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形が変わるフラーレン
あらゆる形のナノテク部品を自由自在に作り出す！
平成１７年１１月２１日 独立行政法人物質・材料研究機構 概 要 １．独立行政法人物質・材料研究機構（理事長：岸 輝雄）物質研究所（所長：室町 英 治）超分子グループの中西 尚志研究員および有賀 克彦ディレクターらは、炭素系ナ ノ材料であるフラーレン１）を用いて数十ナノメートルからミクロンサイズの多様な形の ナノ素材（球状、ファイバー状、ディスク状、コーン状）を自由自在に作製できる技術 を発見した。 ２．フラーレンは、カーボンナノチューブなどと共に電子材料から医療材料まで様々な応 用が期待されており、リソグラフィー法２）、自己組織化法３）という微細加工の手法を用 いて自由な形を作成することが研究されているが、小さな構造が作成できない、特定の フラーレンを個別に合成しなければならない、といった問題を抱えていた。 ３．今回開発した手法では、ある１つのフラーレンを用いて簡単な方法で様々な形の素材 を自由自在に作る画期的な手法であり、その結果として「球状（カプセル）」「ワイヤー 状（電線）」「ディスク状（コンデンサー）」「コーン状（電極）」といった特殊な形状を、 溶媒を変えるだけで得ることが可能となった。 また、本開発手法により得られた構造は、それぞれフラーレン（球状、０次元）、カー ボンナノチューブ（ファイバー、１次元）、高配向グラファイト４）（シート状、２次元）、 カーボンナノホーン５）（コーン状、３次元）に対応しており、同一フラーレン分子から 次元を完全にコントロールして、多様な構造を作り出せるところに本手法の新規性・重 要性があると言える。 ４．フラーレンは電気を通す性質を持っているため、本手法により作成したナノ素材は十 億分の一メートル規模の電子回路部品、触媒の担体、燃料電池の電極などに用いること が可能である。 また、本手法は非常にシンプルなため、有機合成を専門としていない様々な分野の研 究者も活用できる可能性があり、波及効果としてフラーレンを用いた実用素材の研究が 進むことが期待される。2 研究の背景 フラーレンはカーボンナノチューブなどと共に、ナノテクノロジーにおける電子部品に 用いられることが期待されている。例えば、ワイヤーのようなフラーレンの集合体を作れ ば非常に小さい電線になり、円盤状の構造を作ればごく微小サイズのコンデンサーになる。 球状に集まれば、薬物を運ぶカプセルに使用できる可能性がある。ただし、加工技術が完 全に確立されていないために、これらのアイデアの実用への道のりは遠い。 一般に、物体の微細加工では、リソグラフィーなどによって大きいものをだんだんに小 さく削っていく方法が主流であるが、その方法だと削っていく道具の大きさよりも小さな 構造を作ることはできない。近年、注目されているのは、分子や原子といった物質の単位 となるものを自発的に集めて小さな構造を作っていく自己組織化法という方法である。フ ラーレンについても、そのような自己組織化法によって、ナノメートルサイズの小さな構 造を作っていくことが望まれており、いくつかの研究が行われている。しかしながら、そ れらの方法は一般性がなく、ある特定の形を作るためにはある特定のフラーレンを個別に 合成して使う必要があった。そのために、それらの結果は広く多くの人に用いられるもの とはならなかった。この問題を解決するためには、ある一つのフラーレンを用いて、なる べく簡単な方法で、いろいろな形の素材を自由自在に作ることが求められている。 研究成果の内容 超分子グループの中西研究員らは、このような問題を解決するために、フラーレンにア ルキル鎖６）という構造を三本はやした分子を新たに合成した。この二つの部分を構成して いる炭素原子は、その性質が異なっている。フラーレンの部分は sp2 軌道７）からなり、余 っている電子が自由に動いている。一方、アルキル鎖部分の炭素は sp3軌道７）からなり、 そのような電子がない。そのために、フラーレン部分が集まる力とアルキル鎖部分が集ま る力が、異なるのである。このような集合力のバランスは、周りの溶媒の極性や温度など によって変わってくる。その結果として、いろいろな条件でいろいろな集まり方の物体が 得られるのである。 いくつか具体的な例を紹介する。本研究で合成したフラーレン化合物をいろいろな溶媒 に溶かして、そのときにできる物体の形を電子顕微鏡や原子間力顕微鏡で観察した。溶媒 としてジオキサン８）を使うと、厚みがわずか 4.3 ナノメートルの円盤状の物体（ディスク） が得られた。これは、フラーレンが上を向きアルキル鎖が下を向いたような形で分子が並 んで分子の円盤を作り、それが二枚張合わさったような構造をしていることがわかった。 溶媒をアルコールの一種の 1-プロパノール９）に変えると、円盤が細長く伸びテープ状の構 造を作り、それが丸まってファーバーやチューブのような構造を作ることが観察された。 その他、2-プロパノール９）にトルエン溶媒を加えると、円盤が丸まって球状のカプセルに なった。この溶媒中ではフラーレン部分の間の集合力が弱まり、円盤がひずんで極率を持 ち最終的に球として丸まったものと考えられる。さらに、テトラヒドロフラン１０）と水を混 ぜたものを使うと、貝殻のような構造（コーン構造）ができてくることがわかった。これ らの結果からわかるように、これまでの報告例とは全く異なり、本手法では数十ナノメー
