ナノテクノロジーの概念は今や現代の文化にしっかりと組み込まれている。エネルギー、医療、環境、防衛、そしてもちろんエレクトロニクスといった、考えられるほとんどすべての領域で、劇的な進歩をもたらす可能性を秘めているものと見られている。米General Electric社や米Proctor&Gamble(P&G)社といった企業のCEOと同様、2006年にブッシュ大統領もナノテクノロジーを優先事項であると宣言している。

　米Lux Research社の最近の報告によると、2014年までに、世界で生産される商品のうち2兆6000億ドル分、つまり全生産高のうち最大15％にナノテクノロジーが組み込まれると予想される。¹)同社の調査では、2005年、世界で、政府、企業、ベンチャー企業がナノテクノロジーの研究開発につぎ込んだ費用は96億ドルで、2004年から10％増加したという。また、同社が11月に発表した別の報告書によると、2006年に投資家がナノテクノロジー関連のベンチャー企業へ投資した額は6億5000万ドルに達したと推計され、平均取引は2005年の960万ドルから19％増の1150万ドルだった。²)このような投資を受けたナノテクベンチャー企業10社は新規株式公開を果たし、初公開時には総額4億1720万ドルと高騰、黙示評価額は合わせて16億9000万ドルとなった。

　ナノテクノロジーの概念は1959年、今では有名な場所となった米カリフォルニア工科大学で行われた米国物理学協会にて、Richard Feynman氏によって初めて発表された。³)　Feynman氏の発言は、物を小規模に制御することと小型化の違いをはっきりさせたという点において興味深い。4)「2000年になって今の時代を振り返ったときに、なぜ1960年まで誰もこの方向に進むことを真剣に考え始めなかったのかと不思議に思うだろう」と彼は語っている。

　「ナノテクノロジー」という言葉は1974年に東京理科大学の谷口紀男教授が初めて使用し、1981年、米サンディア国立研究所のEric Drexler氏によってさらに広められたが、ナノテクの潜在能力はFeynman氏が思い描いていた頃にはすでにはっきりしていた。「1nmは長さの単位では本当に魔法のサイズだ。このサイズになると、人が作り出す最小の物が自然界の原子や生物界の分子と出会う。ナノメートル(nm)レベルでの最近の発見は、生物学、エレクトロニクス、材料その他すべての応用分野で革命を起こす可能性がある。ほんのちょっと前までは想像もできなかった発明や発見を我々は目にしている」と、米国立科学財団のEugene Wong氏は1999年に米国下院基礎科学小委員会のナノテクノロジーに関する公聴会で述べている。

　「ナノスケール現象とナノスケールの物体はここ数年目立っている。例えば、触媒はほとんどナノスケールの微粒子であり、ナノスケール現象である。写真撮影もまたナノスケール技術の一例である。分子生物学のほとんどはナノスケールレベルで機能する」と、Wong氏は述べた。「今、何が新しくて何が以前と違うかと言えば、理解の深まりと精密な制御、ナノスケール技術の精度である。偶然あるいは行き当たりばったりの調査で新しい現象を発見するのではなく、体系的に探求することが可能である。よい特性を備えたナノスケールの微粒子や構造を偶然見つけるのではなく、我々は今や必要に応じてそれらを設計する方法を模索している。さらに、新たな構造に加え、これまでとは全く異なる特性やプロセスが得られる可能性がある。我々はナノスケールにおける革命的な発見の数々を目撃しているのだ」。

　特に興味深いのは、よく知られたいくつかの物質がナノスケールで極めて異なる反応を見せることである。例えば、不透明の物質が透明になったり(Cu)、不活性物質が触媒になったり(Pt)、安定した物質が可燃性になったり(Al)、固体が室温で液体に変わったり(Au)する。また、Auは通常の大きさでは化学的に不活性だが、ナノスケールでは強力な化学的触媒として働く可能性がある点で興味深い。

　半導体産業にとっていかにナノテクノロジーが重要かを、米サンディア国立研究所のPaul McWhorter氏がよく捉えていた。「マイクロエレクトロニクスほど過去半世紀に大きな影響を与えた科学や技術分野は他にないだろう。毎年、マイクロエレクトロニクス業界が生み出した逸品のおかげで、より小型で高速、性能アップしたチップが低価格で提供されてきた。最新兵器からオーブントースターに至るまで、我々の生活のあらゆるところで革命を起こしてきた。世界のマイクロエレクトロニクス業界は、トランジスタの小型化という極めてシンプルな基準を基に前進してきた。トランジスタが小型化すると、それらは高速化し、1つのチップにより多く搭載することができる。そして、チップはより多くの情報を蓄積し処理することが可能になる。これまで、これは「シリコン革命」と呼ばれてきた。今や、我々は第2のシリコン革命を目前に控えている。第2のシリコン革命の基準は、単により多くのトランジスタをチップに載せ続けようということではなく、それより重要なものになるだろう。第2のシリコン革命の基準は、新しい構造の組み込みや、顕微鏡でしか見えないほど小さい機械をトランジスタと共にチップに搭載することになるだろう。それは、考えるだけでなく、感じ、行動し、コミュニケーションのとれる新世代のコンピュータチップの創造である。こうした機能を搭載する機械は人間の赤血球より小さいものとなる。この新たな能力は、マイクロエレクトロニクスが過去30年間に我々の生活に与えたのと同じくらい意味深い影響を今後30年間に渡って与えてくれるだろう」。

