この高速「ナノクレーン」で分子組み立てラインを構成することができる

これまでのナノ工場は、あまりうまく行っていなかった。全ての小さな働き手たちが、同期して素早く動くことに問題があったのだ。しかし、物事をスムーズに実行することならドイツ人にお任せだ!採用されたのは、最新式の「電気」技術の適用だ。

DNAから形成された極小のナノスケール機械が、小さなものを大量に加工するための未来を見せてくれるかもしれない。しかし半マイクロメーターほどの長さの小さな腕のような、単純で再利用可能な機械を操作することは、人間のスケールではとても困難だ。このサイズでは信号を伝えるための配線は不可能だし、もしその腕を2番めの腕で動かしたい場合には、その腕はどうやって動かせば良いのだろう?

これまでは化学的信号の利用が行われていた、特定の溶液でナノボットを洗い、その向きを変えたり、掴むための先端を閉じたり、その他の動作を行うのだ。しかし、これは遅くて不正確な動作だ。

ミュンヘン工科大学(TUM)の研究者たちは、分子スケールで機械を制御する、この状況を改善する手段を検討していた。彼らが検討しているのが「ナノクレーン」だ。これは基盤から突き出た400ナノメートル長のカスタムDNAで、柔軟な塩基から構成されている。またあらゆる方向に回転することができる。これは小さなロボットの指のようなものだが、髪の毛(または塩基ペア)を割いたものではない。

Friedrich Simmelと彼のチームが発見した、もしくはより正確に言えば、その可能性を認識したのは、DNA分子が(よってこれらのナノクレーンが)負の電荷を帯びているということだった。よって理論的には、それらは電場に反応して動く筈だ。それこそが、彼らの行ったことだ。

彼らは小さな蛍光色素分子をクレーンの先端に付けて、リアルタイムでそれが何をしているのかを見ることができるようにした。そして周りの電場を慎重に変化させ、クレーンがどのように動作するかを観察したのだ。

素晴らしいことに、クレーンは計画どおりに動き、左右に移動したり、円形に回転したりした。研究者らによれば、これらの動きは、化学物質を使用していたときの、10万倍の速度で行われているということだ。

ナノクレーンの運動範囲の顕微鏡画像。青と赤は選択された停止点を示している。

「私たちは生化学的なナノマシンから、DNA構造と電場との相互作用によるマシンに完全に切り替えようと考えました」と、TUMのニュースリリースでSimmelは語った。「この実験で、分子機械を電気的に動かすことができることが実証されました。私たちはいまや動作をミリセカンドのスケールで行うことができますが、これはこれまでの生化学的アプローチに比べて10万倍速いことになります」。

そして電場がエネルギーを供給するので、この動作を使って他の分子を押すことができる ―― もっともこちらの方はまだ実証されていない。

しかし、これらの小さなマシンが大量に(それらにとっては)広大な場所で働いている所を想像することは難しくない。Simmelが述べるように、複雑なプロセスの中で分子同士を近付けたり遠ざけたり、あるいは「組立ラインのような」ものに沿って何かを作り上げたりことができる。

チームの研究成果は、憧れのサイエンスのカバーストーリーとして取り上げられた (多くの偉大な研究たちも、振り返ってみればそうした扱いを受けてきた)。

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(翻訳:sako)

コバルトのナノドットで磁気RAMができる、しかも高集積・超高速の

磁気ストレージといえば、主にテープやディスクのことだが、安くて安定性が良いので長期保存に適している。そこが、固体〔主にシリコントランジスタ〕ドライブや揮発性メモリと違う。それらは高速だが高価で、一時的保存に適している。でも新しい研究が、両者の良いとこ取りを可能にするかもしれない。

磁気ストレージの主な問題は、データを書き込む==磁化の向きを変えるためには、帯電したコイルをディスクやテープ上の目的の場所に物理的に移動しなければならないことだ。固体ストレージは、ファイルシステムが何ギガバイトものデータをどこにでも瞬間的に書き込むことができる。両者の違いは、誰かの住所を書く〔だけでよい〕ことと、実際にその場所へドライブすることの違いに似ている。

