佐々木正洋 教授

我々の研究室では表面科学を研究しています。表面とは、言葉通り物質の一番外側、「端」を意味し、物質が外に対して直接働きかける舞台です。触媒では、化学反応を高度に制御することができますが、化学種が表面に接することで影響を与えます。エレクトロニクス素子では、さまざまな物質を組み合わせて電子の動きを制御しますが、物質と物質の境目(端)での電子の出入りの様子で性能が決まります。また、電子顕微鏡などでは、物質から電子を取り出して利用しますが、ここでも表面の重要性は理解できるでしょう。実は、ハイテクと言われる素子のほとんどで、表面が本質的に重要な役割を演じています。この表面の性質を正確に理解し、制御することが我々の目標です。

現在、炭素系材料に注目しています。炭素系材料として、ダイヤモンド、グラファイトが古くから知られていますが、フラーレンやカーボンナノチューブなど、さまざまなナノ構造体も作ります。さらに、無限とも言える多様な有機化合物も炭素を元に作られます。この多様性が炭素系材料の大きな特徴です。すなわち、炭素系材料を適用することによりエレクトロニクスの可能性が大きく拡がるのですが、素子の機能、性能がどのように決まるかよくわかっていません。我々は表面科学の手法を用いて、エレクトロニクスに関係する炭素系材料の表面の性質を理解し制御したいと考えています。特に有機太陽電池と次世代電子源の特性向上に大きく貢献できそうです。

我々は、表面の性質を理解するために、走査プローブ顕微鏡技術超音速分子線技術を用いています。走査プローブ顕微鏡は、尖った針を表面に近づけることで、ビームの収束限界に関係なく表面にある原子一つ一つの性質を知ることができる顕微鏡です。また、超音速分子線技術を用いることで、分子の運動エネルギーや内部状態を高度に制御することが可能です。これにより、簡単に性質が変わる炭素系材料の表面の様子をそのままの形で調べることも、また、新規の化学反応を積極的に誘起しすることもできます。ミクロとマクロの両面から表面現象を正しく理解しようとするのが我々の方法です。

さまざまな素子において既存の技術が限界を迎えようとしていますが、応用理工学分野の研究者、技術者には、既存の学問の枠にとらわれない広い視野と柔軟な発想から新たなブレークスルーを見つけることが求められています。ここで重要なのは、確かな基礎的知識と、現象を適切にイメージする想像力です。我々の研究室では、表面科学の実践を通して、このような力を醸成し、現在・将来の社会で活躍できる人材を育てることを第一の目標としています。

山本恵彦 名誉教授

皆さんは大学のエンブレム(校章)をご存知ですか? 本学のエンブレムには桐の葉がデザインされています。世の中にはイチョウの葉などがデザインされた他校のエンブレムもあります。これらからは美的なセンスやロマンは感じられますが、建学の精神などは残念ながら読み取れません。一方、欧米の大学のエンブレムには明確に建学の精神が記されている場合が多いようです。

私が5年間の大学院生活を過ごした米国の大学のエンブレムにはMems et Manus とラテン語で記載されています。英訳は Mind and Handでしょう。即ち、教科書や講義から学ぶ知識と身をもって実際の行動から学ぶ智慧の両方の育成を教育方針に掲げています。頭でっかちの知識のみの持ち主はクイズ番組では活躍するでしょうが本当の研究を推進する力はないでしょう。また手足しか動かさない肉体労働者も真の研究者とは呼ばれないでしょう。

私も1993年に本学教授に就任以来、基礎学問のみならず実際の問題への応用の重要性を強調してきたつもりです。何も無い所から立ち上げた研究室も年々充実し途中からは佐々木先生の参加もあり多くの卒業生を輩出してきました。卒業生の中には本学教員が2名おります。多くの卒業生は各分野で大活躍しております。

Mems et Manusの伝統を是非後世に繋いで行って頂きたいのが佐々木・山田研究室への私の希望です。

(山本先生は本研究室の創設者です)

山田洋一 講師

「表面のこと」

■自分は、表面(もしくは界面)という場に注目をして、研究しています。

■今のところ、「表面を研究しています」、と一般の人にいっても、一瞬でそれは面白い!とウケることはなかなかありません。「表面」というと、物質研究の何かマニアックな一分野にすぎないとおもわれるかもしれません。薄っぺらい、浅いといったイメージもありますし。

■しかし最近では、物理に限らず、化学、バイオを含むいろいろなサイエンス、またより日常に近いところでも、最先端で研究されている課題の多くが「表面」に関連するもののように感じます。だから、この世界の多くのことがらは、表面に何か本質があるのではないかとさえ思われてきます。

