120 万種類の分子がありますが、抵抗を制御できるのは 1 つだけです。

最近、研究者たちは単一の分子を使ってバリスタを作るという目標を達成しました。

著者：Qu Lijian

最近、上海大学とオーストラリアのいくつかの大学の研究者が協力して、ナノ電気機械システム（NEMS）における単一分子圧電抵抗器を実現しました[1]。この分子に異なる大きさの力を加えると、異なる抵抗が得られ、それが圧電抵抗効果を示します。

圧電抵抗効果とその応用

ピエゾ抵抗効果は、1856 年にケルビン卿 (ウィリアム トムソン) によって金属材料で初めて発見されました。ピエゾ抵抗効果は、外力が加えられると抵抗率が変化するという特徴があります。

圧電抵抗効果を利用して作られたデバイスは、幅広い用途に使用されています。最も一般的なアプリケーションは、歩数をカウントできるスマートフォンの加速度計です。また、自動車では外部からの衝撃を感知し、エアバッグやアンチロックブレーキシステムを作動させるためにも使用されます。圧電抵抗効果を持つ材料は、圧電抵抗圧力センサーにも開発されています。圧力が変化すると、回路は圧力に比例した信号を出力し、機械的な力を他の測定可能な物理量に変換します。例えば、医療分野では血圧の測定に使用され、自動車業界では自動車エンジンの油圧や空気圧の測定に使用されます。

圧電抵抗型圧力センサー。画像出典: wiki

上海大学とオーストラリアの合同チームはどのようにして単一分子でも圧電抵抗効果を発揮できることを発見したのでしょうか?

まず、単一の分子を回路に接続する必要がありますが、分子は小さすぎて、わずか 10 ナノメートル程度しかありません。こんなに小さなものをどうやって回路に接続するのでしょうか?

研究者らは、走査トンネル顕微鏡接合劈開技術 (STM-BJ、Science 301、1221–1223 (2003) を参照) を使用することでこの目標を達成しました。彼らは走査トンネル顕微鏡 (STM) プローブを電極に変換し、もう一方の電極を金でコーティングしたシリコン ウェハーに変換しました。プローブ電極を繰り返し前方に押したり後方に引いたりすることで、プローブと金でコーティングしたシリコン ウェハー基板の間にナノメートル サイズのギャップが継続的に現れるようにしました。ターゲット分子がこのナノメートル ギャップに入り込んで 2 つの電極を接続すると、「接合」が形成され、単一分子回路が接続され、関連する測定を行うことができます。[2]

STM-BJ テクノロジーの概略図。画像出典：参考文献[2]

120万種類の分子が存在する

今回、単分子圧電抵抗効果を実現する分子は、ブルバレン（分子式C10H10）と呼ばれるものです。その名前が示すように、オクテンは急速に変化する分子です。炭素原子は絶えず互いの位置を入れ替え、構造を絶えず変化させており、最大 120 万通りの構造を持つことができます。 [3]

オクテン分子の 5 つの構造。オクテン分子の構造は 120 万通りあります。画像出典: wiki

実験原理を下図に示します。研究者らは、2つの芳香環基を持つインスタントン分子を修飾し、溶液を調製した。 STMプローブを金コーティングされたシリコンウェハーに適切な距離（0.7〜1.5ナノメートル）まで近づけ、分子がプローブと金コーティングされたシリコンウェハーの間の隙間に入るのを待ってから、分子上に修飾された2つのリングをつかみます。この時点で回路は接続されています。

次に、プローブをゆっくり動かして分子を伸ばしたり圧縮したりしながら、導電率（抵抗率の逆数）を測定します。プローブの位置によって導電率が変化し、圧電抵抗効果が現れていることがわかります。

実験原理の概略図。画像出典：参考文献[1]

導電率はなぜ変化するのでしょうか?

分子が引き伸ばされたり圧縮されたりすると、さまざまな変形が起こり、異なる構造が現れます。分子式は同じだが構造が異なる分子を異性体と呼びます。異性体が異なれば電気伝導性も異なります。異性体には、構成異性と配座異性の 2 つの原因があります。前者は、原子が結合するさまざまな方法、つまりさまざまな化学結合が形成されることに由来します。後者は、化学結合の回転により空間内での原子の分布が異なることから生じます。

この結果を得るために、研究者らは、インスタントンの単分子圧電抵抗効果のメカニズムを明らかにするための理論シミュレーションも行いました。構造異性体は電子波の干渉に影響を与えることで導電性に影響を与えますが、配座異性体の導電性への影響は分子と電極の相互作用に由来します。 2 つの異性体は、芳香族環基の電極への結合にも影響を与えます。

潜在的な用途

この興味深い研究は、単一分子による耐性の制御を利用することで、魅力的な潜在的応用を秘めています。例えば、生体力学的測定や細胞内スケールでの機械的問題の研究のための新しいタイプのバリスタを作ることができる[4]。化学物質、タンパク質、酵素などの生体高分子の検出への応用が期待されており、技術的にはヒューマン・コンピュータ・インターフェース技術や健康モニタリング機器への応用も期待されている。 [5]

さらに、機械的な力による単一分子レベルでの導電性の制御は、分子回路の構築に利用でき、それによって非常に小型化されたデバイス（3～100 平方ナノメートル程度）を開発できる可能性があります。 [6]

もちろん、この基礎研究からこれらの魅力的なアプリケーションの実現までには、まだ長い道のりがあります。最も直接的なポイントは、コストを削減し、高価な走査型トンネル顕微鏡を廃止し、低コストの実験プラットフォームを開発することです。

参考文献

[1] Reimers、JR、Li、T.、Birvé、AP 他。ブルバレンの異性化を通じて単一分子の圧電抵抗を制御する。 Nat Commun 14、6089（2023）。 https://doi.org/10.1038/s41467-023-41674-z

[2] Acta Physico-Chimica Sinica、2019、35(8): 829-839 doi: 10.3866/PKU.WHXB201811027

[3] 今週の分子アーカイブ、2005年1月4日、ACS、https://www.acs.org/molecule-of-the-week/archive/b/bullvalene.html

[4] Norman, J.、Mukundan, V.、Bernstein, D. 他。生体力学的測定のためのマイクロシステム。小児科学63、576-583（2008）。 https://doi.org/10.1203/PDR.0b013e31816b2ec4

[5] https://www.curtin.edu.au/news/media-release/electronic-sensor-the-size-of-a-single-molecule-a-potential-game-changer/

[6]化学。社会Rev., 2014, 43,7378, https://pubs.rsc.org/en/content/articlepdf/2014/cs/c4cs00143e

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制作：中国科学技術協会科学普及部

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