유기 재료를 이용한 장치 기술은 반도체를 이용한 기술에 비해 제조 비용이 낮아질 것으로 예상되고 있지만, 장치 성능 향상을 위해 고품질의 분자성 결정을 만드는 과정이 필수적이다. 따라서 분자 사이의 상호 작용을 제어하는 기술은 중요한 연구 과제가 되고 있다.
화학 결합하지 않는 분자 사이와 원자에 서로 흡수하는 상호작용이 작동한다. 그것을 반 데르 발스 힘이라고 하고, 도마뱀이 벽에 붙는 힘이나 흑연 등의 층상 물질 의 응집력, 유기 디바이스에 사용되는 분자성 결정의 응집력으로 주목 받고 있다. 한편, 광 핀셋 기법을 사용하여 분자를 빛으로 조작하는 기술이 있지만, 원자 • 분자 하나하나에 힘을 미치는 것은 쉽지 않다.
산업 기술 종합 연구소는 나노 미터 스케일의 정밀도로 물질의 구조를 제어하며, 해당 물질에 의한 복잡한 시스템을 구축할 수 있는 기술 개발을 목표로 하고 있어 시뮬레이션을 통해 실험에 앞서 가공 기술 제안을 해왔다. 이번 연구는 분자성 결정의 구성에 기여하는 반 데르 발스 힘을 빛으로 강화하고 결정 구성 프로세스를 보장하는 것을 목적으로 시작했다. 그 첫 번째 단계의 연구로 비슷한 응집력을 가진 단순한 대상으로 시뮬레이트 빛의 증강 효과의 검증을 시도했다. 이 시뮬레이션은 산업 기술 종합 연구소가 도입한 대규모 병렬 컴퓨팅 시스템AIST-super cloud; Generation2 을 이용했다.
이번 연구는 가장 간단하고 화학 반응성이 없는 불활성 기체인 헬륨 (He)을 대상으로 시뮬레이션을 실시했다. 여기 에너지에 아주 가까운 에너지 (파장)를 가지는 빛을 조사하면 He 원자의 전자 궤도를 바꾸어 진동을 시작하고 조사를 계속하면 진동의 진폭이 조금씩 커진다. 이것은 진동하는 진자에 그 진동주기와 같은 주기의 힘을 주고 있으면 진폭이 커져 가는 것과 유사하다.
진동의 진폭이 극대화된 순간 그림 1과 같이 2 개의 He 원자 사이에 플러스와 마이너스의 전하가 있고 두 개의 He 원자는 당기는 역학을 하게 된다. 이것을 쌍극자 상호 작용이라고 부른다. 그림 2와 같이 빛을 조사하지 않는 경우와 비교하여 빛을 조사하면 이 두 개의 He 원자 간의 거리는 현저하게 축소하고 있다. 이것은 광 조사에 의해 항상 인력이 발생하는 것을 나타낸다. 또한 빛 에너지에 의존 매력의 발생 방법이 달리 20eV의 에너지의 빛이 가장 매력을 증대시키는 것을 알 수 있다.
이번 시뮬레이션에서 얻은 He 원자 2 개의 시간에 따른 거리의 변화를 분석한 결과, 광 조사를 한 경우에서 광 조사가 없는 경우에 비해 인력이 7pN 증가하고 있는 것으로 나타났다. 이 값은 보통의 화학 결합에서 원자끼리를 연결해 힘의 1000 분의 1 정도의 약한 힘이지만, 화학 결합하지 않는 원자 • 분자끼리를 사용하려면 충분한 크기이다. 이번 기초적인 시뮬레이션 결과에서 분자 성 결정 등에서도 빛에 의한 응집력 강화의 가능성이 시사되었다.
앞으로는 더 복잡한 응집 계 모델에 대해 빛에 의한 반 데르 발스 힘의 증강을 확인하고 분자성 결정의 생성 제어 기술과 디바이스 응용을 향한 시뮬레이션을 해 나갈 예정이다.
