原子拡散は金属ナノワイヤ創製のようなナノ材料づくりの手法として利用できますし、そもそも材料は原子や結晶欠陥で構成されるため、もしこの「電子」と「欠陥・原子」の相互作用（インタラクション）を理解して積極的に利用できれば、材料の機能をデザインするツールになる可能性があります。

当研究室では、木村がこれまで研究してきたエレクトロマイグレーションや、名古屋大学在籍時に出会った電流印加による金属組織制御技術を統合的に理解するために、電子がもたらす欠陥・原子への影響を調べることを目的に、その場TEM*3観察を実施しています。

以上の観察技術や電子による力学作用の学理は、大きな金属材料の新奇力学特性の創出だけでなく、1.のナノワイヤ研究にも役立つ基礎研究です。

最近では純金属だけでなく、Ge2Sb2Te5*4のような相変化材料もターゲットにしています。

*3｜TEMは透過型電子顕微鏡の略称。原子をみるのは光学顕微鏡では不可能なので、より小さいものを見るために電子顕微鏡（電子線を使った顕微鏡。電顕ともいう）を使用します。静的な観察を行うのが普通ですが、その場TEMでは試料に何らかの刺激を加えながら観察を実施します（しかし難しい）。当研究室では電場や温度を加えながら金属組織の変化をリアルタイムで観察する技術と経験があります。

*4｜GSTとも呼ばれるカルコゲナイド合金。刺激を加えると結晶⇄アモルファスを可逆的に行き来する特殊な材料で、結晶とアモルファスにおいてそれぞれ電気抵抗率が極端に異なることを利用した新たなメモリ、反射率が異なることを利用した光デバイスへの応用が期待されています。