ナノサイズの分子ベアリングでは、ほぼ摩擦のない回転運動が可能であることを発見 東大

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分子ベアリングの結晶構造(上から見た図)

東京大学は2018年5月15日、ナノサイズの分子のベアリング(軸受)においては、ほとんど摩擦のない回転運動(慣性回転)が可能であることを発見したと発表した。回転速度の測定は固体試料で行われ、固体内での束縛があるのに加えて、「筒」分子と「回転子」分子間に強い相互作用が存在するにも関わらず、滑らかな慣性回転が可能であることを示した。

通常は分子と分子が接触すると、相互作用が生じて接触した分子は動きにくくなる。このときの分子の運動はブラウン運動や拡散運動として知られ、分子同士の接触や衝突によって分子の動きが変化する。大きく重い物体では「慣性」に支配された慣性運動が主に観測されるが、小さく軽い分子では分子間の相互作用が無視できないため、一般に慣性運動が観測されにくい。

同大学の磯部寛之教授らの研究グループは、炭素原子と水素原子から、筒状の分子の中に球状の分子を閉じ込めた新しい物質を合成。この物質は、筒の中の球状分子が回転し、「分子ベアリング」を作っている。

分子ベアリングの結晶構造(横から見た図)。枠(赤)がベアリングの筒状分子。内部の球状分子(C60)は複数の位置に観察され、その場で回転していることを示唆している。

同研究グループは結晶解析により、固体中での筒内の球状分子の回転が温度に依存していそうだということを発見。温度を上げると回転の方向が乱れた。

分子ベアリングの電子密度分布を示した図。黒い部分が電子の存在する場所を示している。温度を上げることで、内部の球状分子由来の電子の存在する場所が分散している。

次に、研究グループは、内部の球状分子の回転速度を精密に測定。その結果、内部の球状分子の回転が慣性回転となっていることを明らかにした。213GHzの超高速回転を60度で記録したという。

筒状分子と球状分子は、極めて密接に接触しており、その間の相互作用は非常に強い。さらに今回の測定はすべて固体の状態で行われ、固体内での束縛も存在。それにも関わらず、滑らかな慣性回転が発生している。分子間相互作用を主因に摩擦が生じる大きな物体とは対照的に、ナノサイズの物質では分子間相互作用が大きくとも、ほとんど摩擦がないベアリングが実現できることが示された。

筒状分子は、キラリティと呼ばれる右巻きのらせん構造をもっている。ボルトの中のらせん状の溝と同じ対称性であることから、今後はさらに、運動方向の制御などが可能になると期待されるという。また、筒状分子は単層カーボンナノチューブの「剛直で筒状」という構造を模した分子であることから、カーボンナノチューブの中でも同じような奇妙な物理現象が起こりうるとしている。

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