(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に微細構造を作製する方法であって、
原子ステップを表面に有する基板を用意する工程と、
基板上に線状要素を与えることにより、基板表面の原子ステップに沿って延びるようにして線状要素が配向させられる結果、原子ステップに沿って延びた線状要素からなる微細構造が基板上に形成される工程と
を備え、
少なくとも前記原子ステップ端において基板表面が極性を有し、
前記線状要素は一様の極性を有する方法。
【請求項２】
基板上に線状要素を与える工程は、互いに会合して線状要素を形成可能な単位要素を基板上に与えることにより行われ、
前記単位要素は、βシート構造を形成可能なペプチド分子であり、
基板上に線状要素を与える工程は、前記ペプチド分子を水又は有機液体の液面上に展開浮遊させて液面上にペプチド単分子膜を形成し、ペプチド分子を前記基板表面に移し取る請求項１に記載の方法。
【請求項３】
原子ステップを表面に有し、原子ステップに沿って延びた線状要素からなる微細構造が上に設けられている基板において、少なくとも前記原子ステップ端において基板表面が極性を有し、前記線状要素は一様の極性を有する基板。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、原子ステップ、特に互いに平行な直線状の原子ステップを表面に有する基板上に、原子ステップに沿って延びた線状要素からなる微細構造を作製する方法、及びそのような微細構造を備えた基板に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ラングミュア・ブロジェット法（略してＬＢ法）などの方法を用いてポリペプチドなどの微小物質を基板上に規則的に配列させることにより、基板上に微細秩序構造を作製する技術が知られている（例えば特許文献１参照）。こうして基板上に作製された微細秩序構造は、例えば、これを鋳型として利用して物理的に安定な素材へとネガコピーすることにより、様々な産業用途において適用可能な材料を提供するものであり、産業上の利用性が高い。
【０００３】
しかしながら、従来の微細秩序構造を作製する技術の場合、微小物質が基板上で規則的に配列される領域というのは基板上のごく一部に限られることが多い。すなわち、大面積の微細秩序構造を再現性よく得ることは容易ではないのが現状である。
【特許文献１】特開２００５−２０３４３３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
そこで、本発明の目的は、所定の方向に沿って精度良く延びた線状要素からなる微細構造を基板上に作製するための方法、及びそのような微細構造を備えた基板を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記の目的を達成するために、本発明の一態様では、基板上に微細構造を作製する方法であって、原子ステップを表面に有する基板を用意する工程と、基板上に線状要素を与えることにより、基板表面の原子ステップに沿って延びるようにして線状要素が配向させられる結果、原子ステップに沿って延びた線状要素からなる微細構造が基板上に形成される工程とを備え、少なくとも前記原子ステップ端において基板表面が極性を有し、前記線状要素は一様の極性を有する方法を提供する。
【０００６】
また、本発明の別の態様では、原子ステップを表面に有し、原子ステップに沿って延びた線状要素からなる微細構造が上に設けられている基板において、少なくとも前記原子ステップ端において基板表面が極性を有し、前記線状要素は一様の極性を有する基板を提供する。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、所定の方向に沿って精度良く延びた線状要素からなる微細構造を基板上に作製するための方法、及びそのような微細構造を備えた基板が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、本発明の一実施形態を説明する。
本実施形態では、互いに会合して線状に成長可能な単位要素が基板上に与えられる。ここで使用される単位要素の典型例としては、βシート構造を形成可能なペプチド分子が挙げられる。かかるペプチド分子は、βシート構造を形成し得る限り、アミノ酸配列の内容、アミノ酸残基の数、アミノ酸側鎖の種類等によって限定されない。βシート構造では、隣り合うペプチド分子同士は、一方のペプチド分子の主鎖のＮ−Ｈ基の水素原子と他方のペプチド分子の主鎖のＣ＝Ｏ基の酸素原子が互いに水素結合することにより、互いに平行又は逆平行に結合されている。
【０００９】
特に限定することを意図したものではないが、図１中の符号１０ａで示されるペプチド分子は、本実施形態において好適に用いられるペプチド分子である。ペプチド分子１０ａは、図１からも明らかであるように、化学式：ＣＨ３ＣＯ−（Ａｒｇ−Ｐｈｅ−Ａｓｐ−Ｐｈｅ）４−ＣＯＮＨ２で表される。ペプチド分子１０ａの主鎖では、親水性アミノ酸（アルギニン及びアスパラギン酸）と疎水性アミノ酸（フェニルアラニン）とが交互に出現している。このようなアミノ酸配列を有するペプチド分子は、βシート構造を優先的に形成するため、ペプチド分子１０ａだけに限らず、本実施形態において好適に用いられる。図１のペプチド分子１０ａは、長さが約５．５ｎｍ、太さが１ｎｍ以下である。
