3世代の学生、2つの転覆：ナノロボットの予想外の逆転

議論すればするほど真実は明らかになる。

執筆者：王偉（ハルビン工業大学（深圳）教授）

最近、研究チームは化学分野のトップジャーナルであるAngewandte Chemieに2本の論文を連続して発表した。 2 つの記事の背景にあるストーリーには、考えさせられる紆余曲折があります。数日前、私は最初の論文の誕生についてシェアしました（「棚上げの論文からその分野のトップジャーナルへ：博士課程の学生の涅槃」）。今日は、2 番目の記事「ナノロボットが予期せず反対方向に動く理由」についてお話します。 （論文リンク：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202201018)

0 ウェッジ

2年以上前、私はナノロボットに関する一般向け科学記事「ナノマシンは万能になりたいか？」を書きました。まず、ここにどれだけの科学があるのか​​を見てみましょう。」ナノロボットは水の異常な粘性も感じ取れるほど小さくて遅いため、動かすにはマクロの世界の機械とは異なる方法の開発が必要です。化学燃料が分解するときに放出されるエネルギーを利用するのは非常に効果的な方法です。

過酸化水素は、酸素と水に分解して大量のエネルギーを放出できる古典的な燃料です。そのため、ロケット推進に広く使用されています。この反応を加速するために、白金金属を触媒として使用することができます。 10年以上前、科学者たちは、ナノ粒子の表面を白金で覆うと、希釈した過酸化水素溶液の中でナノ粒子が高速で泳ぐことができることを発見した。

プラチナ（Pt）で覆われたナノロボットの構造、製造、作動

この戦略は非常にシンプルで、ロボットの製造も非常に便利です。そのため、このプラチナベースのマイクロナノロボットが発売されると、物理学、化学、材料など多くの分野の科学研究者から深く愛されました。それは科学研究界で人気となり、インターネット上で絶対的な有名人の製品となりました。

ネットセレブの商品を長く使っていると、自然と「経験」が蓄積されていきます。たとえば、多くの人（私を含む）は、このようにして作られたナノロボットはプラチナから離れていくだろうとずっと信じてきましたが、その理由はプラチナの存在によるものです。この考え方は人間の直感と非常に一致しているため、徐々に多くのプラチナベースのマイクロナノロボット研究を支える暗黙の「不文律」となってきました。

ある日まで...

1 予期せぬ発見

2019年後半、研究グループの大学院2年生であるLu Xianglongさんが、初のSCI論文を完成させました。他の若くてエネルギッシュな学術界のスターたちと同様に、翔龍はあらゆる種類の奇妙なアイデアを喜んで試します。ある日、彼はプラチナコーティングの厚さが変わるとナノロボットの動きがどのように変化するかを見てみたいと考えました。

前述のように、このようなナノロボットは過酸化水素の分解を触媒します。反応は白金膜の表面で起こるため、膜が厚くても薄くても、結果として得られるナノロボットの速度は同じになる可能性があります。あるいは、プラチナ層が厚くなるとボールが重く大きくなり、摩擦が大きくなり、回転速度が遅くなるためかもしれません。

しかし、翔龍が何気なく行った実験では、まったく逆の結果が得られました。プラチナ層が厚くなるほど、ナノロボットは速度が低下するどころか、速度が速くなったのです。さらに驚くべきは、プラチナの厚い層をつけたロボットが後ろ向きに歩いたことです。非常に不適切な例えを使うと、私たちの発見は、8 輪の車が反対方向に動いている間に、4 輪の車にさらに 2 つの車輪を追加して速度を上げるようなものです。これは全く意味がありません…

薄いプラチナ層を持つロボットは、厚いプラチナ層を持つロボットとは反対方向に移動します。

実験は間違って行われたのでしょうか?しかし、Xianglong のサンプル準備とビデオ撮影は完璧で、結果が明確に示されました。しかし、私はそのような結果を見たことも想像したこともありませんでした!

