走査型トンネル顕微鏡で表面形状を計測できるのは、導電性を持つ物質だけでした。

しかし導電性のない物質でも、原子間力と呼ばれる原子相互の作用力を利用して、やはり探針をなぞりながら走査させることで表面形状を計測することができます。

これが原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）です。

このやり方には、大きく分けて、探針（カンチレバー）を表面に接触させた場合の原子間斥力を利用する方法と、接触させずに原子間引力を利用する方法とがあります。

前者はカンチレバーの動きをレーザーなどで読み取るもので、分解能は高いのですが、接触するので肝心の被観測物体を破壊してしまう危険があります。

後者は、探針の固有振動数が原子間引力の影響で変化するという性質を用います。

振り子は長さにより一定の振動数を持ちますが、そこで重力の強さ自体が変わる（例えば上昇を始めたエレベータの中に乗せる）ことによりその振動数が変化するのと、ある意味で似た理屈です。

さらに変形による電気抵抗変化で計測することも可能です。

米ＩＢＭは、ＡＦＭの探針に音叉型水晶振動子をとりつけ、コバルト原子に探針を近づけることでその固有振動数が変化することを利用して、コバルト原子を結晶体上で移動するエネルギーを、17ｐＮなどと計測しました。

これにより２nm四方くらいの領域を磁区とするハードディスクが可能となるかもしれません。

図６で触れたように、カンチレバーにはＣＮＴも使われます。

走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）は、金属や半導体など導電性を持つ物質の表面形状を、１nm程度の精度で検出することができます。

ここで主役になるのは、原子物理学でトンネル効果と呼ばれるものです。

一般的な物質は、壁（その物質自身よりずっと高密度に粒子が集まった堅い物体くらいの意味）を通り抜けることはできません。

しかし原子レベルでは、物質は波動性を兼ね備えていますから、導電性物質の中の電子は必ずしもその中だけにとどまっておらず、一部が外に漏れ出してきます（トンネル電流）。

そしてその電子の量は、導電性物質の表面から離れるほど、指数関数的に減衰して小さくなっていきます。

ということは、表面近くをなぞってそのトンネル電流を計測できれば、あるいはトンネル電流が一定になるように表面近くをなぞることができれば、表面形状はわかるわけです。

実際には、白金やタングステンなどの先端（探針）を細く尖らせ、表面近くをなぞって電流量を測定します。

探針と試料の間を真空にする必要はありません。

溶液中でも大丈夫です。

また単なる測定だけでなく、探針に原子を付着させたり放したりという原子操作も可能です。

１９８９年にはＩＢＭの研究者がキセノン原子一個一個を並べて「ＩＢＭ」という文字を作り、大きな話題となりました。

これはＳＴＥＭと呼ばれるタイプの顕微鏡（microscope）です。

電子線を細く絞って、直径0.2～0.3nm程度の極小プローブを作り出します。

そのプローブを試料上で走査し、透過してきた電子線で透過像を作り出すことで、形状を知るのです。

また電子線が試料を透過する時、試料中の元素によって特有のエネルギーを失う性質があります。

この現象を利用するのがＥＥＬＳ分析で、分光器で失ったスペクトラムを調べ、試料の化学組成や電子状態などを知るのです。

2004年５月、産業技術総合研究所ナノカーボン研究センターと日立ハイテクノロジーズとは共同で、単原子識別可能な元素分析装置を開発したと発表しました。

新開発した高性能磁界レンズ（磁場により電子線を曲げて収束させるデバイス）によって走査型透過電子顕微鏡から直径0.2nm程度の比較的強い電子線を発生させ、その透過像や電子線エネルギー損失などを読み取るというものです。

これにより試料中に存在する元素の種類、存在位置、原子数まで、高い精度で分析することが可能になります。

カーボンナノチューブをはじめとするナノ材料では、１個の異種原子が混入するだけでデバイス特性が著しく変化する可能性があるので、こういった測定が必要になります。

またタンパク中のアミノ酸配列を正確に読み取るためにも、単原子検出技術は必要です。

トンネル顕微鏡や原子間力顕微鏡よりは一般的な技術で、条件により数～数十ｎｍ程度の分解能を得られる顕微鏡として、電子顕微鏡があります。

電子顕微鏡には走査を伴わないものもあり、また走査する場合でも試料を薄く切って透過電子を検出する「透過型」もあるのですが、ここでは透過でなく反射する電子による像について説明します。

