医薬品の研究開発の促進、人工知能の支援…魔法のようなナノテクノロジーは世界にどんな可能性をもたらすのでしょうか？

今日の世界では、ナノはもはや馴染みのないものではありません。小さなナノは不思議な国への扉を開き、私たちをナノの魔法の世界に足を踏み入れさせてくれるようです。

ナノサイエンスは、ナノスケールの衛星からナノ下着まで、私たちの生活のあらゆる側面に浸透しています。人類はナノの世界の継続的な探究と研究を通じて、ミクロの世界全体を制御できるようになりました。ナノサイエンスは、ナノマテリアル、ナノメディシン、ナノバイオロジー、ナノエレクトロニクスなども生み出しました。

ナノテクノロジーにより、小型の電子機器により多くの情報を保存できるようになり、人体への薬剤のターゲットをより正確に設定できるようになり、金属材料の強度が2倍になり、セラミック材料の可塑性が高まり、ナノ統合デバイスが衛星とともに空を飛ぶことができるようになり、軽量化、コスト削減、効能向上という魔法のような機能が実現します。

まずは最新のナノ研究成果から始めましょう。 2020年未来技術賞の受賞対象の一つは、金属材料に高強度、高可塑性、高電気伝導性を同時に持たせるナノ構造金属材料の研究です。一般的な金属材料の粒径は数十から数千ミクロンの範囲です。粒径が数十～数百ナノメートルの範囲まで縮小し続けると、よく耳にするナノメタルが形成されます。

従来の材料科学の分野では、ナノ金属の強度、可塑性、導電性の間には自然な矛盾があると考えられています。しかし、科学者たちは、ナノ金属の長期にわたる研究と観察の中で、ナノ金属の構造を修正し調整すれば、ナノ金属がさまざまな特性を一つに組み合わせ、常識を打ち破る魔法の材料になることが十分可能であることを発見しました。

中国科学院の研究チームは2種類の新しいナノ構造を発見し、金属材料の強化原理に大きな進歩をもたらした。これら 2 つの構造は、高密度ナノ双晶と傾斜ナノ構造であり、それぞれ超高強度であると同時に、極めて強力な電気伝導性と塑性変形能力も備えています。たとえば、勾配ナノ構造を持つ純銅サンプルは、通常の粗粒銅の 2 倍の強度を持ちますが、引張塑性は変わりません。これは、従来の強化メカニズムの逆強度-塑性関係を打ち破り、業界で応用され、大きな経済的利益を達成しました。

では、ナノスケールで人間は他に何ができるのでしょうか?ナノスケールのコアシェル構造の発見は、間違いなくナノの世界における大きな出来事です。マクロな社会とは大きく異なるミクロの世界にも、元宵と似た物質構造が存在します。この種の「元宵」は通常、大きさが数十ナノメートルに過ぎず、外殻の厚さも数ナノメートルに過ぎない。これは、新世紀の初めから材料や化学の分野で人気を集めているナノコアシェル構造です。

画像出典: Visual China

ナノコアシェル構造とは何ですか?ナノコアシェル構造は、一般的に、コアとシェルを含む 2 つの物質で構成されたナノスケールの粒子であり、その形状は球形、多面体、層状、棒状になります。ナノコアシェル構造は、従来のナノ材料の多くの魔法の特性を備えているだけでなく、コアとシェルの材料、形態、設計を調整することで、より優れた安定性と反応性を獲得し、高価な材料を安価な材料に置き換えることができます。

ナノコアシェル構造により貴金属材料を節約し、触媒性能を向上させることができます。例えば、白金金属粒子で作られた自動車の排気触媒は、白金金属を長期間大量に使用すると非常に高価になります。しかし、ナノコアシェル構造の製造方法を使用すれば、白金の使用をコアシェル構造の外殻に限定することができ、コア部分は安価な材料で作ることができる。実際に触媒機能を果たすのは外部に露出しているシェル部分のみなので、安価な素材のコアを使用しても、基本的には白金の触媒機能には影響しません。逆に、白金シェルを製造する過程で、特定の特殊な制御方法を使用し、白金シェルをより強力な触媒性能を有する形態に成長させたり、より強力な触媒能力を有する白金原子面を露出させたりすれば、白金触媒のコストを大幅に削減すると同時に、触媒性能を大幅に向上させることが期待できる。これは本当に、最低のコストで最大限の成果を上げる最善の方法です。

ナノコアシェル構造により、コア材料の安定性も向上します。今後の新エネルギー自動車、高速鉄道などの分野では、耐熱性、熱伝導性、大電流容量を備えた溶接材料が緊急に必要になります。マイクロナノ銅粒子はより低温で焼結することができ、その後形成される多孔質ネットワーク構造はバルク銅と同等の融点を持ち、耐熱性が極めて強いです。同時に、銅は熱と電気の優れた伝導体であり、従来のはんだをはるかに超える優れた高温特性を備えています。そのため、ナノ銅は次世代の高温溶接材料や高度な導電経路の分野で大きな可能性を秘めています。

ナノコアシェル構造は製薬業界でも使用できます。従来の医薬品製造プロセスと比較して、ナノコアシェル構造は、コロイドの安定性を維持し、ナノ粒子の凝集を防ぎ、粒子界面反応を制御する上で重要な役割を果たします。将来的には、ナノレベルの「医師」が患者を診察できるようになり、ナノ医薬品は正確な位置決めを実現し、人体により効果的に作用できるようになるでしょう。

ナノテクノロジーの驚異は、上記に挙げたものをはるかに超えています。将来、ナノテクノロジーはより多くの分野に影響を及ぼすでしょう。現在、世界各国もナノ研究に力を入れています。今後、人類の生活を変えるようなナノテクノロジー製品が数多く登場するでしょう。近い将来、人類がさまざまなナノロボットと出会い、「こんにちは、新しいナノの世界」と言うようになると想像できます。

非常に分野横断的なナノテクノロジー

ナノテクノロジーは、単一の原子や分子を使用して材料を製造する科学技術であり、構造サイズが 1 ～ 100 ナノメートルの材料の特性と用途を研究します。

ナノテクノロジーは、多くの現代の先進科学技術に基づいた科学技術です。それは、動的科学（動力学）と現代科学（カオス物理学、インテリジェント量子、量子力学、メソスコピック物理学、分子生物学）と現代技術（コンピュータ技術、マイクロエレクトロニクス、走査型トンネル顕微鏡技術、核分析技術）の組み合わせの産物です。ナノテクノロジーは、ナノ物理学、ナノ生物学、ナノ化学、ナノエレクトロニクス、ナノプロセッシング技術、ナノ計測学などの一連の新しい科学技術を生み出すでしょう。