一瞬、私と翔龍は沈黙した。私たちの心には多くの疑問が浮かびましたが、答えは漠然としていました。当面は解明できなかったため、翔龍は他の実験に取り組みました。私はこの疑問を、研究室にある他の未解決の謎とともに脇に置きました。

直径 3 µm のポリスチレン マイクロスフィア ロボットの動きを 2 倍速で再生します。各ボールには 20 nm の厚さのプラチナ層があります。動画ソース：王偉研究グループ [動画を見るには「Fanpu」の公開アカウントにアクセスしてください]

2 弟子は師匠よりも優れている

あっという間に2019年秋学期となり、キャンパスは再び賑やかになってきました。翔龍さんは他のプロジェクトを継続し、一方、材料科学工学部の上級生である陳静源さんは、カリフォルニア大学アーバイン校での夏季訪問研究を終えて深センに戻った。チェン・ジンユアンさんは広州出身です。彼は背が高く、色白の学者のような気質を持っています。しかし、彼が興味のある科学研究のテーマについて話すとき、その若者の鋭さと鋭さは彼の内気さを突き抜けます。

静源さんは2年生のときから私たちの研究グループで科学研究を行っていたので、アメリカから帰国するとすぐに研究グループに報告し、4年生の卒業プロジェクトを始める準備をしました。たまたま、私と翔龍を悩ませていたロボット反転の問題を静源に託し、彼の能力の範囲内で探究するよう依頼した。

静源は、学部の低学年の頃から優れた科学研究の質を示しており、将来性に富んだ有望な企業です。それでも、客観的に見れば、学部生の知識の蓄積や科学研究の経験は、修士課程や博士課程の学生に比べてやや劣っています。だから私は、静源に翔龍の実験を繰り返してもらい、新しい材料や新しいパラメータを試してもらい、実験をより体系的にしてもらいたかったのです。結局のところ、経験豊富な翔龍でさえこの話題を扱うことができなかったので、私は景源が大きな突破口を開くことを期待する勇気はありません。

しかし、静源はすぐに私に、師を超えるとはどういうことかを教えてくれました。数年にわたる科学研究の訓練と、夏の米国訪問を通じて、静源の科学研究能力は急速に向上しました。彼は翔龍のプラチナロボット反転プロジェクトを引き継いだ後、翔龍が生み出した現象を素早く再現しただけでなく（これは容易なことではなく、多くの実験結果は手が変わると再現できなくなった）、体系的な実験と慎重なデータ分析を通じて非常に明確な実験規則を獲得しました。

学部生にとって、修士の先輩の実験をそのままより良くやるだけでも、非常に困難です。さらに素晴らしいのは、静源氏が関連論文を注意深く読み、化学燃料駆動のマイクロナノロボットの動作のいくつかのメカニズムを真剣に研究したことだ。これらに基づいて、Jingyuan は、異なるプラチナ層の厚さを持つロボットを異なるメカニズムで駆動できる、非常に実現可能なメカニズムを提案しました。

静源氏が提案した新しい仕組みは私を大いに驚かせたが、さらに驚きが待っていた。冬休みが終わる前に、静源氏の電気化学テストは高品質のデータを取得し、彼が提案した逆転メカニズムの強力な証拠を提供しました。春節休暇で帰省した後、静源さんは研究室の先輩たちと一緒にシミュレーションソフトウェアも学びました。 2020年春、感染症流行により自宅待機となった際、数値シミュレーションを通じて自らが提案したメカニズムをさらに改良した。

実験から理論、電気化学試験から数値シミュレーションまで、数か月以内に、上級学部生の陳静源は、指導教員ですら完全に理解できなかった問題をほぼ独力で解決しました。嬉しい反面、少し残念な気持ちもあります。こんなに優秀な学生が夏に卒業して留学を選択し、私と一緒に知識の境界を広げ続けることができないのです。

