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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
Page 2
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
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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
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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.
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George WhitesidesGeorge WhitesidesShuji NakamuraShuji Nakamura
Tobin MarksTobin Marks
Robert LangerRobert LangerRobert Langer
Sumio IijimaSumio Iijima
Technical and Scientific Research categoryTechnical and Scientific Research category
Page 6
バルザン賞 ナノサイエンス部門 2007
( Italy & Switzerland )
Page 7
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
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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
Page 11
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))))
Page 12
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℃℃℃℃
Page 14
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
Page 15
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
Page 16
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!
Page 17
カーボンナノチューブの模型をつくる
Page 18
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
Page 20
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
Page 21
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
Page 22
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
Page 23
観察には手段が必要!観察には手段が必要!
Page 24
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
Page 25
モルフォ蝶の秘密
(永田文男氏提供)
Page 26
人
の
毛
髪
モルフォ蝶の鱗粉 (走査型電子顕微鏡写真)
Page 27
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
Page 28
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
Page 29
« 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”
Page 30
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
?
Page 31
光、X線(波)の回折
レーザ光 中国刺繍
Page 32
A
B
+
=
0
0
0
+
----
C
Page 33
A
B’
C’
+
=
0
0
+
----
0
Page 34
0
0
+
----
0
A
B
+
=
0
0
0
+
----
C
波の干渉
強め合う
弱め合う
Page 35
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
Page 36
層線 : Helix pitch P(ヘリックス ピッチ P)
1/P
層線
P=3.4 nm
Page 37
3P/8
4番目の層線の欠落
0123
5Missing 4th Layer Line 4
-4
Page 38
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
Page 39
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
Page 40
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
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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
Page 43
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
Page 44
原子を見る夢原子を見る夢
(1970年代)(1970年代)
Page 45
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
Page 46
試料
レンズ
拡大像
顕微鏡の原理
Page 47
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
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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
?
Page 49
4Nb2O5・9WO3のHRTEM像とED図形
Page 50
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
Page 51
世界初の結晶の原子像 1971
Iijima, J. Appl. Phys.1971
“Ti 2Nb10O29 ”
Page 52
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)
Page 53
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
Page 54
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
Page 55
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
Page 56
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
Page 57
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
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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
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原子
分子
クラスター
固体
バルク材料からナノ材料
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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 ・・・・・・・・・
Page 61
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-
Page 62
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
Page 63
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
Page 64
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
Page 65
“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
Page 66
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!
Page 67
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
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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
Page 69
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!
Page 70
金属触媒によるフラーレン分子の成長 1
Page 71
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
Page 72
Chaunhong Jin, et al., PRL 2008
金属触媒によるフラーレン分子の成長 3
Page 73
炭素原子のハニカム構造(グラファイト)
Page 75
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
Page 76
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!