カーボンナノチューブの発見 -...

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第第第第4444回回回回「「「「創造性創造性創造性創造性のののの育成塾育成塾育成塾育成塾」」」」夏合宿夏合宿夏合宿夏合宿

人材開発人材開発人材開発人材開発センターセンターセンターセンター 富士研究所富士研究所富士研究所富士研究所 富士吉田市富士吉田市富士吉田市富士吉田市 2002002002009999‐‐‐‐8888‐‐‐‐4444~~~~8888

第第第第4444回回回回「「「「創造性創造性創造性創造性のののの育成塾育成塾育成塾育成塾」」」」夏合宿夏合宿夏合宿夏合宿

人材開発人材開発人材開発人材開発センターセンターセンターセンター 富士研究所富士研究所富士研究所富士研究所 富士吉田市富士吉田市富士吉田市富士吉田市 2002002002009999‐‐‐‐8888‐‐‐‐4444~~~~8888

カーボンナノチューブの発見カーボンナノチューブの発見

飯 島 澄 男

名古屋大学特別招聘教授

名城大学・大学院理工学研究科教授

産総研・ナノチューブ応用研究センター・センター長

NEC 特別主席研究員

飯 島 澄 男

名古屋大学特別招聘教授

名城大学・大学院理工学研究科教授

産総研・ナノチューブ応用研究センター・センター長

NEC 特別主席研究員

1 科学者になったらしい

2 カーボンナノチューブ?

3 科学は観察から始まる

4 電子顕微鏡で原子を見たい!!

5 どうしてカーボンナノチューブを見つけたの?

6 ナノサイエンスとナノテクノロジー

7 電子顕微鏡で炭素原子の“くさり“をみる

1 科学者になったらしい

2 カーボンナノチューブ?

3 科学は観察から始まる

4 電子顕微鏡で原子を見たい!!

5 どうしてカーボンナノチューブを見つけたの?

6 ナノサイエンスとナノテクノロジー

7 電子顕微鏡で炭素原子の“くさり“をみる

話のポイント話のポイント

第第11回回kavli kavli 賞賞 ノルウェー科学人文アカデミーノルウェー科学人文アカデミー

His Royal Highness Crown Prince HaakonHis Royal Highness Crown Prince Haakon 2008 Sept. 9 2008 Sept. 9

アストゥリアス皇太子賞 2008 スペインアストゥリアス皇太子賞アストゥリアス皇太子賞 20082008 スペインスペイン

OVIEDO, SPAIN - OCTOBER 24: Crown Prince Felipe and Princess Letizia of Spain (C) receive guests at the Prince of Asturias Awards at the Reconquista Hotel on October 24, 2008 in Oviedo, Spain.

George WhitesidesGeorge WhitesidesShuji NakamuraShuji Nakamura

Tobin MarksTobin Marks

Robert LangerRobert LangerRobert Langer

Sumio IijimaSumio Iijima

Technical and Scientific Research categoryTechnical and Scientific Research category

バルザン賞 ナノサイエンス部門 2007

( Italy & Switzerland )

1 科学者になったらしい

2 カーボンナノチューブ?

3 科学は観察から始まる

4 電子顕微鏡で原子を見たい!!

5 どうしてカーボンナノチューブを見つけたの?

6 ナノサイエンスとナノテクノロジー

7 電子顕微鏡で炭素原子の“くさり“をみる

1 科学者になったらしい

2 カーボンナノチューブ?

3 科学は観察から始まる

4 電子顕微鏡で原子を見たい!!

5 どうしてカーボンナノチューブを見つけたの?

