想像を絶する極小の世界。ナノ粒子を、そのサイズに基づいて色分けする技術の登場

・新しい色分け技術は、ナノ粒子のサイズを確定するための迅速な視覚的マーカーとして使用できる。
・色は、少なくとも8ナノメートルのサイズの違いを判断できるほど区別できる。

 

色分けは、抵抗器、インダクター、コンデンサーの値や定格を示す電子部品であれ、フォルダや地下鉄の路線などのアイテムを整理する単純な方法であれ、ほとんどすべての分野で使われています。

 

電磁気学においては、微小粒子による光の散乱は、近代史を通じて多くの関心を集めてきた基本概念のひとつです。共鳴散乱は強い局所磁場を特徴とし、分光法によって分析できるため、ナノ粒子の数多くの応用が可能になりました。

 

このたび、アメリカのミシガン大学の科学者チームがナノ粒子に色分けを適用し、研究者がそのサイズを迅速に推測できるようにしました。これは、生体センサー、薬物送達システム、機械チップのリソグラフィ、高度なコーティングなど、様々な用途に応用できる可能性があります。

 

この研究では、シリカナノ粒子と呼ばれる、屈折率の低い特別なタイプの粒子を使用しました。シリカナノ粒子の波長は390nmから700nm（可視光の波長も同じ範囲に入る）であるため、光とあまり相互作用しません。そのため、肉眼ではほとんど見えません。

 

【ナノ粒子は、100nm（ナノメートル）以下の直径の粒子。1nmは１メートルの10億分の１。イメージ的には、1nmは髪の毛の太さの10万分の1。】

 

ナノ粒子はどのようにして様々な色に輝くのか？

科学者チームは、ナノ粒子をそのサイズに応じて輝かせることができることを発見しました。必要なのは、個々のナノ粒子に金属のキャップをつけることだけです。直径486nmの大きなナノ粒子は赤みを帯び、421nmの小さなナノ粒子は緑色に見えます（下の画像）。これらの色は、少なくとも8nmの大きさの違いを判断できるほど区別できます。

 

金属被覆二酸化ケイ素ナノスフィアの走査型電子顕微鏡画像
出典：科学者チーム

 

これを可能にするため、科学者チームはまず、ナノ粒子のMie共鳴（可視光を弱くまたは強く散乱させるサイズ）を区別しました。より具体的には、電磁平面波の散乱を表現するために均質な球体を使います。そして、Mie共鳴を光で見えるように改良しました。

 

チームは、スライドガラスを薄い金膜でコーティングし、その上にシリカナノ粒子を散布し、さらに別の薄い金膜でコーティングしました。これにより、粒子が光を捕捉する機能が強化され、暗視野顕微鏡で観察したときに見えるようになったのです。

 

現在、粒子のサイズ測定には動的光散乱法が用いられています。これは、試料にレーザーパルスを照射し、一定時間にわたって走査型電子顕微鏡で粒度分布を分析するものです。

 

一方、今回の新しい技術は、従来の方法よりも精度が高いものです。また、走査型電子顕微鏡は高価なセットアップが必要で、一度に1つの粒子しか扱えませんが、新しい手法では一度に複数のナノ粒子のサイズ測定が可能です。

 

結論：2段階の成膜プロセスによって生成された金属被覆は、低指数ナノ粒子のMie共鳴を著しく増大させます。これにより、境界反射が強化され、低指数ナノ粒子の光閉じ込め能力が向上します。

 

さらに、増強されたMie共鳴において、高電場は強い循環変位電流を誘導し、その結果、合理的な磁気応答が得られます。これは、屈折率やサイズの微細な変化を感知するために使用できます。

 

応用例

研究者はこの技術を使って、ナノ粒子のサイズを確認し、ナノ粒子がペイロードを運ぶときの色の変化（屈折率の変化による）を見ることができます。これによって医師は、ナノ粒子の色の変化を観察するだけで、ナノ粒子が分子を正しく拾い上げ、標的に送達していることを確認することができます。この色信号は、状態に変化があれば生体センサーに知らせることができます。

 

ナノ粒子のサイズとその量は、高度なコーティングの特性を変化させ、表面を粗くしたり滑らかにしたり、光を閉じ込めたり反射させたり、水を吸収したりはじいたりすることができます。

 

この方法はまた、センサーや機械チップ用のナノスフィアリソグラフィーにも応用できます。これは、粒子を均一なサイズに整列させ、回路を印刷するための精密なパターンを生成するものです。