しかし、磁気ストレージに、アドレシングのできるセルがあったら、書き込みは速くなり、しかもその1や0の状態を永遠に維持するだろう。スイスのETH Zurichの研究者たちは、それをトライして成功した。ただし、たった一つのセルで。

X線銃とコバルトドット

コイルが磁気媒体に触れる方式の代わりに、直径500ナノメーターの小さなコバルトのドットがプラチナ製のワイヤの近くにある。ワイヤに電気が流れると、コバルトとは逆のスピンの漂遊電子が縁(エッジ)に集積し、最後にはドット全体の磁気の方向を逆転する。

チームはこれを2011年にデモしたが、今回新たなペーパーを発表して、それがきわめて速く起きることを示した。その観察には顕微鏡的なX線マシンで照射〜スキャンする方法を用いた(そのことがすごい!)。そしてビットの反転過程が1ナノ秒未満で起きることが分かった。

ドットの磁気モーメントの反転が1ナノ秒未満で起きる

それだけでなく、彼らは毎秒200万回で反転を1兆回(!)繰り返し、効果が弱まる兆候や信頼性が劣化する傾向を見出さなかった。

彼らは、さらなる高速化と低電流化、そしてドットの形を変えることを目指している。彼らの知見では、円よりも矩形の方が速いと思われるからだ。でも彼らは、いちばん難しい部分を先延ばししているのではないか。それは、何十億個ものこれらを、大きな、アドレシング可能な配列に収めることだ。一つだけの0/1は役に立たないし、コインが一枚あればぼくにもできる。

最終的には、このような技術によって、瞬間的にライト(write)できるけど永続性があって、データの無傷な保存のために電力を要しないストレージが可能かもしれない。十分に安価であれば、RAMと長期保存の両方に使えるだろう。そこが、彼らの課題だ。

この研究の詳細は、Nature Nanotechnologyの最新号に載っている。

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(翻訳:iwatani(a.k.a. hiwa))

カーボンナノチューブを撚って作った糸は引っ張ると発電する…スマート衣料の実用化へ

スマートな服は誰もがほしいと思っているけど、みんな、バッテリーパックを着るのは嫌だ、と言うだろう。まあ典型的な第一世界問題だけど、そのソリューションの中には単純におもしろいものもある。テキサス大学ダラス校の研究者たちが、カーボンナノチューブを撚(よ)って作った撚り糸で発電する方法を作り出し、しかもそれに、ツイストロン(twistron)というかっこいい名前をつけた。

引っ張ったり押したりすると発電する圧電素子素材は、これまでにも多種類あるけど、このツイストロン撚り糸には強度と柔軟性があり、おまけにスーパーキャパシター(超コンデンサー)として動作する。極細のカーボンナノチューブを集めて撚り、コイル状にすると、伸展性、伝導性など、役に立つ資質を持つようになるのだ。

同校のナノテク研究所のトップRay Baughmanが、ニュースリリースで述べている: “電子織物には大きな商業的関心が集まっているが、では、それらにどうやって電力を供給するのか? 人間の体の動きから電気エネルギーを得ることは、バッテリーを不要にする方法の一つだ。われわれの撚り糸は、これまでの各種文献に報告されているそのほかの可織繊維に比べて、伸展したときに得られる電力が100倍以上大きい”。

とは言っても、それが微々たる大きさであることに違いはないが、でも組込みシステムは電力要量が小さい。では、何が問題か?

