概要

　立命館大学総合科学技術研究機構の石原一教授（大阪大学産業科学研究所特任教授）、大阪大学大学院基礎工学研究科の大学院生の齋藤良樹さん（博士後期課程）、芦田昌明教授、（株）ダイセルの牧野有都博士らの研究チームは、欲しい波長で光るナノダイヤモンドだけを光の圧力（光圧）で選別することに初めて成功しました。
　光るものと光らないものとは構成原子たった１個の違いしかなく、極めて小さな違いが粒子全体を動かすほどはっきりした差として現れるのは驚くべきことです。

　今回対象としたのは、爆轟法^※3で大量に作られる直径約10ナノメートル（１ナノメートルは10億分の1メートル）のナノダイヤモンドです。この中の炭素原子１個がシリコンやゲルマニウムなどに置き換わった色中心（SiV中心、GeV中心）^※4を含む粒子は特別な光を出すため、量子技術、超高感度センサー、医療などへの応用が期待されています。しかし、目的の粒子はごく僅かの割合でしか生成されず、欲しいナノダイヤモンドのみを選び取ることは重要な課題でした。

　これまでの選別法は、大きさ、質量、電荷、表面の化学的性質の違いを利用します。ところが今回区別したい粒子同士は、大きさ、電荷や表面の性質に違いはなく、異なるのは約十万個の炭素原子のうち原子１個だけです。十万個に１個の原子の質量の違いで分けるのは難しく、しかもその原子が置かれた環境によっては光らない粒子も存在します。
　そこで研究チームは、粒子が出す光の性質そのものによって光圧が変わる原理を用い、誘導放出に伴う「誘導反跳力^※5」を利用することで、図１のように目的のものだけを選んで輸送できることを示しました。
　これは、粒子を材料や大きさや質量の違いで分けるのではなく、役に立つ光を出せるかどうかという機能そのもので選別する、新しい発想です。有用な粒子だけを高濃度に集められれば、これまで十分には得られなかった超高性能な発光材料を得ることができ、量子情報技術や医療診断への応用にもつながると期待されます。
　本研究成果は、米国科学誌「ACS Nano」に、3月26日（木）23時（日本時間）に公開されました。

詳細は、以下のプレスリリースをご覧ください。
https://www.ritsumei.ac.jp/profile/pressrelease_detail/?id=1292

石原一教授のコメント

　ナノ粒子を一つ一つ選び、運ぶことは、ナノ科学が長く追い求めてきた夢です。私たちは二十年以上前、光圧は粒子を押したり捕まえたりするだけでなく、粒子内部の電子状態や光機能の違いを読み分け、その差をマクロな運動として引き出せることを理論的に提案してきました。今回、その考えを出発点として、実験グループが爆轟ナノダイヤモンドという極めて魅力的な系に真正面から挑み、理論と実験が往復しながら、新しいタイプの光圧である「誘導反跳力」による選別として結実しました。約十万個の炭素原子の中の、たった一個の置換原子の違いが発光特性を変え、さらに粒子全体の輸送の差として現れることは、通常は直接には結び付かないミクロとマクロが光を介してつながることの鮮やかな実証です。大きさや重さではなく、どのように光るかという「機能」で物質を選ぶこの方法は、新しい材料科学の突破口を拓くものと期待しています。当初、光圧によるナノ粒子操作は困難と言われましたが、本質的に新しい原理があるなら、理論と実験が力を合わせることで夢は現実になります。困難だと言われるほど、実現したときのインパクトは大きい。これから研究を志す若い人にも、その面白さと可能性を感じ取ってもらえればと思います。

用語説明

• ※1 ナノダイヤモンド
  ナノダイヤモンドは、直径が数ナノメートルから数百ナノメートル程度の、極めて小さなダイヤモンドの粒子。ダイヤモンドならではの硬さや化学的安定性に加え、内部に特別な原子欠陥をもつと特徴的な光を出すため、量子技術、センシング、医療診断などへの応用が期待されています。
• ※2 光の圧力（光圧）
  光が物体に当たると、光がもつ運動量が物体に伝わり、ごく小さな力が生じます。これが「光の圧力（光圧）」です。レーザーのように強い光では、この力を利用して微小な粒子を押したり、引いたり、捕獲したりすることができます。
• ※3 爆轟法
  爆薬が爆発する際に生じる高温・高圧の環境を利用して、ナノダイヤモンドを作る方法。短時間で大量の粒子を得やすいという特長があり、工業的なナノダイヤモンド製造として注目されています。
• ※4 色中心（SiV中心、GeV中心）
  結晶を構成する原子の一部が別の原子に置き換わったり、原子が抜けたりしてできる「光る欠陥」のこと。欠陥に入る原子の種類によって出す光の波長や性質が変わり、量子技術や高感度センサーへの応用が期待されています。ダイヤモンド中のSiV中心、GeV中心は、それぞれシリコン（Si）、ゲルマニウム（Ge）を含む色中心です。
• ※5 誘導反跳力
  物質が光を放出する「誘導放出」という現象に伴って生じる、物理的な反動の力のこと。あらかじめエネルギーを高めた（励起状態にある）物質に発光波長と同じ波長の光を当てることで、粒子の発光波長に応じて選択的に力が働き、光の散乱や吸収を利用する従来の光圧よりもはるかに強い力となります。