3 翔龍「帰還」

静源が進んでいる間、私は論文を書いていました。 2020年4月までに論文と図がほぼ完成し、とても嬉しかったです。基礎科学の研究者は、新しい発見や洞察を得たときは、必ずそれを友人や同僚と共有したいと考えています。そこで、私はすぐに論文の草稿を、この問題に関心のある外国人の友人 2 人に送り、彼らの提案を聞くとともに、私たちの研究結果を「披露」することにしました。

しかし、友人たちが返事をする前に、研究室でトラブルが起こりました。

2020年の夏に静源さんが卒業した後、プロジェクトはほぼ完了していましたが、まだ仕上げ作業が残っていました。このプロジェクトは修士課程の学生である Lu Xianglong によって開始されたため、彼が引き継ぐのは当然のことです。

結局のところ、彼はしばらくこのプロジェクトに手を出していなかったのです。 「帰還」後、翔龍は、ちょうど引き継いだばかりの静源と同じように、まず実験を繰り返すこととした。ちょうどその頃、学校は新しい輸入精密コーティング機を購入したばかりで、それは私たちの研究室にある国産のプラチナコーティング機よりもはるかに先進的なものでした。外国の僧侶が経文を唱えることができるという考えのもと、翔龍は輸入した新しい機械を使ってナノロボットにプラチナフィルムをコーティングした。しかし、プラチナ層がどれだけ厚くても、触媒性能が優れていても、ロボットを後進させる方法はなかったのです。

真空スパッタリングコーター。左：当社研究室の家庭用コーティング機。右：学校が購入した輸入高真空コーティング機（インターネットからの写真）

私と翔龍はまた唖然とした。なぜJingyuanが去るとすぐにプロジェクトは失敗に終わったのでしょうか?これは装置、実験、理論、あるいは人の問題でしょうか?

幸いなことに、今回はあまり長い間混​​乱しませんでした。すぐに翔龍は重要な要素を発見した。研究所の国産コーティング機で作られたロボットは逆転できるが、輸入コーティング機は逆転できないのだ。この画期的な進歩に直面して、翔龍は一つの考えを思いつきました。異なる機械で生産される「プラチナ」の成分は異なるのではないか？

私の最初の反応は「ばかげている」でした。どちらの機械も 9% 純度のプラチナ ターゲットを 4 つ使用し、コーティング プロセスは私たちの目の前の透明なガラス カバー内で行われます。汚染はどこから来るのでしょうか?さらに、百度百科事典は次のように伝えています。「プラチナ金属は耐腐食性が極めて高く、高温でも非常に安定しており、電気的特性も非常に安定しています。どのような温度でも酸化しません。」したがって、他の物質は私たちの実験には現れません!

4 ダーティミルク

しかし、翔龍の想像は本当である可能性はあるのでしょうか?異なるコーティングマシンが異なる「プラチナ」を生成する可能性はありますか?まずプラチナ膜がどのようにメッキされるかを理解しましょう。

当研究室にある国産の装置でも、学校にある輸入装置でも、すべて「真空プラズマスパッタリングコーター」と呼ばれる機械です。この機械にはガラスカバーでできた密閉された空洞があり、その中には薄膜とその上にコーティングされる基板を準備するために使用される純粋な金属シート (「ターゲット材料」) が含まれています。コーティングを行う際は、まずキャビティ内を真空にし、その後高電圧を流します。空洞内に残ったガス分子は高エネルギープラズマを生成し、それがターゲット材料に衝突してターゲット材料から金属原子をスパッタリングし、基板上に堆積させて薄膜を形成します。

スパッタリング堆積のこのプロセスは、ガラスビーズをミルクの入った鍋に打ち込み、飛び散ったミルクが鍋の蓋に飛び散るような感じに少し似ています。ガラスビーズがプラズマ、鍋の中の牛乳がプラチナターゲット、鍋の蓋がプラチナ膜を成長させる土台、飛び散った牛乳がメッキしたいプラチナ膜です。ポットは私たちのスパッタリング装置です。