6 ナノサイエンスとナノテクノロジー

7 電子顕微鏡で炭素原子の“くさり“をみる

話のポイント話のポイント

カーボンナノチューブの発見

蛍光塗料蛍光塗料蛍光塗料蛍光塗料

ガラスガラスガラスガラス管管管管

グリッドグリッドグリッドグリッド

電流電流電流電流がががが流流流流

れるれるれるれる

カーボン・ナノ・チューブ・ ランプ

カーボンナノチューブカーボンナノチューブカーボンナノチューブカーボンナノチューブ

電子

可視光可視光可視光可視光

元素の周期表

新しい炭素材料

グラフェングラフェングラフェングラフェン

CCCC60606060

((((フラーレンフラーレンフラーレンフラーレン))))

カーボンナノチューブカーボンナノチューブカーボンナノチューブカーボンナノチューブ

ナノホーンナノホーンナノホーンナノホーン

メソポアメソポアメソポアメソポア・・・・カーボンカーボンカーボンカーボン

炭炭炭炭((((活性炭活性炭活性炭活性炭 アモルファスアモルファスアモルファスアモルファス))))

ダイヤモンドダイヤモンドダイヤモンドダイヤモンド

グラファイトグラファイトグラファイトグラファイト((((黒鉛黒鉛黒鉛黒鉛))))

炭素繊維炭素繊維炭素繊維炭素繊維

((((“ナノナノナノナノ”ダイヤモンドダイヤモンドダイヤモンドダイヤモンド))))

非晶質炭素(アモルファス

+グラファイト)

備長炭高知産高知産高知産高知産 馬目樫馬目樫馬目樫馬目樫 1200120012001200℃℃℃℃

グラファイトの結晶構造

多層カーボンナノチューブの発見 1991多層カーボンナノチューブの発見 1991

“Helical micro-tubules of graphitic carbon”, Iijima, Nature 1991

0.34nm0.34nm

Iijima et al. Nature 1993

2mm

単層カーボンナノチューブの発見単層カーボンナノチューブの発見

0.21nm0.21nm

C-C bond (0.14nm) resolution

SWNT (18, 0)

Suenaga, et al. Nature Nanotech. 2007by

S. Ma

ruyam

a電子顕微鏡で炭素原子が見える!

カーボンナノチューブの模型をつくる

フラーレンからカーボンナノチューブへ

フラーレンフラーレンフラーレンフラーレン(C(C(C(C60606060))))

単層単層単層単層カーボンナノチューブカーボンナノチューブカーボンナノチューブカーボンナノチューブ

グラフェングラフェングラフェングラフェン

0000次元次元次元次元

2222次元次元次元次元

1111次元次元次元次元

3333次元次元次元次元

グラファイトグラファイトグラファイトグラファイト

C60の発見者:::: クロトクロトクロトクロト---- スモーリースモーリースモーリースモーリー 1985198519851985

1993.6撮影 サンタバーバラで

オイラーの多面体の法則

F: 多面体の数

V:頂点の数

E:辺の数

F+V=E+2

例例例例:::: p:p:p:p: 5555角形角形角形角形のののの数数数数 F=p+h+sF=p+h+sF=p+h+sF=p+h+s

h:h:h:h: 6666角形角形角形角形のののの数数数数 V=V=V=V=5555pppp/3333++++6666hhhh/3333++++7777ssss/3333s:s:s:s: 7777角形角形角形角形のののの数数数数 E=E=E=E=5555pppp/2222++++6666hhhh/2222++++7777ssss/2222

p=s+p=s+p=s+p=s+12121212 h:h:h:h:任意任意任意任意のののの整数整数整数整数

1 科学者になったらしい

2 カーボンナノチューブ?

3 科学は観察から始まる

4 電子顕微鏡で原子を見たい!!

5 どうしてカーボンナノチューブを見つけたの?

6 ナノサイエンスとナノテクノロジー

7 電子顕微鏡で炭素原子の“くさり“をみる

1 科学者になったらしい

2 カーボンナノチューブ?

3 科学は観察から始まる

4 電子顕微鏡で原子を見たい!!

5 どうしてカーボンナノチューブを見つけたの?

6 ナノサイエンスとナノテクノロジー

7 電子顕微鏡で炭素原子の“くさり“をみる

話のポイント話のポイント

観察には手段が必要!観察には手段が必要!