■なので、最初に、そもそものもっともな疑問、
 「世の中広いのに、なぜ、ほかをさしおいて、表面を研究するのか」
を考えます。第一の答えは、「表面は普遍的だから」で、第二の答えは、逆説的なようですが、「表面は特殊だから」です。

■表面の普遍性は、実は明らかです。
我々の見るもの触るもの、すなわち感覚できるものはいわばほとんど表面のもののみです。たまに内部から情報がでてくる場合でも、その情報は必ず表面(界面)を通過せざるを得ないので、その影響はほとんどかならず含まれます。話が飛びますが、絵画や写真、彫刻などをみますと、一生懸命"中身"を表現したい場合でも、その実の作業は表面のことのように思えてきます。また、現代のさまざまな"革新的なデバイス"は、多くの場合、ユーザーインターフェイス(界面)の革新が高い効果を担っているようです。そんなふうに考えると、物質をはじめ、たとえば人間関係や文化なども含むあらゆるシステムにおいて、その表面または界面は中身をしのぐほどの大きなウエイトをしめているようなきがしてきます。

■表面の特殊性は、少しわかりにくいです。
そもそも表面は幾何的に特殊です。"中身"の特徴は、その等方性(どちらを向いても同じ)であるのに対して、表面は異方的です。密度や、対称性や、いろいろなことが、表面では不連続に変化しています。この暴力的な断絶の影響は大きく、これを受けて表面には、とても特殊な構造と性質とが自己組織的に現れています。この結果、一般的に表面は、構造も性質も、中身とまったく異なり得ます。このことだって、物質に限ったはなしでもなく、たとえば社会や文化的なことがらであっても、そのエッジではたいがい妙なことが常に発生しているようです。新しい音楽などもたいがい異種文化の界面でうまれているように。

■そういえば、そもそも、生き物が動き回ったり妙な街を作ったりしているのは、まさに地球の表面の領域にへばりついておこっていると想像してみるのも面白いです。木を考えると、地上と地中にそれぞれ枝や根が広がっていて、地表はその中間のいわば特異点です。おそらくそこではエネルギーや物質の行き来が最大となって、まさにそこが多くの生き物の場になっているイメージは、なかなか意味深いようなきがします。

■さて、表面は普遍的であってなおかつ特殊でそこに妙な事がありそうだ、ということがみえてきましたので、次は、
「表面がわれわれの生活にどう重要か?」
ということが疑問です。まあ、普遍的であるから、重要なのは当然といえますが、最近これほどまでにさまざまな分野において表面に注目があつまることには、主に以下の二つの重要性が関係しているように思います。

■ひとつは、とてもよくいわれることですが、小さい世界における表面の重要性です。一般的にモノが小さくなると、表面積/体積比が大きくなるので、表面が目立ってきます。特に最近ではフラーレン、カーボンナノチューブ、有名なグラフェンなどのような、表面しか持たないようなナノ物質の利用が視野に入ってきています。ナノテクにおける表面研究の必要性は火を見るように明らかです。このため、現在ではナノテクと表面科学はほとんど同義語といえます。

■もうひとつ、表面、界面が、相互作用すなわち関係の役割をになうという点はとても普遍的に重要であるように思います。ひとつよくある説明が化学反応であり、なかでも最も表面が重要になるのが不均一触媒反応です。これらを考えるのに表面の理解は絶対、必須です。これはよくいわれていることですので、ここではさらに少し無理を押して、生物的なところから表面、界面と「関係」について考えてみたいとおもいます。

■生命システムはそもそも関係のコトです。
生き物システムは、そもそもまず界面を作って、外部と内部、自己と非自己をつくりだします。そして外部と、界面を通したエネルギと物質のやり取りにより非平衡な状態を作り出し、それを利用して大変高度な秩序を維持しています。まずは抽象的に、表面・界面の存在が生命システムの本質にちかい意義をにないそうです。

■次に、実際の生物を見ると、それは多くの物質からなる器官が想像以上に込み込みに込み合って存在するシステムであることがわかります。コミコミの状況では、至る所に界面が存在します。そこでは、とある器官の構成分子間の距離よりも、その器官と隣の器官の分子との距離の方が近くなっているような場合も多々あります。そこでは、界面と、そこでおこる相互作用が非常に目立っています。生命現象の本質に近い部分を表面、界面での相互作用がになっているといっても過言ではなさそうです。

■このように、自然や生命なり、人工物なり、文化現象なりを、表面、界面に無理矢理アンダーラインをつけてみてみると、それが実は自然のいろいろな事象の本質に近いところにあることが浮かび上がってきます。そして、この世界が面白いのは、それがエントロピー最大ののっぺらぼうの無秩序にならず、数多くの時間的、空間的秩序構造が存在するからだとすると、それには必然的に表面と界面の存在と、そこでの関係みたいなことが浮かび上がってくるわけです。