そう、つまり問題は、このツイストロンは電解液に浸けないと動作しない。しかし、たしかにそれだけを想像すると大変そうだが、実際にはそれほどでもない。チームがScience誌に発表したペーパーによれば、ツイストロンを固体電解質…塩性のポリマー…で包むことによって、液体に浸けなくても発電できた。

研究チームがツイストロンで編んだシャツは、着用者の呼吸から実用レベルの電気を生成した。数分おきにバーストでデータを送るワイヤレスのトランシーバーなど、低電力のデバイスをシャツに編み(織り)こめば、この微小な電力で十分実用になるだろう。

チームは、海の波でもテストした。ペーパーの共著者の一人Shi Hyeong Kimは、ツイストロンの撚り糸で作ったおもりに風船をつけて、彼の故郷韓国のしょっぱい海に投じた。波の動きから撚り糸は力を受けて伸展し、電気を生成した。この方法はスケール(規模拡大)も容易であり、用途に応じ自由にカスタマイズして、海から電力を取り出すだろう。

“われわれのツイストロンを使った電力収穫機をもっと安価に作れるようになれば、大量のエネルギーが海の波から得られるようになるだろう”、とBaughmanは述べている。

チームはすでに特許を申請し、その応用を研究しているが、クールな技術がいつもそうであるように、世の中で一般的に見られるようになるまでは時間がかかる。なお、同大のナノテク研究所のサイトへ行くと、そのほかのおもしろいプロジェクトも見られる。

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(翻訳:iwatani(a.k.a. hiwa))

グラフェンのふるいを使った海水の淡水化、実用化へ大きく進歩?

科学者たちはグラフェンの可能性を探求し続けている。グラフェンは原子1個分の厚さの、結合した炭素原子の薄いシートで、10年以上前に研究者たちがグラファイトの塊からスコッチテープを使って数層を剥がすことによって作り出したものだ。その後技術が洗練されて原子1個分の厚さのシートが作成されるようになった。

このナノ材料は革命的な可能性を秘めたあらゆる用途に利用されて来た、より速く、より薄く、さらには透明なエレクトロニクスから、バイオテクノロジーによる移植、そして優れたバッテリ容量の実現まで。現在マンチェスター大学の研究者たちが、グラフェン酸化物膜の透過を制御するための方法発見したと報告している。これにより膜を海水の淡水化のためのふるいとして使うことが可能になる。

膜の細孔の大きさを制御することにより、チームは食塩が素材を通過することを阻止することができた。このことにより海水が飲料水になる。

これまでグラフェンは、小さいナノ粒子、有機分子、さらには大型の塩を濾過することが実証されてきたが、毎水中の食塩の場合にはその小ささが課題となっていた。グラフェン膜は水に浸すとそのサイズが膨張する、すなわち食塩を阻止するためにはより小さなふるいが必要とされることを意味する。

マンチェスターのチームは水に浸されたグラフェン積層板内の層間間隔を制御するために物理的拘束手法を使ったと語った。このことにより、彼らの表現するところの「正確で調整可能なイオンふるい」を実現することが可能となり、水和イオンの直径よりも小さなふるいのサイズを実現することができるようになった。

研究者たちは膜に対する透過率が、ふるいサイズの縮小とともに指数関数的に減少することを発見する一方で、水の移動そのものは「弱い影響を受ける」に過ぎないことを報告している。すなわち、膜を通貨する濾過された水の流れは相対的に速いままということを意味する。これは手頃な価格の淡水化技術を開発しようと考えるなら、重要な因子だ。

淡水化への応用の可能性と同時に、チームは「イオンをサイズに従ってオンデマンドで濾過できる能力」の、産業への幅広い応用も想定している。彼らの研究はネイチャー・ナノテクノロジー論文として掲載されている。

発表に対するコメントとして、研究者の1人であるRahul Nair教授は次のように語った「原子スケールへ縮小可能で、均一な細孔径を持つ可変膜の実現は、淡水化技術の効率性の改善に向けて重要な1歩を刻み、新しい可能性を開きます」。

「これは、この方式による最初の明快な実験です。私たちはまた、論文に述べられたアプローチをスケールアップし、必要な大きさのふるいをもつグラフェンベースの膜の大量生産を行うことへの、現実的な可能性も示しています」。