独立行政法人 産業技術総合研究所【理事長 中鉢 良治】（以下「産総研」という）ナノシステム研究部門【研究部門長 山口 智彦】ナノ炭素材料シミュレーショングループ 宮本 良之 研究グループ長、非平衡材料シミュレーショングループ 宮崎 剛英 研究グループ長は、中国 四川大学 Hong Zhang 教授、スペイン バスク大学 Angel Rubio 教授と研究協力して、化学結合していない分子同士や原子同士に働く弱い凝集力を、波長(エネルギーと関連する)を調整した光の照射によって増強できることをシミュレーションにより理論的に予測した。凝集力が増強される原因は、光によりプラスとマイナスの振動する電荷が分子や原子に発生し、それらの間に電気的な引力が生じるためであった。今回予測された、光による凝集力の増強現象は、有機デバイス材料などに用いられる分子性結晶のように弱い凝集力で構成される構造体の作成技術への応用が期待される。
有機材料を用いたデバイス技術は、半導体を用いた技術と比較して製造コストが低くなることが期待されているが、デバイス性能向上のために高品質の分子性結晶の作成が不可欠である。そのため、分子間の相互作用を制御する技術は重要な研究課題となっている。
化学結合していない分子間や原子間にも引きつけあう相互作用が働く。それはファンデルワールス力と呼ばれており、ヤモリが壁に張り付く力やグラファイトなどの層状物質の凝集力、有機デバイスに用いられる分子性結晶の凝集力として注目されている。一方、光ピンセットの手法により分子を光で操作する技術があるが、原子・分子一つ一つに力を及ぼすことは容易ではない。
産総研では、ナノメートルスケールの精度で物質の構造を制御し、その物質による複雑なシステムを構築できる技術開発を目指しており、第一原理計算によるシミュレーションによって実験に先駆けた加工技術提案を行ってきた。特に、電子励起を利用した加工技術のシミュレーション技術は世界の研究機関を見渡してもまれである。
今回の研究は、分子性結晶の構成に寄与するファンデルワールス力を光で増強して結晶構成プロセスを確実にすることを目的に始めた。その最初の段階の研究として、同様の凝集力を持つ単純な対象のシミュレーションを行い、光の増強効果の実証を試みた。このシミュレーションでは、産総研が導入した大規模な並列計算システムAIST-super cloud; Generation2を利用した。
今回の研究は、最も単純で化学反応性のない希ガスであるヘリウム(He)を対象にシミュレーションを行った。He原子内の電子は、ある決まったエネルギーでのみ、その軌道を変える（すなわち励起する）。その励起エネルギーに非常に近いエネルギー（波長）を持つ光を照射するとHe原子内の電子は軌道を変えようとして振動を始め、照射を続けると電価分布の振動の振幅が少しずつ大きくなる。これは、振動する振り子に、その振動周期と同周期の力を与え続けると、振幅が大きくなっていくことと類似している。電価分布の振動の振幅が極大になった瞬間、図1に示すように2個のHe原子の間にプラスとマイナスの電荷が存在し、2個のHe原子は引き合うようになる。これを双極子相互作用と呼ぶ。電価分布は、時々刻々変化しプラスとマイナスの電荷の位置が逆転する期間もあるが、常に2個のHe原子が引き合うような電荷配置が維持されるため、どの瞬間であっても双極子相互作用による引力が生じている。
今回のシミュレーションで得たHe原子2個の時間による距離の変化を解析した結果、光照射をした場合は光照射のない場合に比べて引力が7 pN増大していることがわかった(p「ピコ」とは1兆分の1のこと)。この値は、通常の化学結合で原子同士をつないでいる力の1000分の1程度の弱い力であるが、化学結合していない原子・分子同士を操作するには十分な大きさである。今回の基礎的なシミュレーション結果から、分子性結晶などにおいても光による凝集力増強の可能性が示唆された。
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