みる媒体(手段)みる媒体(手段)

“光” で蝶の鱗粉、星、‐‐‐をみる“光” で蝶の鱗粉、星、‐‐‐をみる

“X線” でDNA、宇宙 ‐‐‐をみる“X線” でDNA、宇宙 ‐‐‐をみる

“電子線” でナノチューブ‐‐をみる“電子線” でナノチューブ‐‐をみる

“‐‐‐‐‐‐”で ‐‐‐‐ をみる“‐‐‐‐‐‐”で ‐‐‐‐ をみる

モルフォ蝶の秘密

(永田文男氏提供)

モルフォ蝶の鱗粉 (走査型電子顕微鏡写真)

鱗粉の断面を調べる鱗粉の断面を調べる

のののの

光光光光

のののの

光光光光

1 μm1 μm

DNAの構造解明(X線構造解析)

(ウィキペディアより)

(Lucas Namur大)

ワトソンとクリック

1953

« Her photographs are among the most beautiful X-ray photographs of any substance ever taken. »J.D. Bernal

“X線でDNAの構造を調べる“X線でDNAの構造を調べる

“ロゼッタストーン“

Maurice Wilkins (1916~200ロザリンドロザリンドロザリンドロザリンド フランクリンフランクリンフランクリンフランクリン (1920~1958)“1952”

X線による干渉実験

マックス ホン ラウエ(MAX von LA U E)

“Concerning the detection of X-ray interferences”

ノーベル賞受賞講演より ( November 12, 1915)

硫酸銅からのX線回折図形

入射入射入射入射XXXX線線線線

結晶結晶結晶結晶

結晶取結晶取結晶取結晶取りりりり

付付付付けけけけ棒棒棒棒

回折回折回折回折XXXX線線線線

光、X線(波)の回折

レーザ光 中国刺繍

A

B

+

=

0

0

0

+

----

C

A

B’

C’

+

=

0

0

+

----

0

0

0

+

----

0

A

B

+

=

0

0

0

+

----

C

波の干渉

強め合う

弱め合う

The instant I saw the picture, my mouth fell open and my pulse began to raceJ. Watson, from « The Double Helix »

DNAのX線回折図形の撮影に成功

層線 : Helix pitch P(ヘリックス ピッチ P)

1/P

層線

P=3.4 nm

3P/8

4番目の層線の欠落

0123

5Missing 4th Layer Line 4

-4

回折格子回折格子回折格子回折格子によるによるによるによるシミレーションシミレーションシミレーションシミレーション 1111

回折格子回折格子回折格子回折格子によるによるによるによるシミレーションシミレーションシミレーションシミレーション 2222

nth layer line

3nλ/8 = 3λ/2, for n = 4

0

P

A

A

3P/8

11P/8

B

B

n番目の層線の強度

1 科学者になったらしい

2 カーボンナノチューブ?

3 科学は観察から始まる

4 電子顕微鏡で原子を見たい!!

5 どうしてカーボンナノチューブを見つけたの?

6 ナノサイエンスとナノテクノロジー

7 電子顕微鏡で炭素原子の“くさり“をみる

1 科学者になったらしい

2 カーボンナノチューブ?

3 科学は観察から始まる

4 電子顕微鏡で原子を見たい!!

5 どうしてカーボンナノチューブを見つけたの?

6 ナノサイエンスとナノテクノロジー

7 電子顕微鏡で炭素原子の“くさり“をみる

話のポイント話のポイント

電磁波(光、電波)

電子波

光学顕微鏡光学顕微鏡 1660 フック1660 フック

単レンズ光学顕微鏡単レンズ光学顕微鏡 1683 リューバンフック1683 リューバンフック

1924 ドブロイ1924 ドブロイ電子の波動説電子の波動説

高分解能電子顕微鏡高分解能電子顕微鏡 1971 飯島1971 飯島

トンネル顕微鏡トンネル顕微鏡 1982 ローラ等1982 ローラ等

顕微鏡の発達顕微鏡の発達

電子顕微鏡の発明電子顕微鏡の発明 1932 ルスカ1932 ルスカ

分解能の理論予測分解能の理論予測 1949 シェルツァー1949 シェルツァー

電子の発見電子の発見 1897 JJトムソン1897 JJトムソン

X線の発見X線の発見 1895 レントゲン1895 レントゲン

原子を見る夢原子を見る夢

(1970年代)(1970年代)