予算規模6100万ポンドの国立グラフェン研究センターを擁する同大学の科学者たちは、グラフェン膜をガスの分離に利用することも狙っている。たとえば発電所の排気ダクト内のガスから二酸化炭素を分離するといったことだ。これは経済的に炭素を補足し、大量に保存することを可能にする方法へのヒントになるだろう。

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(翻訳:Sako)

服にワッペンのように縫い付けておける軽量薄型毒ガス検出器をMITで開発、当面は軍用を目指す

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MITの4人の研究者チームが、毒ガスを検知するウェアラブルセンサーを開発した。これとアプリによりスマートフォンなどのワイヤレスデバイスがユーザーに、危険を知らせることができる。

研究者たちが構想しているのは、送信機の回路も含めてクレジットカードよりも薄くて軽いバッジを作り、それを実戦用の軍服に縫い付けておくことだ。

“兵士はすでに大量の装備を身につけているし、その中には多くの通信機器もある”、とMITの化学の教授Timothy Swagerが、彼が中心になって書いたこのセンサーに関するペーパーで述べている。Journal of the American Chemical Society載ったそのペーパーは、ポスドクの学生Shinsuke IshiharaやPhDのJoseph AzzarelliとMarkrete Krikorianらが共著している。

“しかし今の兵士は毒ガスを検知するウェアラブルセンサーを身につけていない。検出装置はいろいろあるが、身につけて動き回れるようなものではない。われわれのセンサーは、紙よりも軽い”、とSwagerは語る。

簡単に言うとそのセンサーは、カーボンナノチューブを搭載した回路だ。カーボンナノチューブは筒状に連なった炭素分子で、細いワイヤーのように見える。

Swagerはこう説明する: “通常のワイヤー、たとえば電気のコードなどは、プラスチックで包まれて外界と遮断され、ユーザーを安全にしている。しかしカーボンナノチューブは、プラスチックなどで包んで絶縁を実現することができない。われわれの場合はナノチューブをポリマーで包んでいる”。

サリンガスのような毒ガスに触れると、ポリマーが壊れて絶縁がなくなる。そのためナノチューブが互いに接触して伝導性を持つようになり、信号がスマートフォンなどへ送信される。

信号の送信はNFCで行われるので、スマートフォンなどのワイヤレスデバイス側にもNFCの能力が必要だ。また、NFCはその名(near-field communication)のとおり、伝達距離が短い。ただし、インターネットがなくても通信できる利点がある。

センサーの反応は不可逆性なので、一定の量の毒ガスを検知し報告したら、その後空気中にガスが検出されなくても、検知〜報告量は下(さ)がらない。

“可逆的に反応するセンサーもある。そういうセンサーでは現在の検知量に応じて信号が変化(増減)する。しかしこのセンサーは違う。反応が不可逆的なので、総量が分かる”、とSwagerは述べる。

ウェアラブルのバッジと通信装置から成る毒ガス検出器は、労働者が毒性の化学物質に触れがちな各種の工場などで、民間の需要もありえるだろう。

Swagerによると、この製品を作り出す技術はすでにマサチューセッツ州ケンブリッジのC2Sense社にライセンスされている。商用製品の開発にも取り組んでおり、それには少なくとも1年はかかる、ということだ。

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(翻訳:iwatani(a.k.a. hiwa))

Neverfrostのフロントガラス用ナノ素材皮膜は飛び石の衝撃をやわらげ着霜を防ぐ

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ぼくは、ロックなら何でも好きだ。ロックミュージックも、ロックガーデンも、Dwayne “The Rock” Johnsonも。

でも、一つだけ大嫌いなロックがある。ドライバーなら誰もが嫌いだろう。時速70マイルで走ってるときに車のフロントガラスにぶち当たるロックだ。

ほかに、こんなに小さいくせに人の一日を台無しにできる物が、あるだろうか? ない。すべてがうまくいってる。お天気も良い。ちょっと、コーヒーでも飲んでから行こうか。ガツン! 完全に無傷だったガラスに、2インチのひびが入っている。

