From London to Morse via Binnig, Quate, and Gerber

あらゆるものの構成要素である、極めて小さな原子を直接見たり触れたりできる世界を想像してみてください。数十年にわたり、科学者たちは「原子間力顕微鏡」と呼ばれる特殊な種類の顕微鏡を用いて、まさにそれを実現してきました。光は原子を見るには大きすぎるため、この装置は光の代わりに、先端が単一の原子で終わるほど鋭い針を使用します。この針が表面の上空に浮遊するとき、その下の原子との間で引き合ったり押し合ったりする目に見えない力を感じ取ります。これらの力は、塵を結びつける非常に弱く穏やかな引力から、分子を結びつける驚異的な強さの結合まで多岐にわたります。研究者たちが常に抱いてきた大きな疑問は、「この針はただそこに存在するものを見ているだけの受動的な観察者なのか、それとも見ている対象を変えてしまう能動的な参加者なのか」という点でした。

ノッティンガム大学を中心とする研究チームは、この問いに答えるために20年の歳月を費やしてきました。彼らは、最も弱いものから最強のものへと、原子スケールに存在するさまざまな種類の力を辿る旅をしてきました。彼らの研究は、針が決して単なる受動的な観察者ではなく、常に表面と相互作用しており、時には優しく、時には原子を動かしてしまうほど強力に干渉していることを示しています。針がいかに振る舞うかを正確に理解することで、彼らは原子一つひとつを用いて微細な構造物を構築する方法を学び、現在はコンピュータを使ってそれをさらに上手に行わせようとしています。

物語は、最も弱い力、すなわちナノ粒子を表面上に薄い層として保持するような力の記述から始まります。研究者たちは、シリコン表面の上に置かれた、幅わずか約2ナメターの金ナノ粒子のフィルムを観察しました。この表面を原子レベルの針でスキャンしたところ、驚くべきことが起こりました。当初は乱雑で迷路のようなパターンで散らばっていた粒子が、より大きく滑らかな塊へと再編成され始めたのです。これは熱や自然な経年変化によるものではなく、針が前後にスキャニングする際に粒子を押したり引いたりしたことによって起こりました。針は一種の局所的なエネルギー源として機能し、粒子がより安定した配置を見つけるまで小突いたのです。「粗大化（coarsening）」と呼ばれるこのプロセスは、顕微鏡のたとえればごく僅かな接触であっても表面の形状を作り変えられることを示し、道具自体が変化を引き起こしていたことを証明しました。

強度のスケールを一段上がると、チームはサッカーボールのような形をした二つの分子、フルレンが互いにどのように相互作用するかを調査しました。彼らは一方の分子を拾い上げ、針の先端に貼り付けることに成功しました。そして、その先端を表面にあるもう一つのフルレンに近づけました。両者の間の力を測定することにより、これら二つの分子がどのように引き合い、あるいは反発し合うのかを詳細にマッピングしました。その結果、分子同士の向きが極めて重要であることが分かりました。全体としては引力が働いているものの、分子固有の形状により、原子同士の斥力（退け合う力）こそが実際にどのように落ち着くかを決定づけていたのです。この詳細なマッピングは、相互作用が単純な吸引よりもはるかに複雑であり、分子がどの方向に回転しているかに完全に依存していることを明らかにしました。

次に、研究者たちは多くの生物学的分子を繋ぎ止める上で不可欠な、水素結合と呼ばれる一般的な化学的結合に注目しました。過去には、顕微鏡の画像の中に分子を繋ぐ明るい線として、これらの結合を直接見ることができると主張してきた科学者もいました。しかし、ノッティンガムのチームは、それらの明るい線がしばしば錯覚であることを発見しました。水素結合によって結びついた分子がある表面をスキャンすると、確かに結合があるはずの場所に明るい線が見えます。ところがデータを注意深く分析したところ、これらの線は結合そのものではないことが判明しました。それは、顕微量器の柔軟なチップが表面の上を移動する際にわずかに曲がり、まるで結合が存在するように見える現象であったのです。この発見は分野における重大な修正となり、顕微鏡画像の「結合のように見えるもの」が、実は道具自身の動きによるアーティファクト（偽像）かもしれないことを示しました。

こうした錯覚を超越するために、チームはすべてのなかでも最も強い力である共有結合、つまり原子を固体構造の中に固く連結させている剛性のあるリンクへと進みました。彼らは、ペアになった原子（ダイマー）がスイッチのように前後へパタパタと入れ替わる性質を持つシリコン表面に焦点を当てました。適切な量の力で針を押し下げることで、彼らはこれらの原子のスイッチを切り替え、命令通りに原子の配向を変えることができました。しかし、一つの原子だけを孤立して切り替えることはできず、その動作は必ず周囲の原子にも影響を与えることも分かったのです。これにより、ローカルな環境が極めて重要であることが教えられました。原子同士はあまりにも密接に連結されているため、一つを変えると必然的に他のものも変わってしまうのです。このレベルの制御は将来的な原子規模デバイスの構築に不可欠ですが、そのためにはプローブに対する原子グループ全体の反応を深く理解する必要があります。

この研究の究極の目標は、ボトムアップ方式で構造物を組み立てること、つまり原子を一つずつ置いて新しい材料を作ることです。チームはこの手法を実証するため、表面から個々の銅原子を拾い上げ、特定のパターンに従って堆積させました。彼らは、原子を横方向に押すだけでなく、時には表面から持ち上げて別の場所に落とし込む必要があることを学びました。この垂直方向の操作を用いることで、単に横に滑らせるだけでは作れない原子クラスターを作成することが可能になりました。例えば、三つの銅原子を用いた緊密な三角形のクラスターを作ることに成功しましたが、これは横方向の動きだけでは不可能な形状でした。このように上下および左右に原子を動かす能力が開拓されたことで、原子レベルでの複雑な三次元構造物の構築に向けた新たな道が開かれました。

これらすべての実験を通じて、研究者たちは針の形状こそが最も重要な変数であることに気づきました。完璧な単一原子のチップというのは理想上の姿であり、現実には滅多に存在しません。彼らの顕微鏡のチップは多くの場合、複数の原子が突き出た無秩序な状態にあり、それが表面との相互作用を変えてしまいます。時には、この「乱れ」が完璧なチップでは見られないものを見せてくれることもあれば、逆に混乱を招く画像を生むこともありました。これを解決するために、彼らは人工知能を活用し始めました。コンピュータープログラムにチップの形状を認識させ、最適な移動方法を判断させるように訓練したのであります。これらのプログラムは、数千回の試行錯誤を経て、原子を拾い上げ設置するための完璧な一連の動きを見つけ出す学習を行い、物質を用いた構築作業の実質的な自動化を実現しようとしています。

このチームの研究は、原子の世界を覗き見る際の根本的な真理を浮き彫りにしています。それは、「使用する道具もまた、実験の一部である」ということです。あなたは単に原子を観察しているのではありません。常に原子と相互作用しているのです。粒子をやさしくつつくときも、スイッチを切り替えるときも、あるいは新しい構造物を築き上げる時も、顕微鏡は能動的な参加者なのです。自らのツールの限界と可能性を理解し、スマートなコンピュータに導かれることで、科学者たちは原子の一つひとつから材料を設計・構築し、これまで存在しなかったものを創り出す未来へと歩みを進めているのです。