ナノテクノロジー

ナノテクノロジーとは、少なくとも1つの次元が1～100ナノメートル（nm）のサイズである物質の操作のことです。このスケールは一般にナノスケールとして知られており、物質の特性を記述する上で表面積と量子力学的効果が重要になります。このナノテクノロジーの定義には、これらの特殊な特性を扱うあらゆる種類の研究と技術が含まれます。スケールが共通の特徴である研究やアプリケーションを指す場合、複数形の「ナノテクノロジー」や「ナノスケール技術」がよく見られます。^{[ 1 ]}ナノテクノロジーの以前の理解では、マクロスケールの製品を製造するため原子や分子を精密に操作するという特定の技術的目標が言及されており、これは現在分子ナノテクノロジーと呼ばれています。^{[ 2 ]}

「ナノテクノロジー」のほぼ同義語はナノサイエンス（すなわち、ナノ物理学、ナノ化学、ナノ生物学、ナノインフォマティクス）ですが、「ナノサイエンス」という用語は、この分野の純粋科学的な側面を強調するのに対し、ナノテクノロジー、方法、プロセス（例えば、ナノリソグラフィーやナノバイオセンシング）は、応用ナノサイエンス（例えば、ナノエンジニアリングやナノメディシン）の具体的な成果物です。

スケールによって定義されるナノテクノロジーには、表面科学、有機化学、分子生物学、半導体物理学、エネルギー貯蔵^{[ 3 ] [ 4 ] [ 5 ]} 、工学^{[ 6 ]} 、マイクロファブリケーション^{[ 7} ] 、分子工学^{[ 8 ]}などの科学分野が含まれます。関連する研究と応用は、従来のデバイス物理学の拡張から^{分子自己組織化[9]}、ナノスケール^の寸法を持つ新しい材料の開発から原子スケールでの物質の直接制御まで多岐にわたります。

ナノテクノロジーは、ナノ医療^{[ 10 ]}、ナノエレクトロニクス、農業分野、バイオマテリアル、エネルギー生産、消費財^{[ 11 ]}など、多様な用途を持つ新しい材料やデバイスを生み出すことができる可能性がある。しかし、ナノテクノロジーは、ナノ材料の毒性や環境への影響^{[ 12 ]} 、世界経済への潜在的な影響、さまざまな終末シナリオなど、問題を引き起こしている。これらの懸念から、擁護団体や政府の間で、ナノテクノロジーの特別な規制が必要かどうかについての議論が起こっている。

ナノテクノロジーの礎となった概念は、1959年に物理学者のリチャード・ファインマンが講演「底にはまだまだ空間がある」の中で初めて論じたもので、彼は原子を直接操作することによる合成の可能性について述べた。

「ナノテクノロジー」という用語は、 1974年に谷口典雄によって初めて使用されたが、広く知られてはいなかった。ファインマンの概念に触発されたK・エリック・ドレクスラーは、 1986年の著書『創造のエンジン：ナノテクノロジーの到来』で「ナノテクノロジー」という用語を使用し、この本は広く成功を収め、ナノテクノロジーを一般に普及させるのに貢献した。^{[ 13 ]}この本の中で、彼は原子レベルの制御で、自身や他の任意の複雑さのアイテムのコピーを構築できるナノスケールの「アセンブラー」のアイデアを提案した。また、1986年には、ドレクスラーはナノテクノロジーの概念と影響に対する一般の認識と理解を高めるために、フォアサイト研究所を共同設立した。

1980年代にナノテクノロジーが分野として出現したのは、概念的枠組みを開発し普及させたドレクスラーの理論的かつ公的な研究と、その将来性にさらに注目を集めた実験的進歩の融合によるものでした^{[ 14 ]}。1980年代には、2つのブレークスルーがナノテクノロジーの成長を促しました。まず、 1981年に走査型トンネル顕微鏡が発明され、個々の原子と結合を可視化できるようになり、1989年には個々の原子を操作することに成功しました。顕微鏡の開発者であるIBMチューリッヒ研究所のゲルト・ビニッヒとハインリッヒ・ローラーは、 1986年にノーベル物理学賞を受賞しました^{[ 15 ] [ 16 ]。}ビニッヒ、クアテ、ゲルバーは、同年、類似の原子間力顕微鏡も発明しました。