電子顕微鏡と光学顕微鏡

接眼接眼接眼接眼レンズレンズレンズレンズ

ステージステージステージステージ

試料試料試料試料

ランプランプランプランプ

焦点焦点焦点焦点つまみつまみつまみつまみ

微調整微調整微調整微調整

つまみつまみつまみつまみ

対物対物対物対物レンズレンズレンズレンズ

光波光波光波光波

電子銃電子銃電子銃電子銃

対物対物対物対物レンズレンズレンズレンズ試料試料試料試料

接眼接眼接眼接眼レンズレンズレンズレンズ

蛍光板蛍光板蛍光板蛍光板観察窓観察窓観察窓観察窓

収束収束収束収束レンズレンズレンズレンズ

カメラカメラカメラカメラ室室室室

テレビカメラテレビカメラテレビカメラテレビカメラ

電子波電子波電子波電子波

試料

レンズ

拡大像

顕微鏡の原理

薄いレンズの光路図

diagram for lens

Q(u) = F [ q(x) ]

ImageObject

q(x) Q(u)

e-

Back focal plane

Objective lens

(x)ψ(x)ψ = F [ Q(u) ]

F : Fourier transformation

X線による干渉実験

マックス ホン ラウエ(MAX von LA U E)

“Concerning the detection of X-ray interferences”

ノーベル賞受賞講演より ( November 12, 1915)

硫酸銅からのX線回折図形

入射入射入射入射XXXX線線線線

結晶結晶結晶結晶

結晶取結晶取結晶取結晶取りりりり

付付付付けけけけ棒棒棒棒

回折回折回折回折XXXX線線線線

4Nb2O5・9WO3のHRTEM像とED図形

Menter1.2nm

Bassett & Menter

Dowell

KomodaHibi & Yada

KomodaRhule

Allpress

0. 2

IijimaHoriuchi Uyeda

0. 4

0. 6

0. 8

1. 0

1. 2

1960 1970 1980 1990

Au 0.235

Au 0.102 Ni 0.085 Au 0.07

0 .69

0.32

0.6

1.1

0.7Uyeda

0.38

0.250.20 0.10

2000

Line resolution Point resolution

Tonomura0.04

Res. (

Nm)

Cs corrector

電子顕微鏡の分解能の発達

世界初の結晶の原子像 1971

Iijima, J. Appl. Phys.1971

“Ti 2Nb10O29 ”

Mel

tig p

oint

Diameter10 20 300

(nm)

((((1064℃℃℃℃))))

Iijima, et al. PRL, 1986

生きている金微粒子(不安定構造)

電子顕微鏡で電子顕微鏡で

カーボンナノチューブをカーボンナノチューブを

発見する発見する

1 科学者になったらしい

2 カーボンナノチューブ?

3 科学は観察から始まる

4 電子顕微鏡で原子を見たい!!

5 どうしてカーボンナノチューブを見つけたの?

6 ナノサイエンスとナノテクノロジー

7 電子顕微鏡で炭素原子の“くさり“をみる

1 科学者になったらしい

2 カーボンナノチューブ?

3 科学は観察から始まる

4 電子顕微鏡で原子を見たい!!

5 どうしてカーボンナノチューブを見つけたの?

6 ナノサイエンスとナノテクノロジー

7 電子顕微鏡で炭素原子の“くさり“をみる

話のポイント話のポイント

FQFQ How?How?