■こうして見ると、表面、界面みたいな、"あわい"の領域は、単なる特殊なグレーゾーンというものではなく、なにかただならぬ意味の出現を司っているようです。有名な南方熊楠さんは物質世界の因果関係である"物不思議"と、心理の領域である"心不思議"の境界に「事不思議」という領域を見いだし、ここにこそ世界の面白さをみていたそうです。これはあまりにも高尚でよくわかりませんが、表面界面の科学は、じつは熊楠のいう「事不思議」の領域の科学につながっているようなきもします。

■NHKはちょっとまえ、宇宙ステーションにカメラをもっていってまどから地球を撮ってみて、その大気圏の層を「宇宙の渚」と名前を付けて放送しました。さすがNHK、ネーミングがよいとおもいました。渚とは、界面であり、渚には、二つのモノの"せめぎあい"があり、そこにはあるパターンが形成されている。地球でいえば、熱と電子が入ってきて、界面にはオーロラなりカミナリなりが形成される。そしてその一部は、宇宙に再放出されている。そうこうして地球は非平衡な環境を生み出していて、そこには生命的な秩序が散逸構造として維持されている。エコロジーではよく生き物と地球はつながっているとか、地球自体が一つの生き物、みたいにいわれますが、それは物理としては当然です。

■この表面の重要性を「縁」という漢字一文字がかんたんによく表しているようにおもいます。縁とは、「はじ」のいみと「関係」のいみがあります。これがまさに表面の科学のコンセプトに他なりません。表面のおもしろさは、それが「縁の科学」である、ということで少しわかりやすくなるかもしれません。ならないか?

■熊楠の書簡に、「現代の科学、因果はわかるが(もしくは、わかる可能性があるが)、縁がわからぬ」という下りがあります。ここでの縁とはある因果と、また別の諸因果との関係のことをいう高尚な概念のようです。そういえば、表面も、ある因果体系の総体(物質A)と、もう一つのそれ(物質B)との関係といえるのです。

■また、頭が良くて有名なパウリは「固体はカミが作ったが、表面はアクマの仕業だ」とまでいいました。

■表面は、薄いようで、相当奥が深いようです。

■以上は長いイントロでした。これらはほとんど、いろいろなところに書いてある一般論です。


「表面と自己組織化」

●自分は、「自己組織化現象」というものに特に興味を持って、表面場での研究をしています。上で述べたように、表面自体が典型的な自己組織化構造です。これにくわえ、表面は、他の物質の自己組織化のための場ともなっています(地表にすむ生き物たちのような)。

●そもそも自己組織化とは、何が面白いのでしょうか。
自己組織化とは、要素同士が協調的に相互作用をして、高次の秩序(構造や機能など)が自発的に現れることをいいます。これは、外部からの設計図や、指揮者なしで実現するので、しばしば創発現象と同様な意味でつかわれます。オカルトっぽいですが、そうではありません。

●イントロとしてよく使われる印象的な例が、ホタルの同期現象です。
東南アジアに、ホタルが集まる樹があって、そこに集まった数万のホタルが完全に同期して光る現象が知られています。これはどこかにリズムの指揮者がいて、それが他のみんなに合図を出しているということではありません。個々のホタル間の、個人的な(ローカルな)相互作用のみを介して、新しい巨大な秩序が現れているのです。

●ホタルの例は時間軸上での自己組織化現象(リズム形成)ですが、自分たちの研究手法でアクセスしやすいのは、空間での自己組織化(パターン形成)です。自然には、原子が集まってゆき、アミノ酸→タンパク質→細胞→脳→人間、のように、とんでもなく高度な秩序がおそらく自己組織化により実現されています。これのせいで、分子で出来ている我々は算数を考えたりテニスをしたりできます。

●最近では、自己組織化によるボトムアップのモノつくりが大きく注目されています。これまではほとんどモノは、トップダウン的(大きいものを小さくする、あるいは、ある計画に基づいてくみ上げる)に作られてきました。そこでは、極限的な環境(高温または低温、高圧または低圧)が必要で、結構なエネルギーがつぎ込まれます。これに対して、自然界の自己組織化現象、すなわち常温、常圧で、かってに物が出来ること、を利用したモノつくりができれば、それは産業革命にも匹敵することだともいわれています。特に、ナノレベルのものつくりは、もはや手仕事が及ぶ範囲ではなく、自己組織化をうまく利用してやる必要があります。

