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私たちが暮らしている地球には、いろんなものがあります。道ばたの石、公園の木、校庭にある鉄棒、授業で使うノートやえんぴつや消しゴム。

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右の図を見てください。たとえば、この四角を鉄のかたまりだとします。このかたまりを半分に割ります。そのうちの一個をまた半分に。さらにそのなかの一個を半分に。
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実は、ここが限界!これ以上はぜったい小さくできない!
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その最後のかたまり。それが原子。

注:本当は陽子とか電子とか素粒子とか、もっと小さいものもあるけれど、それはまた別の話。材料や物質を構成するものとしては、もっとも小さい単位は「原子」です。

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では、そんなに小さい小さい原子の大きさって、実際にはどのくらいだと思いますか?まず、私たち人間の大きさを基点にして、10ぶんの1ずつ、小さいものを探していってみましょう。

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スギ花粉の10ぶんの1が大腸菌。
大腸菌の10ぶんの1がインフルエンザウイルス。
インフルエンザウイルスの10ぶんの1がタンパク質。

タンパク質の10ぶんの1がアミノ酸やフラーレン(炭素が集まったサッカーボール型の分子。これがだいたい1ナノメートル)。そしてそれを10ぶんの1にしたら、ようやく原子の大きさになりました。

つまり原子は0.1ナノメートルという大きさです。

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原子には、たくさんの種類があります。
それを全部表しているのが、この元素周期表です。どのくらい種類があるか知ってますか?

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そのうち自然のなかにあるのって何個くらいでしょう?
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昔、地球ができたころにはあったんですが、だんだん時間がたってほかの物質になって、なくなってしまったんですね。
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注:ウランより大きい番号の元素は人工的に作られたものですが、ほんのわずか、自然の核反応でつくられることもあります。

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では水は?
水(H2O)は、水素と酸素、ふたつの原子からできていますね。
二酸化炭素(CO2)は? そう、これもふたつの原子、炭素と酸素からできています。

じゃあ、人間は?

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このくらいあります。

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ナトリウムと塩素で、塩分。
カルシウムやリンというのは骨。

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……そう、アルミニウムでできています。

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実はどんな原子でも、ある決まった数だけ集めると、その元素周期表にのっているそれぞれの重さになるんです。(その決まった数というのは、6.02×10²³で、アボガドロ定数といいます。なぜ6.02×10²³なのかは、ちょっとむずかしい話なので、また別のときに)
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さて、1円玉自体の重さは1グラムです。
なので1円玉のなかにある原子は、約27グラムのアルミニウムのなかにある原子の27ぶんの1ということ。
さあ、いくつになる?

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では、さまざまな物質のなかで原子ってどういうふうになっているかわかりますか?

たとえば「空気」。空気のなかには、みなさんが吸う酸素や、吐いている二酸化炭素などがあります。

このなかでは、原子はきちっと並んでいません。ものすごく離れていて、びゅんびゅん飛びまわっています。ふつうに捕まえようとしてもたぶん無理。

次に、水やジュースのような「液体」。
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かたまりになると、きれいな形に並びました。

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それは「結晶」です。雪の結晶ってきれいな形をしていますよね。あの結晶は、原子の並びの形が出てるんです。

それをもっと詳しく、細かく見るのが「電子顕微鏡」。
この電子顕微鏡を使って「原子をみる」、そして「原子をうごかす」これが今回のワークショップの目的です。

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みなさんが理科の授業で使ったことがある光学顕微鏡でも、見えるものはマイクロメートルの世界まで。ゾウリムシ(約0.2mm)から大腸菌(長さ約2μm(マイクロメートル)、幅約0.2μm)くらいです。

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このどこまで細かいものがみられるか、という能力の指標となるのが分解能*です。つまり、人間の肉眼の分解能は、約0.1mm。光学顕微鏡の分解能は、約0.2μm。そして電子顕微鏡の分解能は、約0.1nm以下、というわけです。

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そして、光を利用しているため、光の波長程度、つまり約0.2μm (200nm)くらいの大きさのものまでしかみることができないんです。

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ちなみに、レンズも違います。
光学顕微鏡では

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透過型は文字通り、対象物に電子を透過させて像を作り出し、内部の構造を観察します。ですので、対象物はかなり薄くしないといけません(0.1μm以下)。

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さて、今回はNIMSにある「収差補正式 透過型電子顕微鏡」を使って原子をみてみます。

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規則的にびっしり並ぶ黒鉛の原子と、 そのうえにポツポツとちらばる白金の原子がみえました。
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それがわかると、その材料が、どうしてそういう性質なのかもわかってきます。そうすると、うまく構造を作りかえることで、材料の性質を変えることもできるようになります。どんな構造にすればいい材料ができるかまで、予想がつくようになるのです。

原子がみえるということは、わたしたちの生活に役立つ新しい材料を作り出すということにもつながるんです。

解説:橋本綾子(NIMS) 編:田坂苑子(NIMS)

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でも、あんなに小さい原子をこの手で自由に動かすことなんて、本当にできるんでしょうか?

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「原子をみてみよう!」で少し説明しましたが、走査というのはScan(スキャン)することでしたね。そして、プローブは「探針」のことを言います。

突然ですが、真っ暗ななかで見えないものの形を確かめるとき、どうしますか?いちばんわかりやすいのは、指で形をなぞってみることですよね。ただ、大きい段差なら指でなぞれば形ははっきりわかりますが、指よりもずっと小さなもの、たとえば砂粒みたいなものだと指では形がわかりません。測られるもののほうが小さいとダメなんですね。
だから、精密なものを測るためには、対象物を測る「探針」、つまり指先に相当するところをものすごく細くする必要があります。

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だから、原子を測るには、探針を原子一個の大きさまで小さくする必要があるんです。

ただ、それだけ細い針だと、直接対象物に触れてなぞろうとすると、針が壊れてしまったり、あるいは対象物のなかにめりこんで対象物が変化してしまったりする可能性があります。なので、触れるか触れないかのギリギリの隙間をあけてなぞっていかなければなりません。

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探針が先についたカンチレバーという部分が少したわんでいるのがわかりますか?AFMはこのたわみが一定になるようにレーザー光でモニタリングしています。

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そこで、レーザー光が常に同じところに反射されるようにしていれば、カンチレバーの先にある探針と原子の表面の距離が一定に保てるというわけです。

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原子や分子をこのように思いのままに動かせると、 原子レベルでの加工技術も可能になり、新機能を発揮する新しい物質をつくりだしたり、これまで想像もつかなかった新しい用途を見つけだしたりできるんです。

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