偶然偶然

(セレンディピティー)(セレンディピティー)

必然必然

ダイナマイトダイナマイトダイナマイトダイナマイト

X線線線線放射線放射線放射線放射線

酒石酸酒石酸酒石酸酒石酸

ペニシリンペニシリンペニシリンペニシリン

ビッグバンビッグバンビッグバンビッグバン

テフロンテフロンテフロンテフロン

高温超伝導酸化物高温超伝導酸化物高温超伝導酸化物高温超伝導酸化物

フラーレンフラーレンフラーレンフラーレン

伝導性伝導性伝導性伝導性ポリマーポリマーポリマーポリマー

蛋白分子蛋白分子蛋白分子蛋白分子のののの質量分析法質量分析法質量分析法質量分析法

ニュートリノニュートリノニュートリノニュートリノのののの発見発見発見発見

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・

ダイナマイトダイナマイトダイナマイトダイナマイト

X線線線線放射線放射線放射線放射線

酒石酸酒石酸酒石酸酒石酸

ペニシリンペニシリンペニシリンペニシリン

ビッグバンビッグバンビッグバンビッグバン

テフロンテフロンテフロンテフロン

高温超伝導酸化物高温超伝導酸化物高温超伝導酸化物高温超伝導酸化物

フラーレンフラーレンフラーレンフラーレン

伝導性伝導性伝導性伝導性ポリマーポリマーポリマーポリマー

蛋白分子蛋白分子蛋白分子蛋白分子のののの質量分析法質量分析法質量分析法質量分析法

ニュートリノニュートリノニュートリノニュートリノのののの発見発見発見発見

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・

偶然はよく準備した人に微笑む

((((パスツールパスツールパスツールパスツール))))

偶然はよく準備した人に微笑む

((((パスツールパスツールパスツールパスツール))))

*「セレンディピティー」

ロバーツ著 安藤訳 科学同人

発見発見発見発見

観察観察観察観察

洞察力洞察力洞察力洞察力、、、、目利目利目利目利きききき、、、、判断力判断力判断力判断力

機会機会機会機会

時代背景時代背景時代背景時代背景、、、、運運運運

知識知識知識知識

学習学習学習学習、、、、文献文献文献文献、、、、体験体験体験体験

好奇心好奇心好奇心好奇心

感性感性感性感性、、、、創造性創造性創造性創造性、、、、挑戦挑戦挑戦挑戦

訓練訓練訓練訓練、、、、根気根気根気根気、、、、器用器用器用器用ささささ

観測手段観測手段観測手段観測手段

1 科学者になったらしい

2 カーボンナノチューブ?

3 科学は観察から始まる

4 電子顕微鏡で原子を見たい!!

5 どうしてカーボンナノチューブを見つけたの?

6 ナノサイエンスとナノテクノロジー

7 電子顕微鏡で炭素原子の“くさり“をみる

1 科学者になったらしい

2 カーボンナノチューブ?

3 科学は観察から始まる

4 電子顕微鏡で原子を見たい!!

5 どうしてカーボンナノチューブを見つけたの?

6 ナノサイエンスとナノテクノロジー

7 電子顕微鏡で炭素原子の“くさり“をみる

話のポイント話のポイント

原子

分子

クラスター

固体

バルク材料からナノ材料

カーボンナノチューブのふしぎカーボンナノチューブのふしぎ

自然界には存在しない ー 異端児

ナノメートルの大きさ ー クラスター

新しい物質概念 ー 円筒状

新しい機能 ー 半導体

その他 ー ・・・・・・・・・

自然界には存在しない ー 異端児

ナノメートルの大きさ ー クラスター

新しい物質概念 ー 円筒状

新しい機能 ー 半導体

その他 ー ・・・・・・・・・

通常通常通常通常ワイヤーワイヤーワイヤーワイヤー

ナノナノナノナノ・・・・ワイヤーワイヤーワイヤーワイヤー

導線中の電子の流れ

e-

e-

e-

量子細線の実験 Roukes et al. 1987量子細線の実験 Roukes et al. 1987

Al 75nmAl 75nm

オームオームオームオームのののの法則法則法則法則::::

IIII ==== V/RV/RV/RV/R

オームオームオームオームのののの法則法則法則法則::::

IIII ==== V/RV/RV/RV/R

1998 デッカー (デルフト大) 及び

リーバー (ハーバード大)