●そんな高度な自己組織化現象に少しでも近づくべく、現在、簡単な有機分子の自己組織化現象が広く研究されています。最近ではナノレベルの顕微技術が進歩していますので、分子レベルでの自己組織化過程の観察が多くなされてきています。本研究室では特に、自己組織化する有機分子同士だけでなく、第三者である表面の存在に注目しています。先述のように、なんでもかんでもがコミコミの自然には、表面/界面がたくさんありますので、分子の自己組織化にこれが大きな影響を与えてきたのは必然的だと思われます。自己組織化によるものつくりにおいても、"まな板"となる表面の存在は無視することが出来ません。

●表面上における有機分子の自己組織化現象は、ただの漠然としたおはなしというだけではなく、昨今の有機ナノエレクトロニクスにそのまま重要になっています。有機デバイスにおいて、有機半導体-電極界面やp-n分子接合界面は自己組織化的な形成が利用されています。特に重要なのは、電極上の有機分子の単分子層は、電極の原子をも含めた自己組織化により、普通の分子とはかなり違った特性を示すことです。また、異なる分子同士の界面は、これらの分子の相互作用により形状が決定されます。これらをよく理解することは、有機エレクトロニクスにとって重要であるばかりでなく、自己組織化現象の一般的理解の手始めになるとおもいます。

●あと自己組織化に重要なのは、ゆらぎや、不安定性(フラジリティ)です。われわれ生き物を作っている分子は、室温の熱エネルギー程度で不安定になるような、いわば吹けば飛ぶようなものです。しかし、そのようなフラジャイルな材料が、壊れるか壊れないかギリギリの環境下で、多く集まり、かなり高度でロバストなデバイスとして動いている。これはガッチリと安定な材料では逆に全くできないことです。物理や化学の研究はなるべくかっちりした対象を選びがちですが、こういう、不安定な材料の揺らぐ性質というところに、本当は面白いことがありそうな気がしています。

●このようなことを考えつつ、個人的には、まだ、自己組織化というかなり壮大な物理に関する研究に一歩ふみだす踏み出し方を模索しているような段階です。そのような研究には、きまった路線もありませんが、そんなのがあるようでは、やる価値もやりがいも少ないのだとおもいます。


「研究室のようす」

▼本研究室では特に有機分子の自己組織化現象を解明し、これを使って巨視的な性質を創発させるための、いろいろなテーマが走っています。表面界面での自己組織化は今様々な分野で重要となっているので、有機ナノエレクトロニクスから、有機スピントロニクス、表面超伝導、水素テクノロジー、有機EL、ナノバイオテクノロジーまで、いろいろな出口を目指した課題があります。
いずれの研究も大局的には、ナノレベルの構造自己組織化現象を利用し、新たな巨視的機能を発現する、というスキームにあてはまっているとおもいます。

▼現在、このような実験は、ほとんど全て、超高真空下での、極限的な表面計測技術を使っておこなっています。これは計測すること自体が、一つの目標になってしまうような世界です。特に、上にあげたような柔らかな、フラジャイルな材料を使ったナノ科学の世界は、計測するのがとても難しい(だからこそ研究は楽しい発見に溢れるわけだけど)。それこそ高いお金でかってきたブラックボックスの測定器のボタンを押したら結果が自然と吐き出されて、簡単に論文が書けることはまずありません。アイデアがあったとしても、実験がうまくできないとなかなか結果がでません。よほどの天才でないかぎり、自分を含めおそらくだれにでも、気合いと忍耐力をもって、日々勉強し、装置を手なずけていく、というあまりスマートでない、職人的なことが必要になります。

▼優秀な装置とそつないテーマで結果を量産するのは成功の近道ではあるのは間違いないけれど、成功っていまどきステレオタイプではないし、なにがシアワセか考えるときに、いわれたことをうまくやることよりも、難しくても自分のアイデアをひとつでも実現する方が楽しいし意味があることだと思います。いきなり世界中の研究者と肩をならべた研究をするのですから、難しくて当然です。簡単に結果がでてくるようでは、逆に何かおかしいという感じてしまいます。研究室における地道な問題解決の過程は、簡単な成功体験よりはおそらくずっと価値があるものだとおもいます。こういう価値観は、研究者を目指す人にとっては当然重要ですが、それに限らずおそらくどういう形であれ社会で生きていくのに、もしくは楽しい人生を送るのに、かなり重要なスキルと言えるのではないでしょうか。

▼でもまあスキル云々よりなにより、自分の手を動かして、アイデアをだしつつ、なにかしら新しい現象をみつけて研究にうちこんでみるのは、それ自体が単純に楽しい事だとおもいます。せっかくの大切な卒論、修論、博論の時間、ハードに楽しんでみませんか。

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