基本は真空中で電子ビームを試料に照射し、それにより発生する二次電子を、例えば蛍光物質を塗ったスクリーンなどによって検出することになります。

この電子ビーム源としては尖ったタングステンなどがよく用いられますが、図13で触れたようにＣＮＴも有望視されています。

電子は電場や磁場によって偏向されます。

それをうまくコントロールすると、連続的に発生する電子ビームを、二次元状に走査（スキャン）させることが可能となります。

従って資料の形状により、二次電子の発生量が変わりますので、それを検出すれば像が得られるわけです。

表面が複雑な構造だと二次電子がたくさん出やすいという性質もあるので、単にある場所に試料があるかないかだけではなく、そのラフな表面形状までわかる場合があります。

細胞分裂のコントロールが効かなくなり、最終的に個体を死においやる危険も高い病気、ガン。

外から来た有害細胞なら免疫も効きやすいのですが、元来自分自身の細胞ですから、それを認識するのがまず大変です。

それでもガン細胞ならではの糖鎖構造の特徴はあるので、レクチンなどのタンパク質でそれをうまく認識することが早期の発見や治療に役立つと考えられています。

産業技術総合研究所は、そういったがん細胞を特異的に識別できるレクチンと、量子ドットと呼ばれるナノ材料とを融合させた新規材料を開発しました。

量子ドットというのは半導体無機材料でできた数nmの粒子状物質で、紫外線をあてると強い蛍光を出す特徴があります。

つまり、これによりガン細胞の有無がピンポイントで把握できるわけです。

今回は３nmのものをセレン化カドミウムという材料で作りました。

さらに把握するだけでなく、紫外線を照射し続けることによりガン細胞が死ぬこともわかりました。

量子ドット付近に存在する酸素と反応し、活性酸素や１重項酸素など生体にとって有毒な酸素種が発生することが理由と考えられています。

静電気によるホコリやチリの付着、静電気の発生による障害を防止する優れた静電気防止機能を有する樹脂板として、制電プレートというものがあります。

現在、制電層に微粒子状の導電性酸化スズ（ＡＴＯ）などの金属酸化物を用いたものが主流ですが、加工して延伸すると制電性や透明性が失われやすいといった問題点がありました。

タキロンは２００５年５月、カーボンナノチューブを用いて延伸しても制電性や透明性を保った制電樹脂プレートを開発したと発表しました。

カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）を塗料化し、特殊表面処理技術を用いて非常に均一的に分散させます。

これにより、延伸しても導電性であるＣＮＴ同士の接点が保持されて制電性能が損なわれず、また制電層のクラックが抑制され透明性も保持されます。

さらにＡＴＯを用いていないため、超純水を利用する半導体製造ラインにおいても金属溶出の心配がありません。

原板素材として、ポリカーボネート、ＰＥＴ樹脂、ついで硬質塩化ビニルに対してこの技術を適用し、従来のクリーンルーム向けパーティションやカバー類といった用途から加工性を軸に事業を拡大するとのことです。

高い熱伝導性、電気伝導性、耐摩耗性を持つカーボンナノファイバー（ＣＮＦ）ですが、単体では凝集または飛散しやすく、一層の使い勝手向上のための方策が検討されています。

ただ、従来は銅と均一に混ぜようとしても、カーボンナノファイバーが液中で糸くずのようにからまってしまう難点がありました。

今回、シナノケンシと、信州大学の遠藤守信教授や新井進助手は共同で、直径100nm程度の多層カーボン微細繊維を、銅イオンとともに溶液に溶かし、そこに電流を流すことにより、マイクロメートル・オーダーの球状の金属微粒子を作製することに成功しました。

これを熱と圧力で固めることよりモーター用ブラシの摩擦部分への応用が期待されるほか、他の金属やプラスチックなどとの複合材料化も可能性がありそうです。

食品工場やゴミ処理場からは大量のバイオガスが排出されます。

これは放っておくと、メタンや二酸化炭素など地球環境に悪影響を与える気体やより直接的に生体に悪影響を与える物質に変わり、大気中にバラまかれる危険があります。

そこで島津製作所と三菱化学は、これらをプラントの中で処理し、最終的に有益な物質（カーボンナノファイバー）へ変えていく手法を開発しました。

まずバイオガスを、微生物反応によりメタンと二酸化炭素へと変えます。

次にニッケル・シリカ系触媒を用いてメタンから水素を取り出すとともに、その水素で二酸化炭素を固定します。

その結果として、炭素と水が発生します。

水はもちろん、普通に捨てて問題ありません。

ここまでだけでも、二酸化炭素削減という大きな意味がある反応ですが、さらにこの炭素から、カーボンナノファイバーを作り出すことを狙っています。

これは軽さ、強さ、導電特性などに大変すぐれた物質で、導電性材料、電磁波吸収材、樹脂補強材、電極材、機能性顔料などへの応用が可能です。

両社はパイロット・プラントのレベルで実証実験を進めています。

東京大学の丸山茂夫助教授らのグループは、アルコールを原料とするＣＶＤ法による単層カーボンナノチューブ生成に実績をあげています。

従来のアセチレンなどを用いていた方法に比べ、非晶質カーボンや多層カーボンナノチューブなどの不純物が生じにくく、またアルコール内の酸素原子が余分なススと反応するため、従来の800℃以上に比べると低い温度での合成が可能です。

2003年７月には、シリコン基板上に触媒（モリブデン／コバルト）を分散し、アルコールと接触させることで、650℃で、高純度の単層カーボンナノチューブをシリコン基板上に生成させること成功しました。

また2003年10月には、三井物産系のカーボン・ナノテク・リサーチ・インステイチュートが、石英ガラス基板上でも生成させられるようにした上で、この技術による有償サンプルの製造及び出荷を開始しました。