トルからミクロンサイズのいろいろな形のフラーレンでできたナノ素材（球状、ファイバ ー状、ディスク状、コーン状）が自由自在に、しかも非常に簡単で低価格に作製できるの である。これらの構造は、それぞれフラーレン（球状、0 次元）、カーボンナノチューブ（フ ァイバー、1 次元）、高配向グラファイト（シート状、2 次元）、カーボンナノホーン（コー ン状、3 次元）に対応しており、同一フラーレン分子から次元を完全にコントロールして、 多様な構造を作り出せるところに本手法の新規性・重要性がある。 波及効果と今後の展開 フラーレンは、電気を通す性質を持っているため、得られたナノ素材は十億分の一メー トル規模の電子回路の部品（配線やコンデンサ）、触媒の担体、燃料電池の電極など、多方 面に応用されることが期待できる。例えば、ファイバー状の構造は電子配線に、ディスク はコンデンサーに用いることができる。球状の構造は、薬物の運搬体に用いることができ る。がん細胞などの一部にはフラーレンがはまり込むような隙間があるともいわれており、 そのような病的部分に選択的に吸い付く薬物運搬カプセルとして使える可能性がある。コ ーン状構造は、その表面積の大きさを利用して触媒の担体や燃料電池の電極としての応用 が期待できる。 波及効果として特に注目しなければならないのは、この手法は非常にシンプルであるの で、いろいろな分野の研究に広く適用される可能性があるということである。例えば、有 機合成を専門としない研究者も、あらたに化合物を合成することなしにこの手法を用いて 自分の目的に合ったフラーレンの構造体をつくることができる。一方で、いろいろなフラ ーレン化合物を作ることのできる研究者は、この発想を自分のフラーレン分子に応用して、 もっと有用な構造体を作ることができるようになり、その結果、フラーレンを用いた実用 素材の研究が一気に進むことが期待できる。
4 問い合わせ先： 〒305-0047 茨城県つくば市千現１−２−１ 独立行政法人物質・材料研究機構 広報室 TEL:029-859-2026 研究内容に関すること： 独立行政法人物質・材料研究機構 物質研究所 超分子グループ 中西 尚志 ＴＥＬ：029-860-4740 E-mail：[email protected] 物質研究所 超分子グループ 有賀 克彦 ＴＥＬ：029-860-4597 E-mail：[email protected]
【用語解説】 １）フラーレン： 主に炭素が６０個集まってできた球状化合物。特殊な電気的特性を持つ。フラーレン の発見にはノーベル賞が授けられた。 ２）リソグラフィー法 切ったり削ったりして細かい構造を作製してゆく方法 ３）自己組織化法 分子などが自らの性質で自然に集まっていく様子を利用した構造作製法 ４）高配向グラファイト 炭素でできた原子レベルの極めて平滑な表面をもつ物質。ナノ構造などを評価するた めの基板としてよく用いられる。 ５）カーボンナノホーン 炭素でできているナノ構造体でフラーレン（球状）やカーボンナノチューブ（線状、 チューブ状）と異なり、尖った角のような構造をしている。 ６）アルキル鎖： 炭素と水素でできた鎖のように伸びた構造。細胞膜を作っている脂質分子の一部分で もある。 ７）sp2軌道、sp3軌道 炭素のつながり方を示すもので、sp2軌道の方が電子密度が高い構造を持っている。sp2 軌道でできた炭素の代表例がグラファイトで、sp3軌道でできた炭素の代表例はダイアモ ンドである。 ８）ジオキサン 溶媒の一種で六角形をしており、その頂点には四つの炭素と二つの酸素が付いている。 ９）1-プロパノール、2-プロパノール アルコール類の溶媒で、お酒に含まれるエチルアルコールよりも分子あたり炭素が一 つ多い。 １０）テトラヒドロフラン 五角形をした形の溶媒分子で、その頂点は四つの炭素と一つの酸素からなっている。
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図 本研究に使用したフラーレン化合物．
図 得られたナノ素材．上段左から球状、ファイバー状、下段左からディスク状、コ ーン状．全て一種類のフラーレンからできている．