ハリー・クロトー（左）は、1985年のバックミンスターフラーレンの発見により、リチャード・スモーリー（右）とロバート・カールとともに1996年のノーベル化学賞を受賞し、飯島澄雄（中央）は、1991年のカーボンナノチューブの発見により、2008年の第1回カブリナノサイエンス賞を受賞しました。

第二に、フラーレン（バッキーボール）は、1985年にハリー・クロトー、リチャード・スモーリー、ロバート・カールによって発見され、彼らは1996年のノーベル化学賞を共同受賞しました。^{[ 17 ] [ 18 ]} C60_{は当初ナノテクノロジーとは呼ばれていませんでした。この用語は、関連する}カーボンナノチューブ（グラフェンチューブまたはバッキーチューブと呼ばれることもあります）に関するその後の研究で使用され、ナノスケールの電子機器やデバイスへの潜在的な応用が示唆されました。カーボンナノチューブの発見は、1991年にNECの飯島澄雄によるものとされており、 ^{[ 19 ]}飯島はこの発見により、2008年の第1回カブリ賞ナノサイエンス部門を受賞しました。

2000年代初頭、この分野は科学、政治、商業の面で注目を集め、論争と進歩の両方をもたらした。ナノテクノロジーの定義と潜在的な影響に関する論争が起こり、王立協会のナノテクノロジーに関する報告書にその例が見られる。^{[ 20 ]}分子ナノテクノロジーの提唱者が想定する応用の実現可能性に関する課題が提起され、2001年と2003年にドレクスラーとスモーリーの間で公開討論が行われた。^{[ 21 ]}

一方、ナノスケール技術の進歩に基づいた商用製品が登場し始めた。これらの製品はナノ材料の大量利用に限られ、物質の原子レベルでの制御は含まれていなかった。例としては、銀ナノ粒子を抗菌剤として利用するシルバーナノプラットフォーム、ナノ粒子ベースの日焼け止め、シリカナノ粒子を用いた炭素繊維の強化、防汚性繊維用のカーボンナノチューブなどが挙げられる。 ^{[ 22 ] [ 23 ]}

各国政府はナノテクノロジーの研究を促進し資金を提供する動きを見せており、例えばアメリカでは、ナノテクノロジーのサイズに基づく定義を正式に定め、研究資金を確立した国家ナノテクノロジーイニシアチブがあり、ヨーロッパでは、欧州研究技術開発枠組み計画を通じて同様の動きが見られた。

2000年代半ばまでに、科学界の注目が高まり始めた。ナノテクノロジーのロードマップは、物質の原子レベルでの精密な操作を中心とし、既存および予測される能力、目標、および応用について議論した。^{[ 24 ] [ 25 ]}

ナノテクノロジーとは、分子レベルで機能するシステムを研究・構築する科学技術である。本来の意味では、ナノテクノロジーとは、ボトムアップ方式で部品を構築し、高性能な製品を完成させる能力を指す。

1ナノメートル（nm）は1メートルの10億分の1、つまり10⁻⁹です^。これに対し、典型的な炭素-炭素結合長、つまり分子内のこれらの原子間の間隔は0.12～0.15 nmの範囲であり、DNAの直径は約2 nmです。一方、最小の細胞生命体であるマイコプラズマ属の細菌は、長さが約200 nmです。慣例として、ナノテクノロジーは、米国国立ナノテクノロジーイニシアチブが使用する定義に従って、1～100 nmのスケール範囲とみなされます。下限は原子の大きさによって決まります（水素は最小の原子を持ち、その運動直径は約25 nmです）。上限は多かれ少なかれ任意ですが、より大きな構造では観察されない現象が明らかになり、利用できるようになるサイズ付近です。^{[ 26 ]}これらの現象により、ナノテクノロジーは、同等のマクロデバイスを単に小型化しただけのデバイスとは区別されます。そのようなデバイスはより大規模であり、マイクロテクノロジーの範疇に入ります。^{[ 27 ]}   