ほかにガラスファイバーや複雑な形状の表面にも、単層カーボンナノチューブを均一に成長させることが可能とのことです。

単層カーボンナノチューブは、導電体にも半導体にもなるナノ材料で、きわめて高速な処理のための大規模集積回路や、さまざまな光デバイスへの応用が期待されています。

ＣＮＴ（カーボンナノチューブ）は、強度や導電性が非常に高い物質として、各種材料、ディスプレー用のフィールドエミッター、燃料電池の電極など、さまざまな応用が期待されています。

ただし、従来はそれを高分子系の物質に解け込ませようとしても固まってしまい、それゆえ応用分野が限定せざるをえませんでした。

東京大学の相田卓三教授を中心とする科学技術振興事業団の創造科学技術推進事業「相田ナノ空間プロジェクト」では、イミダゾリウムイオンと呼ばれるイオン性液体を溶媒として単層ＣＮＴを溶かし、それを乳鉢で15分ほどすりつぶすことにより、単層ＣＮＴが分散したゲルを実現しました。

これにより強度や導電性の高いプラスチックが実現できるとともに、押し出し成形やインクジェット印刷などさまざまな加工も容易になります。

ＧＳＩクレオスが年間数十トン（Ｋgあたり数十万円）というレベルで量産に成功しているカルベール（カップ積層型カーボンナノチューブ）。

表面活性の高さや長さ調節の容易さ、低電圧での電子放出性などが大きな特徴で、金属触媒の担体として燃料電池などに利用されていますが、ここにきて応用分野がさらに拡大しています。

例えば細胞培養液に混合することで、約30％の細胞増殖効果や生育期間長期化が確認されています。

これは細胞培養による、有用な抗体やタンパク質の産生量の増加につながる可能性を持ちます。

また長さを均一に揃えたカルベールを内包したナノ炭素複合材による電子放出用電極を開発しました。

三菱鉛筆のプラスティック・フォームド・カーボンという独自の炭素材加工技術を利用したもので、低電圧で安定な動作が確認されています。

電子顕微鏡やＸ線の電子銃、液晶バックライトなどに応用可能です。

同じく三菱鉛筆と共同で、カルベールをプラスチックに練り込み、ソニーのツイーターの振動板に用いています。

これにより理想に近い硬さと音減衰性を得て、人間に聞こえない音まで再現できるとのことです。

燃料電池に応用すると、金属触媒が効率よく付着するとともに粒子サイズ、付着量、粒子間距離を正確に制御できるようになり、コストで大きな割合を占めている触媒量減少で燃料電池低廉化させることが可能になりそうです。

ほかに抗菌作用なども期待できそうです。

次世代ＬＳＩにおいては、層間で高密度に配線させるために径の揃ったカーボンナノチューブのニーズがあります。

それを化学的気相成長法（ＣＶＤ法）で作る場合、ニッケルなど成長を促す触媒金属を大きさの揃った粒子にする必要があります。

従来は有機溶媒中での化学反応を利用してその粒子を作り、また界面活性剤で保護する必要がありました。

いずれも環境面や効率面からあまり望ましくない方法です。

富士通は、そういった粒子をドライプロセス（真空装置内での製造工程）で得ることに成功しました。

まずレーザーを金属に照射して金属蒸気を発生させ、それをヘリウムガスで冷却して微粒子を生成します。

それを電気炉で結晶化させ、サイズによる電気的な移動度の差を利用して目標の径の微粒子を選別するというものです。

あわせて基板温度を従来の800℃程度から600℃以下に抑えた熱フィラメントＣＶＤ法を開発しました。

これらにより、ほぼ直径が５nmに揃ったカーボンナノチューブの束の作成に成功しています。

ニッケル以外の金属微粒子にも有効ということです。

カーボンナノチューブの中で、特に単層のもの（ＳＷＮＴ）は、導電特性やエネルギーギャップをかなり自由にコントロールしやすいという優れた特徴を持つ一方で、生成が比較的難しいこと、また薄膜にするとチューブが凝集して発光機能が失われるので光との相互作用を実現しにくいこと、などの欠点がありました。

これに対して産業技術総合研究所ナノテクノロジー研究部門は2005年２月、ゼラチンフィルムを分散媒体として用いて、ＳＷＮＴが一本ずつ均質に分散し、しかも一定方向に配向した薄膜を作ることに成功したと発表しました。

これに可視光をあてると、波長が1000～1400nmの近赤外線の発光が起きます。

そしてその発光は、配向方向に平行か垂直かによって大きな特性の差を見せました。

つまり強い偏光性が得られたわけです。

これにより、光の特性を生かしたさらなるカーボンナノチューブの応用に道が開けそうです。

薄膜を作るために、まずゼラチン水溶液にＳＷＮＴを分散させたものを薄く基板上に塗ります。

それを乾燥し、ゼリーのようにゲル化させ、基板から剥離させます。

それをアルコール中で膨潤させ、機械的に延伸するという、比較的簡単な方法で得ることができます。