ドキ★ワク先端科学

第1回：物質創成科学研究科　大門寛教授　[2014年4月25日] 「飛び出す　原子の世界」

「原子配列立体写真法」で見たシリコン原子の結晶

キラキラと輝くダイヤモンド、きれいですよね。実は、このダイヤモンドと鉛筆の芯を作っているグラファイトという物質は、同じ炭素原子からできています。

では、なぜこうも色や硬さが違うのか。理由は原子の並び方にあります。ダイヤモンドは炭素原子が3次元でがっちりとつながっています。一方、グラファイトは面でつながっていて、それが何層にも重なっているのですが、それぞれの層はつながっておらず、もろいのです。

こうした原子の並び方を見るには、エックス線をいろんな角度から物質に当て、反射する角度から位置関係を計算で導き出した上で、模型やコンピューターグラフィックスで再現していました。しかし最近、私の研究室で原子の並び方を3Dで直接見るいくつかの手法を開発しました。

偽造防止用に紙幣にも印刷されているホログラムの原理を応用した「光電子（こうでんし）ホログラフィー」は、エックス線を原子に当ててはじき出した「光電子」という電子を周りの原子に当て、立体像を記録・再生します。これなら、複雑な計算もいりません。

また、特殊な装置を使い、左と右それぞれに回転する光を当てて画像を撮影し、できた2枚を並べ、目の焦点をずらして立体的に見る「原子配列立体写真法」も開発しました。携帯型ゲーム機「ニンテンドー3DS」でも見られるように研究室のホームページで画像を公開しています。

　物の性質を決める重要な要素である原子の並び方の研究が進めば、様々な製品の効率を高めるのも容易になります。まだ詳細な仕組みが分からない光合成を原子レベルで解明できれば、夢のメカニズムとされる「人工光合成」が可能になり、エネルギー問題が解消できるかもしれません。