そのスケールを別の文脈で説明すると、ナノメートルとメートルの相対的な大きさは、ビー玉と地球の大きさの比と同じです。^{[ 28 ]}

ナノテクノロジーでは主に2つのアプローチが用いられます。「ボトムアップ」アプローチでは、分子認識の原理によって化学的に自己組織化する分子コンポーネントから材料やデバイスが構築されます。^{[ 29 ]}「トップダウン」アプローチでは、原子レベルの制御なしに、より大きな実体からナノオブジェクトが構築されます。^{[ 30 ]}

ナノエレクトロニクス、ナノメカニクス、ナノフォトニクス、ナノイオニクスといった物理学の分野は、ナノテクノロジーの科学的基盤を提供するように発展してきた。

大きいものから小さいものへ：材料の観点から

システムのサイズが大きくなるにつれて、いくつかの現象が顕著になります。これには、統計力学的効果や量子力学的効果が含まれます。例えば、「量子サイズ効果」では、粒子サイズの減少に伴って固体の電子特性が変化します。このような効果はマクロやミクロの次元では適用されません。しかし、ナノメートルスケールになると量子効果が重要になることがあります。さらに、物理的（機械的、電気的、光学的など）特性もマクロなシステムとは異なってきます。例えば、表面積対体積比の増加によって、材料の機械的、熱的、触媒的特性が変化します。拡散や反応も異なる可能性があります。高速イオン輸送を伴うシステムはナノイオニクスと呼ばれます。ナノシステムの機械的特性は研究において注目されています。

分子ナノテクノロジー：長期的な展望

分子ナノテクノロジー（分子製造とも呼ばれる）は、分子スケールで動作する人工ナノシステム（ナノスケールマシン）に関する技術である。分子ナノテクノロジーは特に分子アセンブラーと関連が深く、これはメカノシンセシスの原理を用いて原子レベルで所望の構造やデバイスを製造できる機械である。生産的なナノシステムにおける製造は、カーボンナノチューブやナノ粒子といったナノ材料の製造に用いられる従来の技術とは異なる。

ドレクスラーが独自に「ナノテクノロジー」という用語を考案し普及させたとき、彼は分子機械システムに基づいた製造技術を構想していた。その前提は、従来の機械部品の分子スケールでの生物学的類似例が、分子機械の実現可能性を実証しているというものだった。生物学には、高度で確率的に最適化された生物学的機械の例が数多く存在する。

ドレクスラーと他の研究者^{[ 31 ]}は、高度なナノテクノロジーは最終的には機械工学の原理、すなわち、原子レベルの仕様に基づいてプログラム可能な位置アセンブリを可能にする、これらのコンポーネント（ギア、ベアリング、モーター、構造部材など）の機械的機能に基づく製造技術に基づいている可能性があると提案している^{[ 32 ]} 。ドレクスラーの著書『ナノシステム：分子機械、製造、計算』では、代表的な設計の物理的および工学的性能が分析されている^{[ 2 ]}。

一般的に、原子スケールでデバイスを組み立てるには、同程度の大きさで粘着性のある原子を他の原子上に配置する必要があります。カルロ・モンテマーニョは、将来のナノシステムはシリコン技術と生物学的分子機械のハイブリッドになると考えています。^{[ 33 ]}リチャード・スモーリーは、個々の分子を機械的に操作することが困難であるため、メカノ合成は不可能だと主張しました。^{[ 34 ]}