量子細線電子デバイス量子細線電子デバイス

2001年サイエンス誌が選ぶトップ10に

ナノスケール計算機回路が選ばれた

半導体・単層CNT薄膜トランジスター

Kazaoui et al. APL (2008)

Drain

Source

Oriented SWCNTs across drain and source electrodes by electrophoresis

“There is plenty of room

at the bottom”

リチャード・ファイマン

ナノテクノロジーの原点

1959195919591959年米国物理学会年米国物理学会年米国物理学会年米国物理学会のののの講演講演講演講演からからからから

カリフォルニアカリフォルニアカリフォルニアカリフォルニア工科大学工科大学工科大学工科大学

ナノ材料は単に小さいだけではないナノ材料は単に小さいだけではない

新しい科学がある!新しい科学がある!

これを積極的に利用するこれを積極的に利用する

ナノ・サイエンスナノ・サイエンス

ナノテクノロジーナノテクノロジー

代表例がカーボンナノチューブだ!代表例がカーボンナノチューブだ!

カーボンナノチューブの産業応用

電子放出源電子放出源電子放出源電子放出源 半導体半導体半導体半導体((((金属金属金属金属))))

電気伝導体電気伝導体電気伝導体電気伝導体

極細針極細針極細針極細針

比表面積比表面積比表面積比表面積

軽軽軽軽いいいい

熱伝導体熱伝導体熱伝導体熱伝導体

平面平面平面平面テテテデ゙゙゙ィスフィスフィスフィスプ゚゚゚レイレイレイレイ

ガスガスガスガス吸蔵吸蔵吸蔵吸蔵、、、、

薬剤搬送体薬剤搬送体薬剤搬送体薬剤搬送体((((DDSDDSDDSDDS))))

スーパーキャパシタスーパーキャパシタスーパーキャパシタスーパーキャパシタ

コンポジットコンポジットコンポジットコンポジット材料材料材料材料

AFMAFMAFMAFM、、、、STMSTMSTMSTM

フレッキシブルフレッキシブルフレッキシブルフレッキシブル

FETFETFETFETトランジスタトランジスタトランジスタトランジスタ

導電性導電性導電性導電性フフフプ゚゚゚ラスチックラスチックラスチックラスチック

LSILSILSILSI垂直配線垂直配線垂直配線垂直配線

カーボンナノチューブカーボンナノチューブカーボンナノチューブカーボンナノチューブ

放熱材料放熱材料放熱材料放熱材料

機械的強度機械的強度機械的強度機械的強度

1 科学者になったらしい

2 カーボンナノチューブ?

3 科学は観察から始まる

4 電子顕微鏡で原子を見たい!!

5 どうしてカーボンナノチューブを見つけたの?

6 ナノサイエンスとナノテクノロジー

7 電子顕微鏡で炭素原子の“くさり“をみる

1 科学者になったらしい

2 カーボンナノチューブ?

3 科学は観察から始まる

4 電子顕微鏡で原子を見たい!!

5 どうしてカーボンナノチューブを見つけたの?

6 ナノサイエンスとナノテクノロジー

7 電子顕微鏡で炭素原子の“くさり“をみる

話のポイント話のポイント

0.21nm0.21nm

C-C bond (0.14nm) resolution

SWNT (18, 0)

Suenaga, et al. Nature Nanotech. 2007by

S. M

aruy

ama

電子顕微鏡で炭素原子が見える!

金属触媒によるフラーレン分子の成長 1

金属原子金属原子金属原子金属原子

金属触媒によるフラーレン分子の成長 2

Chaunhong Jin, et al., PRL 2008

金属触媒によるフラーレン分子の成長 3

炭素原子のハニカム構造(グラファイト)

炭素原子鎖の実現

知識より創造力だ

(Imagination is more important than knowledge)

アルバート・ アインシュタイン

1879-1955

知識より創造力だ

(Imagination is more important than knowledge)

アルバート・ アインシュタイン

1879-1955

なんにでも果敢に挑戦!

あなたも研究者になれる!

なんにでも果敢に挑戦!

あなたも研究者になれる!

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