真空スパッタリング蒸着は、ガラスビーズを投げて蓋にミルクをはねかけるようなものだ。

翔龍のアイデアは、本質的には、異なる鍋に入った同じ牛乳が蓋に飛び散ったときに、その成分が異なるということを意味している。一見すると意味が分からないが、翔龍は合理的な推測をしている。国内のコーティング設備の真空度は高くなく、大量の酸素プラズマが形成されるだろう。スパッタされた白金原子は酸素原子および酸素プラズマと反応して白金酸化物を生成し、サンプルを「汚染」します。輸入されたコーティング設備は真空度が非常に高く、保護のために不活性ガスのアルゴンを使用しているため、プラチナをスパッタリングするためのプラズマは主にアルゴンです。アルゴンはプラチナと反応しないので、より純粋なプラチナ膜が得られます。

ミルクの例えを続けると、これは、異なる鍋でミルクを砕くために使用される「ガラスビーズ」が異なると言っているようなものです。輸入ポットに使用されているガラスビーズは非常にきれいなので、出てくるものは純粋なミルクです。安価な家庭用ポットでは、ガラスビーズに汚れが付着しており、飛び散るミルクの品質が低下します。

子供の頃から牛乳を飲んでいた私にとっては、すぐにそれが理にかなっていると感じました。私を納得させるために、翔龍は膨大な文献から、プラチナのターゲットに高エネルギープラズマを照射するという同様の方法を使って誰かが酸化プラチナを得ることに成功したという証拠も見つけました。

「汚れた牛乳」仮説を証明するために、翔龍はまずさまざまな材料特性評価を通じて、国産の古いスパッタリング装置が確かに酸化白金を生成し、膜が厚くなるほど酸化白金の含有量が多くなることを確認しました。一方、輸入品は基本的に純プラチナです。次に、彼は一連の高度な熱処理実験を設計し、表面に白金酸化物がある限りロボットは後進し、白金酸化物が除去されれば前進を再開することを確認しました。

上記の結果は密接に関連しており、翔龍の「汚れた牛乳」仮説を強く支持しています。この時点で、私たちは突然、ナノロボットが後退した理由は、プラチナ製ロボットにはプラチナしかあり得ないという、ほとんどの人がこれまで抱いていた神話ではなく、ナノ粒子に酸化プラチナがスパッタされたためだと気づきました。この理論は、共同研究者であり同僚でもある馬星教授によっても認められました。

この経験から、科学研究は百度百科事典に頼ることはできないということも学びました。

5 最後の災難

2021年の夏、翔龍は博士号を取得するためにドイツに行く予定です。そして、紆余曲折を経たこのプロジェクトは、静源や湘龍よりも長く続き、再び終焉を迎えようとしている。博士課程の学生 Liu Jiayu が数か月間懸命に努力し、博士課程の学生 Duan Shifang と Peng Yixin (そう、前回の記事の男性主人公) の多大な支援を得て、N 回にわたる改訂を経て、プラチナベースのナノロボットの反転動作の理解と制御に関するこの論文がようやく提出されました。

西遊記と同様に、この論文も成功する前に最後の災難に見舞われました。査読者が、電気化学試験の結果が十分に正確ではないと指摘したのです。これは大きな問題ではなく、さらにテストを行うことでエラーを減らすことができます。しかし、学生たちが測定を重ねるにつれて、いくつかのサンプルの結果の順序が規則性なく飛び飛びになっていることに気づきました。一方、酸化白金がロボットを後進させるメカニズムを説明するために、翔龍は以前に独創的な実験を設計しており、その結果は満足のいくもので、シミュレーション結果と完全に一致していました。しかし、引き継いだ学生の劉佳宇は、実験を再現するのが難しいことを発見した。

