Highly organized smectic-like packing in vapor-deposited glasses of a liquid crystal
蒸着された液晶イトラコナゾールのガラス膜は、基板へのアンカリングに依存しない表面強化された分子運動と配向によって駆動される、熱アニールされた薄膜を凌駕する高度に組織化され、かつ調整可能なスメクチック様構造を示す。
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電気の流れをスムーズにするために、すべてのレンガが完璧に整列していなければならない家や、明るく鮮明な画像を作るために、光が特定の方向に跳ね返る必要がある家を建てることを想像してみてください。現代の電子機器の世界では、これらのデバイスを作るために使用される材料は、しばしば微細な分子で作られています。もしこれらの分子が乱雑に混ざり合っていれば、デバイスは性能が悪くなります。もしそれらが整然と並んでいれば、デバイスははるかに良く機能します。科学者たちは、ある種の分子が、液体状態にあるときに、まるで紙の束のように層状に並びたがる性質を持っていることを古くから知っていました。これは液晶状態と呼ばれます。通常、これらの分子を固まって固体になるまで整然とした層状の配置に保つには、研究者たちはそれらを流動するまで加熱し、整列させ、それから急速に冷却します。しかし、この伝統的な方法には限界があります。最終的な配置は、分子が本来どう振る舞いたいかという性質と、それらが乗っている表面がどのように振る舞うことを強いるかという性質との間の妥協点になってしまうことが多いのです。
研究チームは、これらの分子のシートを配置するための、こうした限界を回避する異なる方法を発見しました。「物理蒸着」と呼ばれる、水蒸気が空気中で凍って雪の結晶が形成されるプロセスに似た技術を用いることで、彼らはこれまでにないほど完璧に組織化された固体薄膜を作成することに成功しました。彼らは、イトトラコナゾールとして知られる医薬品に使用される特定の分子を研究対象としました。この分子は、層状の構造を形成する自然な傾向を持っています。研究者たちは、これらの分子を堆積させる際の表面温度を注意深く制御することで、これらの高度に秩序化された層を作り出すだけでなく、層の間隔を調整できることを見出しました。最も驚くべきことに、この手法は、伝統的な方法（加熱して冷却する方法）に丸一週間かけて落ち着かせた場合と比較しても、より完璧に整列した固体を生み出すことができることが分かりました。
研究者たちはまず、イトトラコナゾールの分子を取り出し、真空チャンバー内で蒸気に変えることから始めました。そして、その蒸気をシリコン表面に沈降させました。これは、テーブルの上に埃が積もる様子に似ていますが、分子が到着する速度とテーブルがどれほど温かいかを精密に制御しながら行われました。鍵となる変数は表面の温度であり、彼らはこれを、材料が固体ガラスから液体へと変化する点（融点）のわずかに下からわずかに上までの範囲で調整しました。分子を、液体の状態に近いほど温かい表面に堆積させたとき、分子は着地する際に、自らにとって最も快適で秩序ある位置を見つけるための十分なエネルギーを持っていました。分子は自然に平らな積み重なった層を形成し、長い分子は表面に対して垂直に真っ直ぐに立っていました。
この発見を驚くべきものにしたのは、達成された秩序の度合いです。研究者たちが、液体の状態にしてから再び加熱して分子を再配列させるという古い方法で作られた膜と、今回作成した膜を比較したところ、蒸着による薄膜の方がはるかに優れていました。伝統的な方法では、層がやや乱れており、一部の分子は横たわり、他の分子は立っているといった、混乱した構造を持つ材料が生成されました。対照的に、蒸着による薄膜は、材料の厚み全体にわたって均一な結晶のような整列を示しました。分子はすべて同じ方向を向いており、シートの完璧なスタックを作り出していました。これは、蒸着による薄膜がわずか数時間で作成されたのに対し、伝統的なサンプルには整列のために7日間もの時間が与えられていたにもかかわらず実現したことです。
また、研究者たちは、堆積中の表面温度を変えるだけで、分子層の間の間隔を変更できることも発見しました。分子を少し低温の表面に堆積させると、層はより引き締まり、層の間隔を最大で16パーセント縮めることができました。これは、化学的な組成を変えることなく、分子自体の内部間隔を設計できることを意味しており、非常に重要です。それは、梯子を新しく作り直すのではなく、登り方を変えるだけで梯子の段の高さを調整できるようなものです。
おそらく最も驚くべき発見は、分子が降り立つ表面が重要ではなかったということです。伝統的な方法では、材料は底面の表面と上面の両方の好みを満たそうとするため、しばかの混乱した配置に陥ることがあります。底面の表面は分子を平らに寝かせようとし、上面は立たせようとする、といった具合に、両者が相反する性質を持つことがあるのです。研究者たちは、蒸着法を用いると、成長中の薄膜のまさに最表面において分子が非常に高い移動性を持つため、底面の表面を完全に無視できることを見出しました。分子は単に、着地した瞬間の表面における自身の振る舞いに従って整列し、さらに層が追加されるにつれて、この完璧な秩序が固定されました。つまり、最終的な構造は、その下に置かれた材料によってではなく、分子自身の性質と、それらが降り注ぐ空気の温度によって決定されるのです。
この研究は、電子機器や光デバイスのための高度な材料を創出するための新しい道を提示しています。蒸着を用いることで、エンジニアは標準的な加熱法では不可能だった、より滑らかで均一で、かつ組織化された固体薄膜を作ることができます。彼らは、電気や光を特定の方向に運ぶために分子が完璧に整列した材料を作ることができ、製造プロセス中の温度を調整するだけで、それらの内部構造を微調整することも可能です。この研究は、分子が制御された環境の中で一層ずつ自らを構築させていくことで、自然界や従来の製造法では通常到達できないレベルの秩序を実現できることを裏付けています。これは、より効率的な太陽電池、より明るいスクリーン、そしてより高速なコンピュータなど、分子レベルで完璧に配置された材料から作られる次世代の製品への扉を開くものです。
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