このことがきっかけとなり、 2003年にアメリカ化学会の出版物であるChemical & Engineering Newsで書簡のやり取りが行われた。^{[ 35 ]}生物学は分子機械が可能であることを明確に示しているが、非生物学的分子機械は初期段階にとどまっていた。アレックス・ゼットルとローレンス・バークレー研究所およびカリフォルニア大学バークレー校の同僚^{[ 36 ]}は、電圧の変化によって動きが制御される少なくとも3つの分子デバイス、すなわちナノチューブナノモーター、分子アクチュエータ^{[ 37 ] 、およびナノ電気機械緩和発振器[ 38 ]}を構築した。

1999年、コーネル大学のホーとリーは走査型トンネル顕微鏡を用いて、平らな銀結晶上に置かれた個々の一酸化炭素分子（CO）を個々の鉄原子（Fe）に移動させ、電圧を印加することでCOをFeに化学的に結合させた。^{[ 39 ]}

2008年8月21日現在、新興ナノテクノロジープロジェクトは、製造業者が特定したナノテクノロジー製品が800以上一般に入手可能であり、新しい製品が週に3～4個のペースで市場に出回っていると推定している。^{[ 23 ]}ほとんどの用途は「第一世代」の受動ナノ材料であり、これには日焼け止め、化粧品、表面コーティング^{[ 65 ]}、および一部の食品に含まれる二酸化チタン、ヤモリテープの製造に使用される炭素同素体、食品包装、衣類、消毒剤、および家庭用電化製品に含まれる銀、日焼け止めや化粧品、表面コーティング、塗料、屋外家具用ニスに含まれる酸化亜鉛、および燃料触媒としての酸化セリウムが含まれる。^{[ 22 ]}

電気自動車業界では、単層カーボンナノチューブ（SWCNT）が、エネルギー密度、充電速度、耐用年数、コストなど、リチウムイオン電池の主要な課題に対処しています。SWCNTは、充放電プロセス中に電極粒子を接続し、電池の早期劣化を防ぎます。活性物質粒子を包み込む優れた能力により、電気伝導性と物理的特性が向上し、多層カーボンナノチューブやカーボンブラックとは一線を画しています。^{[ 66 ] [ 67 ] [ 68 ]}

さらに、テニスボールの寿命を延ばしたり、ゴルフボールの飛距離を伸ばしたり、ボウリングボールの耐久性を高めたりといった応用も可能になる。ズボンや靴下にはナノテクノロジーが組み込まれ、長持ちし、夏場の温度上昇を抑えることができる。包帯には銀ナノ粒子が組み込まれ、切り傷の治癒を早める。^{[ 69 ]}ビデオゲーム機やパーソナルコンピュータは、ナノテクノロジーのおかげで、より安価で高速になり、メモリ容量も増える可能性がある。^{[ 70 ]}また、例えばオンチップ光量子情報処理やピコ秒の情報伝送など、光を用いたオンチップコンピューティングのための構造を構築することも可能になる。^{[ 71 ]}

ナノテクノロジーは、既存の医療用途をより安価で使いやすくし、診療所や家庭などの場所で利用できるようにする可能性を秘めている。^{[ 72 ]}自動車はナノ材料を使用することで、将来的に自動車部品の製造に必要な金属の量を減らし、燃料消費量を削減できる可能性がある。^{[ 73 ]}

ナノカプセル化とは、活性物質を担体内に封入することです。通常、これらの担体は、バイオアベイラビリティの向上、制御放出、標的送達、および封入物質の保護などの利点を提供します。医療分野では、ナノカプセル化は薬物送達において重要な役割を果たします。より効率的な薬物投与を促進し、副作用を軽減し、治療効果を高めます。ナノカプセル化は、水溶性の低い薬物のバイオアベイラビリティを改善し、制御された持続的な薬物放出を可能にし、標的療法の開発を支援するのに特に役立ちます。これらの特徴は、総合的に医療処置と患者ケアの進歩に貢献します。^{[ 74 ] [ 75 ]}