　ナノチューブベースのトランジスタは1998年に初めて登場した。その後、2000年には米IBM社によって、微細すぎて配線が使えないナノスケールの電子回路内でデータ伝送を可能にするため、既存の配線の代わりに電子の波動性を使用した「量子蜃気楼」効果が発見された(図1)。また、我々が今日知っているナノテクノロジーを可能にした画期的な出来事といえば、1985年の原子間力顕微鏡の開発と1991年のカーボンナノチューブ(CNT)の発見であった。離散型ナノチューブトランジスタから作られた機能ロジック回路とリングオシレータが最初に登場したのは2001年で、CNT上に作られた世界最小の固形発光体が登場したのは2003年であった(図2)。2005年には、米イリノイ大学アーバナ・シャンペーン校の科学者らが、DNA分子を骨格として使い、新型の量子干渉を実証した超電導ナノデバイスを製作した(図3)。2006年には、単体ナノチューブ上にICとして作られた10個のトランジスタを備える5段のリングオシレータが実証され⁵)、CNTで作られた超電導量子干渉デバイスnano-SQUIDが導入された。⁶)

　このように、急速で目覚しい発展は明るい話題だが、それらのほとんどは実証がされただけで、主流のエレクトロニクス製品の製造に使用されるにはまだ何年もかかるだろう。Nanotechnology：A Revolution in the Making⁷)の中で、IBM Researchの物理科学ディレクタThomas Theis氏は以下のような所見を述べている。「ある新技術がナノテクと同じように大騒ぎされるとき、それを無視して耳を貸さないのは簡単だ。しかし、それは大きな間違いになるだろう。米国立科学財団が今後10～15年で1兆円超の産業になると予想する分野において、重要で長期的な発展が期待できる明確な理由がある」と同氏はいう。「なぜナノテクなのか？ナノテクで、今日のスーパーコンピュータが明日のリストウォッチ型パーソナルアシスタントになるのだ。建物や機械はメンテナンスが必要になると信号を出すようになるかもしれないし、おそらく修理も建物や機械自身がやってしまうかもしれない。洋服は我々の健康を監視し、環境災害が起きると我々に警告を発してくれるかもしれない。このような驚くべき考えのすべてと、これよりもっと多くのことが、科学的には可能である。難しいのはこれらがどのように、そしていつ起こるかということを解き明かしていくことである」。

　米サウスカロライナ大学(USC)のコミュニケーション学教授でUSCナノセンターのナノサイエンス技術研究のアソシエート・ディレクタであるDavid Berube氏はNano-Hype: The Truth Behind the Nanotechnology Buzz ⁸)と題した本を親筆している。同氏は、現在「ナノテクノロジー」として売られているものの多くは実際には簡単な材料科学の作り直しに過ぎず、それは「ナノチューブやナノワイヤーなどを売ることだけで成り立っているナノテク産業」という方向に向かい、「薄利の製品を大量に売る数社のメーカーだけ」という状態に陥るだろうと結論付けている。

　確かに、CNTは65社以上のメーカーから容易に入手することが可能であり⁹)、つまり、アーク放電、レーザーアブレーション、CVDなど様々な方法で合成することが可能である。CVDは、主流の半導体製造でよく使われているのと同じ理由から、基板上のCNT合成を制御するのに最も適している。¹⁰)ナノワイヤーや量子ドットといったその他のナノ構造についても独自の長所はあるが、特にCNTは優れた電気的、機械的、熱的特性によって、その目覚しい研究開発が注目されてきた。

　現在のエレクトロニクスの世界において、CNTを使用した製品で利用可能なものは限られている。初期のCNTセンサー、プローブチップ、透明の導電フィルムはすでに市販されており、改良版も間もなく登場する。開発メーカーは、より複雑なCNTベースのメモリーチップ、フィールドエミッション素子、熱制御用の材料が今後数年以内に利用可能になるかもしれないという。⁹)入手が容易なCNTはむしろ、新たなアプリケーションになるかもしれない。例えば、CNTメーカーの米Zyvex Corp社は、2006年10月にダラスで開かれたnanoTX '06トレードショーにて、CNTを使った世界初のヨットのマストを発表した。同社は、このNanoSolveという素材でできたマストは、そのままの重量で強度と剛性を著しく向上できるため、ヨットの性能を改善することが可能になると説明している。

