ブロックコポリマーと呼ばれる自己組織化材料は、予測可能で規則的なさまざまなパターンを形成することが知られているが、現在では、はるかに複雑なパターンに作り上げることができるようになり、材料設計の新たな分野を切り開く可能性がある、とMITの研究チームは述べている。
今回の新たな知見は、学術誌Nature Communicationsに掲載された論文で発表された。筆頭著者はポスドクのYi Ding氏で、共著者は材料科学工学の教授であるAlfredo Alexander-Katz氏とCaroline Ross氏を含む3名である。
「これは、ある意味で偶然の発見でした」とAlexander-Katz氏は語る。「誰もがこれは不可能だと考えていました」と同氏は、ポリマーが規則的で対称的な配列から逸脱したパターンへと自己組織化することを可能にする現象を研究チームが発見したことについて説明している。
自己組織化ブロックコポリマーは、当初は無秩序な鎖状分子が、自発的に配列して周期的な構造を形成する材料である。研究者らは、基板上に線や柱の繰り返しパターンを作成し、その表面にブロックコポリマーの薄膜を形成すると、基板のパターンが自己組織化した材料に複製されることを発見していた。しかし、この方法で作れるのは、点や線の格子のような単純なパターンのみであった。
新たな手法では、互いに一致しない2種類の異なるパターンが存在する。1つは基板材料に刻まれた一連の突起または線によるもので、もう1つは自己組織化コポリマーによって生じる固有のパターンである。例えば、基板上に長方形のパターンがあり、コポリマーが自ら形成する六角形の格子があるかもしれない。その場合、得られるブロックコポリマーの配列は秩序が乏しくなると予想されるが、研究チームが見出したのは、そうではなかった。代わりに「はるかに予想外で複雑な何かを形成していた」とRoss氏は述べる。
微妙でも複雑な秩序の形態が明らかになった。わずかに異なるが規則的なパターンを形成する相互に入り組んだ領域であり、通常の結晶のように正確には繰り返さない準結晶に類似した種類のものである。今回の場合、パターンは繰り返すものの、通常の結晶よりも長い距離にわたって繰り返す。「ブロックコポリマー材料を用いて、表面にこれらのパターンを作り出すために、分子の過程を活用しています」とRoss氏は述べている。
これは、光学システムや、電磁放射が正確に調整された方法で電子と共振する「プラズモニックデバイス」向けに、特性を調整したデバイスを作製する新たな方法への扉を開く可能性がある、と研究者らは述べている。こうしたデバイスには、ナノスケールの寸法を持つパターンの非常に正確な位置決めと対称性が必要であり、今回の新手法はそれを実現することができる。
学部生としてこのプロジェクトに携わったKatherine Mizrahi Rodriguez氏は、研究チームがこれらのブロックコポリマー試料の多くを作成し、走査型電子顕微鏡で観察したと説明している。博士論文のためにこの研究に取り組んでいたYi Ding氏は、「何か興味深いパターンが現れないか、何度も繰り返し見直し始めました」と同氏は述べる。「そこから、これらの新たな知見が次々と生まれていったのです」。
その結果生じた奇妙なパターンは、「ポリマーが形成したがるパターンと鋳型との間の対立の結果」であるとAlexander-Katz氏は説明する。この対立により元の対称性が崩れ、その内部に異なる種類の対称性を持つ新たな小領域が形成される、と同氏は述べる。「これは自然が見出した解決策です。この2つのパターンの関係に適合させようとする過程で、両方のパターンを崩す第三のものが生まれるのです」。研究者らは、新たなパターンを「超格子」と表現している。
これらの新規構造を作り出した後、研究チームはプロセスを説明するモデルの開発に取り組んだ。共著者であるKarim Gadelrab氏(2019年博士課程修了)は、「モデリングの研究により、出現したパターンが実際に熱力学的に安定していることが示され、新たなパターンが形成される条件が明らかになった」と述べている。
Ding氏は「熱力学の観点から、このシステムを完全に理解しています」と述べ、自己組織化のプロセスは「微細なパターンを作り出し、そうでなければ製造が困難な、いくつかの新しい対称性にアクセスすることを可能にする」と語っている。
同氏は、これによって光学材料およびプラズモニック材料の設計における既存の制約のいくつかが取り除かれ、材料設計にとって「新たな道を切り開く」と述べている。
これまでに研究チームが行ってきた取り組みは二次元の表面に限られてきたが、進行中の研究では、このプロセスを三次元へと拡張することを目指しているとRoss氏は述べている。「三次元の製造は、ゲームチェンジャーとなるでしょう」と同氏は述べる。現在のマイクロデバイスの製造技術は、一度に一層ずつ積み上げて作られるが、「一度に3Dで物体全体を構築できれば」、プロセスははるかに効率的になる可能性がある、と同氏は語る。
これらの知見は、「コポリマー単独では実現できない対称性を持つナノ製造用の鋳型を生成する新たな道筋を開く」ものであると、本研究に関与していないマサチューセッツ大学アマースト校のSilvio O. Conte高等研究教授（高分子科学工学）Thomas P. Russell氏は述べている。同氏はさらに、これは「原稿で論じられているもの以外の対称性を発見するために、広大なパラメータ空間を探索する可能性を開く」ものだと付け加えている。
Russel氏は「この研究は最高水準のものである」と述べ、さらに「理論と実験の組み合わせは非常に強力であり、本文からも分かるように、両者の一致は驚くほど良好である」と付け加えている。