ナノテクノロジーは組織工学において役割を果たす可能性があり、足場を設計する際には、研究者は細胞の微小環境のナノスケールの特徴を模倣して、適切な系統への分化を誘導しようと試みる。^{[ 76 ] [ 77 ]}例えば、骨の成長をサポートする足場を作成する際には、研究者は破骨細胞の吸収ピットを模倣する可能性がある。^{[ 78 ]}

研究者らは、ゴキブリへの薬剤送達を標的とする論理機能を実行できるDNA折り紙ベースのナノボットを使用した。 ^{[ 79 ]}

ナノテクノロジーへの若者の関心を高めるために、テクニオンはナノバイブル（0.5mm2のシリコンチップ）を作成した。 ^{[ 80 ]}

ナノ毒性学の研究が示唆するように、ナノ材料の工業規模での製造と使用が人間の健康と環境に及ぼす影響が懸念事項の一つです。これらの理由から、一部のグループはナノテクノロジーの規制を提唱しています。しかし、規制は科学研究や有益なイノベーションの開発を阻害する可能性があります。国立労働安全衛生研究所などの公衆衛生研究機関は、ナノ粒子への曝露に起因する潜在的な健康影響を研究しています。^{[ 81 ] [ 82 ]}

ナノ粒子製品には意図しない結果が生じる可能性がある。研究者らは、足の臭いを軽減するために靴下に使用されている静菌性銀ナノ粒子が洗濯時に放出されることを発見した。^{[ 83 ]}これらの粒子はその後、廃水流に流れ込み、自然生態系、農場、廃棄物処理プロセスの重要な構成要素である細菌を破壊する可能性がある。^{[ 84 ]}

米国と英国でナノテクノロジー社会センターが実施したリスク認識に関する公開討論では、参加者はエネルギー用途のナノテクノロジーに対しては健康用途よりも肯定的であり、健康用途ではコストや入手可能性などの道徳的および倫理的なジレンマが生じることがわかった。 ^{[ 85 ]}

ウッドロー・ウィルソン・センターの新興ナノテクノロジー・プロジェクトのディレクターであるデビッド・レジェスキーを含む専門家は、商業化は適切な監督、リスク調査戦略、および市民の関与に依存すると証言した^{[ 86 ]}。2006年現在、カリフォルニア州バークレーはナノテクノロジーを規制している唯一の米国の都市である^{[ 87 ] 。}

ナノテクノロジーの規制強化を求める声は、人間の健康と安全のリスクに関する議論と並行して上がっている。^{[ 99 ]}一部の規制機関は、既存の規制にナノテクノロジーを「追加」することで、一部のナノテクノロジー製品とプロセスを対象としているが、明確な抜け穴が残っている。^{[ 100 ]}デイビスは、これらの欠点に対処するための手順を説明したロードマップを提案した。^{[ 101 ]}

ウッドロー・ウィルソン・センターの新興ナノテクノロジー・プロジェクトの主任科学顧問であるアンドリュー・メイナード氏は、人間の健康と安全に関する研究への資金が不足しており、その結果、人間の健康と安全のリスクについての理解が不十分であると報告した。^{[ 102 ]}一部の学者は、予防原則のより厳格な適用、販売承認の遅延、ラベル表示の強化、および追加の安全データを求めている。 ^{[ 103 ]}

王立協会の報告書は、廃棄、破壊、リサイクル中にナノ粒子やナノチューブが放出されるリスクを指摘し、「使用済み製品規制などの拡大生産者責任制度の対象となる製品の製造業者は、これらの物質が人や環境への曝露を最小限に抑えるためにどのように管理されるかを概説する手順を公表すべきである」と勧告した。^{[ 20 ]}

• ナノテクノロジーとは何か？（Vega/BBC/OUによるビデオディスカッション）