　CNTの最も有望なアプリケーションは、電界効果トランジスタ、ナノチューブトランジスタ、ナノチューブ配線、ナノセンサーのような電子放射デバイスやナノエレクトロニクスでの使用に関するものである。¹⁰)それはなぜか？CNTはその1次元電子構造によって高い電流密度(10⁹A/cm²)と衝撃伝導力に耐えることができる。CNTや他のナノ構造物の本格的な製造を行うためには、それらの加工制御がきちんと行えるようにする必要がある。

　Nanomanufacturing Handbook10)の中で米ノースイースタン大学のAhmed Busnaina氏は、ナノサイエンスとナノマニュファクチャリングの重要な違いを示している。「ナノサイエンスにおける科学的ブレークスルーは過去数年間の間に驚くべき速さでやってきた。しかし、ナノサイエンスでの成果を技術に移行させようとすると、ナノスケールレベルで製造するときの課題を十分理解しきれていないので、大きな障害となる。例えば、微細化はデータ記憶密度を急激に増加させる可能性があるが、ナノスケールデバイスの何百万あるいは何十億という数の配線をどうするのか、どうやったら不具合や欠陥を防ぐことができるのかといった質問にまず答えなければ、現実の商品は実現不可能である」と、同氏は述べる。「ほとんどのナノテクノロジー研究は、表面の改良に注目し、数個から数百個の微粒子や分子を使って希望の構成に組み立てようとしている。膨大な量のナノスケール元素を直接、高い割合でかつ広範囲にわたって組み立てる必要がある。研究室での科学的発見を商品化するためには、全く異なる一連の基礎研究に取り組まなければならない。それは、まず、生産量、プロセスの堅牢性と信頼性を実行可能な商業的レベルに拡大すること、ナノスケールの構造とデバイスをミクロ、メソ、マクロの大きさの製品に統合することである」。

　ナノ研究と製品製造で必要とされることのずれは、国際半導体技術ロードマップ(ITRS)の「新探求素子(Emerging Research Device)」章の「困難な技術課題(Difficult Challenges)」にも記載されている。¹¹)それによると、「CNTや炭素分子のようなナノ構造の材料は制御された方位と再現可能な特性を有する所望の位置で組み立てられなければならない(CNTは任意の位置で任意の配向性で成長する)。分子は少数の材料表面上で自己組織化し、Au上での組み立てにはチオールの機能化が必要であり、欠陥形成については何も分かっていない」。

　「ナノデバイスにもスピントランジスタのような同様の課題が存在する。強相関の電子状態材料は、電気特性と磁気特性の間に独自の複雑な相互作用を持ち、複雑な強磁性から自発的スピン降下を支えるかもしれない反強磁性へ相転移する。課題は、ナノメートルレベルで新しいデバイスを可能とするために、これらの特性を活用できるかどうかを見極めることである」としている。

1. M. Holman et al., “The Nanotech Report, 4th Edition.” Available at www.luxresearchinc.com/TNR4_TOC.pdf .

2. P. Hebert, “Nanotech Venture Capital to Exceed $650 Million in 2006,” Lux Research press release, Dec. 4, 2006.

3. R. Feynman, “There's Plenty of Room at the Bottom.” Available at www.zyvex.com/nanotech/feynman.html .

4. E. Drexler, “Protein Design as a Pathway to Molecular Manufacturing,” Proc. of the National Academy of Sciences USA, 1981, Vol. 78, No. 9, p. 5275.

5. A.G. Rinzler, “Sorting Out Carbon Nanotube Electronics,” Nature Nanotechnology, October 2006, p. 17.

6. M. Aprili, “The nanoSQUID Makes Its Debut,” Nature Nanotechnology, October 2006, p. 15.

7. Interagency Working Group on Nanoscience, Engineering, and Technology, “Nanotechnology — A Revolution in the Making — Vision for R&D in the Next Decade,” OSTP Committee on Technology, March 10, 1999.

8. D. Berube, Nano-Hype: The Truth Behind the Nanotechnology Buzz, Prometheus Books, 2005.

9. “Carbon Nanotubes,” SEMI Nano News, Summer 2006, Vol. 1, No. 2, p. 1.

10. Y.J. Jung, “Chapter 4: Controlled Synthesis of Carbon Nanotubes Using CVD,” Nanomanufacturing Handbook, CRC Press, 2006.

11. International Technology Roadmap for Semiconductors (ITRS). Available at www.itrs.net.