カーボンナノチューブの発見 -...

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








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 )

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

＋

ー

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））））


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

+ｸﾞﾗﾌｧｲﾄ）

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＋１２１２１２１２ｈ：ｈ：ｈ：ｈ：任意任意任意任意のののの整数整数整数整数

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）

人

の

毛

髪

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

特

定

波

長

特

定

波

長

特

定

波

長

特

定

波

長

のののの

光光光光

特

定

波

長

特

定

波

長

特

定

波

長

特

定

波

長

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

nλ

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

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１８９７ＪＪトムソン１８９７ＪＪ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

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

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ﾃﾞ゙゙゙ｨｽﾌｨｽﾌｨｽﾌｨｽﾌﾟ゚゚゚ﾚｲﾚｲﾚｲﾚｲ

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ﾌﾟ゚゚゚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


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

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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