これらの理想的とは言えない結果に直面して、私は少し躊躇しました。査読者の質問は実際には非常に簡単に答えられるのですが、私たちは「自分たちでトラブルを作り出し」、査読者が尋ねなかった多くの実験を行い、不可解な結果を得ました。論文のスムーズな出版を確実にするために、論文の主題にあまり影響を与えない可能性のあるこれらの「悪い」データについては、査読者や読者に伝えないという方法もあります。しかし、私はすぐにこの考えを却下しました。間違っているとわかっている結果を発表する気はなかったし、論文を発表するためには明白な結果に目をつぶるよう学生に教えるのはさらに嫌だったからです。

そのため、余計なことをするのを強要するために、当初2週間で完了するはずだった修正を2か月に延期し、一部の逆転機構を仕方なく削除し、すべての憶測を確認できなかったことを率直に述べました。作品を力強い休止で終わらせることができないのは確かに残念だが、そのオープンエンドの「答え」は、その後の研究への新たな扉を開くかもしれない。

幸いなことに、改訂された論文は2022年4月にAngewandte Chemieに受理されました。正直なところ、編集者や査読者が私たちの改訂の背後にある苦労に気づいたかどうかはわかりませんが、少なくとも私たちには良心が晴れています。

6 エンディング

良い仕事には必ず悪い運命が伴う。このナノロボットの研究は、現象の最初の発見から最終的な発表まで2年半かかり、3世代にわたる主な責任者（学部生の陳静源、2016年卒業、修士課程の呂翔龍、2018年卒業、博士課程の劉佳宇、20年卒業）を経て行われました。私たちが正しいと思っていた仕組みも、二度も覆されました。何度も繰り返される失敗、喜び、逆転、驚きは本当に疲れます。しかし、私たちが前進し続けるのは、自分たちの発見を世界と共有したいという願望と、自分たちが自分たちの能力を証明できるという信念があるからです。

このプロジェクトには、学部生の陳静源（2016年）、修士課程の呂翔龍（2018年）、博士課程の劉佳宇（2020年）の3世代の学生が力を注いできました。

しかし、願望と信念は成功のための必要条件であり、十分条件ではありません。私たちはまた、翔龍、静源、劉佳宇のような勤勉で現実的で忍耐強い学生も必要としています。もし翔龍が2019年にこの異常現象を鋭く捉えていなかったら、静源が確固とした理論とシミュレーション技術に基づいて一連の突破口を開いていなかったら、翔龍が大胆な推測と体系的な検証を行っていなかったら、劉佳宇と他の数人の同級生が無私の援助と慎重なエラー修正を提供していなかったら、このトピックはもはや存在せず、私たちは科学の秘密を解明する機会を失っていたでしょう。

この2年半の間に、私もこのテーマについて学び、成長し、考えてきました。この旅を振り返ってみると、議論すればするほど真実は明らかになるという静源のコメントに深く同意します。

科学的探究では、問題が発見されると仮説が提案され、それを検証または反証するための実験が計画されます。考え続けて挑戦し続けてください。失敗から立ち上がり、戦い続け、個人的な感情を脇に置き、手がかりから真実を探し続けます。結果が出たら、他の人に異議を唱えてもらい、間違っていたら最初からやり直します。私たちは疲れ果てるまで何度も戦い、そして軍旗を使って地面に線を引きます。これが私たちの知識の限界です。傷を癒して、自分を強くして、もう一度挑戦してください。

議論すればするほど真実は明らかになり、繰り返し焼き入れすることによってのみ鋼鉄は作られるのです。

特別なヒント

1. 「Fanpu」WeChatパブリックアカウントのメニューの下部にある「特集コラム」に移動して、さまざまなトピックに関する人気の科学記事シリーズを読んでください。

2. 「Fanpu」では月別に記事を検索する機能を提供しています。公式アカウントをフォローし、「1903」などの4桁の年+月を返信すると、2019年3月の記事インデックスなどが表示されます。

著作権に関する声明: 個人がこの記事を転送することは歓迎しますが、いかなる形式のメディアや組織も許可なくこの記事を転載または抜粋することは許可されていません。転載許可については、「Fanpu」WeChatパブリックアカウントの舞台裏までお問い合わせください。