今Y Combinatorが面倒見ているカナダのウォータールー出身のNeverfrostは、フロントガラスを強化して飛び石にやられないようにする。それと同時に、フロントガラスに霜が着かない(着霜しない)ようにもする。また、車内のエアコンの電力消費量を節約する。

Neverfrostが生まれたのは、ウォータールー大学工学部のナノテクノロジー研究事業からだ。そこで同社のファウンダKhanjan DesaiとChong Shenが、4学年の設計プロジェクトとしてこれをやっていた。

Neverfrostの特殊皮膜は次のことができる:

  • フロントガラスの着霜を95%防ぐ。ひどく寒い夜には着霜するが、その霜はふつうよりも薄い。また雪が付着しないので、払い落としやすい。
  • フロントガラスの対衝撃強度が6倍になる。日よけ皮膜などと違って、皮膜が外側にあり、材質がガラスよりもやや柔らかい。石が当たったとき、衝撃が広い面に拡散する。
  • 太陽の赤外線の熱を90%透過しない。これにより太陽の総エネルギーの40%しか車内に入らない。エアコンの節約運転ができ、そのぶん車の燃料も節約する。
  • 可視光線の88%を通す。これは通常のフロントガラスの透過量より約2%少ないだけなので、合衆国とカナダでは合法である。

(以上の数値はすべて、同社発表による。実際に発売されたら、石をぶつけてテストしてみたい。)

同社は具体的な原料を明かさないが、説明によるとそれは、“ナノサイズの複合物質をサンドイッチして厚さ100マイクロメートルのフィルムにしたもの”、だそうだ。

ではどうやって、Neverfrostを自分の車のフロントガラスにできるのか?

今のところ、それはできない。フロントガラスの交換等は公認の自動車整備士にしかできない。また当製品の主なディーラーはカリフォルニアとオンタリオのトラック専門の整備店で、なぜかというと、毎日長時間、生活のためにトラックを運転している人たちがいちばん、フロントガラスのひび割れや霜に悩まされているからだ。

ただし、秋ごろには消費者向け製品も出したい、と彼らは言っている。詳しいことは、ここを読んで

なお、YC支援の企業としては珍しく、Neverfrostは当面、シリコンバレーに拠を構えるつもりはない。シリコンバレーは比較的温暖な土地なので、雪や霜のテストがやりにくいのだ。

nf

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(翻訳:iwatani(a.k.a. hiwa

次のイノベーションの主役はナノテクだ: Nanotronics Imaging CEO Matthew Putmanインタビュー

ナノテクノロジの企業を創るには、Matthew Putmanのような天才的学際人こそがふさわしいに違いない。すぐれたミュージシャンであり、科学研究者であり、大学教授であり、そして演劇のプロデューサでもあるPutmanの、最新のテク系スタートアップNanotronics Imagingは、ニューヨークのブルックリンに本社を置くナノテクノロジの先進的企業で、Peter Thielのような著名な投資家が投資家および取締役として名を連ねている。

しかもブルックリンは、Putman曰く、今やテクノロジとクリエティビティの温床どころかホットな熱床だ。とりわけ、メーカームーブメントを支える重要なアーチストや、知のイノベータ、技術者などが多く集まっている。Putmanによると、今ではシリコンバレーよりも、学際性に富むイーストコーストの方が、はるかにエキサイティングだ。

ナノテクノロジは過去50年間、“すべての科学者の夢”だった、とPutmanは説明する。ムーアの法則(Moore’s Law)を無限に拡張し、癌を撲滅するだろう。そして今重要なのは、それらの夢が実現可能になりつつあることだ。彼は約束する、2014年にはNanotronics Imagingのような企業が、テクノロジの世界だけでなく、医療をはじめあらゆる産業に真の革命をもたらす、と。

 

 

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(翻訳:iwatani(a.k.a. hiwa))