【００１０】
図１のペプチド分子１０ａがβシート構造を形成することにより得られるペプチドファイバー１０を図２に示す。図２に示されるように、ペプチドファイバー１０の隣り合うペプチド分子１０ａ同士は互いに逆平行である。ペプチドファイバー１０は、極性基であるアミノ基をＣ末端に有するペプチド分子が逆平行に並んで構成されたものであるため、一様な極性を有している。
【００１１】
本実施形態で使用される基板は、原子ステップを表面に有している。かかる基板は、互いに平行な直線状の原子ステップを表面に有していることが好ましい。表面に原子ステップを有する基板を用いることは、βシート構造を形成したペプチド分子、すなわち線状要素としてのペプチドファイバーを、基板上で特定の方向に沿って精度良く延びるようにして配向させるうえで欠かせない。その少なくとも一つの理由は、基板表面の原子ステップ端が高いダングリングボンド密度を有することであると考えられる。
【００１２】
本実施形態で使用される基板の典型例としては、超平坦化した炭化ケイ素基板、超平坦化したサファイア基板、超平坦化した酸化亜鉛基板が挙げられる。これらの基板の表面では、数十〜数百ｎｍの間隔で互いに平行な直線状の原子ステップが存在することが観察される。基板表面に原子ステップを得るべく基板を超平坦化する典型的な方法としては研磨が挙げられる。例えば、コロイダルシリカを用いて炭化ケイ素基板の表面を研磨することにより、本実施形態において好適に用いられる基板を得ることができる。一例として、コロイダルシリカスラリーを用いた回転バフ研磨により超平坦化した炭化ケイ素基板のＳｉ面及びＣ面の原子間力顕微鏡写真をそれぞれ図３Ａ及び図３Ｂに示す。炭化ケイ素基板のＳｉ面及びＣ面がそれぞれ、互いに平行な直線状の原子ステップを有することは同図から明白であろう。なお、図３Ａ及び図３Ｂに示す例では、平均粒子径０．１μｍのコロイダルシリカを３０質量％含有して残部が水からなるコロイダルシリカスラリーをｐＨ８に調整してから用いている。
【００１３】
ペプチド分子を基板上に与える典型的な方法としては、ラングミュア・ブロジェット法（略してＬＢ法）が挙げられる。ＬＢ法によりペプチド分子を基板上に与える場合にはまず、ペプチド分子を水又は有機液体の液面上に展開浮遊させて液面上にペプチド単分子膜を形成する。水又は有機液体の液面上でペプチド分子は、分子間水素結合により互いに平行又は逆平行に結合してβシート構造を形成する。その後、水又は有機液体の液面に対して垂直に基板を通過させることにより、水又は有機液体の液面上でβシート構造を形成しているペプチド分子、すなわちペプチドファイバーを基板表面に移し取る。このとき、基板表面の原子ステップ端に高密度で存在するダングリングボンドの作用により、一部のペプチドファイバーはそれぞれ、基板表面の原子ステップに沿って延びるようにして配向させられる。また、残りのペプチドファイバーはそれぞれ、原子ステップに沿って延びたペプチドファイバーのうち対応する隣り合うペアによって両端から物理的干渉を受ける結果、同ペアに対して平行となるように配向させられる。かくして、原子ステップに沿って延びたペプチドファイバーからなる微細構造、さらに言えば、互いに平行に並んだペプチドファイバーからなる微細構造が基板上に得られる。
【００１４】
ペプチドファイバーが基板表面の原子ステップに沿って延びるようにして配向するに際しては、原子ステップ端の極性が原子ステップ端のダングリングボンドと協働して作用する。すなわち、基板表面の原子ステップ端に極性が存在する場合、ペプチドファイバーを構成しているペプチド分子のＣ末端又はＮ末端の極性基と原子ステップ端との間に働くクーロン力もまた、基板表面の原子ステップに沿って延びるようにしてペプチドファイバーを配向させる働きをする。この点を鑑みると、ペプチドファイバーは、図２のペプチドファイバー１０のように、一様の極性を有していることが好ましい。
【００１５】
ＬＢ法においてペプチド分子を展開浮遊させるための液体として水を用いた場合、水面上に展開浮遊させたペプチド分子では、主鎖中の親水性アミノ酸が水面側を向き、疎水性アミノ酸が大気側を向く。この点、親水性アミノ酸と疎水性アミノ酸が交互に並んだ主鎖を有する図１のペプチド分子１０ａは、水面上にペプチド単分子膜を効率よく形成することができる点で有利である。また、図１のペプチド分子１０ａを用いてＬＢ法を行うに際しては、ペプチド分子１０ａが疎水性アミノ酸として疎水性の特に強いフェニルアラニンを使用していることも有利に働く。というのも、ＬＢ法において水面上にペプチド単分子膜を形成させるときには、ペプチド分子が水面上に確実に浮遊していること、すなわち大気と水の界面に確実に存在していることが肝要だからである。疎水性の特に強い疎水性アミノ酸としては、フェニルアラニンのほかにはロイシンが挙げられる。
【００１６】
例えば、図１のペプチド分子１０ａをＬＢ法あるいはその他の方法で炭化ケイ素基板のＣ面に与えると、ペプチド分子１０ａから構成されるペプチドファイバー１０の一部は、炭化ケイ素基板Ｃ面の原子ステップに沿って延びるようにして配向する。この配向には、Ｃ面の原子ステップ端に高密度で存在するダングリングボンドだけでなく、Ｃ面の最表面に位置するマイナスに帯電した炭素原子、特にＣ面の原子ステップ端に存在するマイナスに帯電した炭素原子と、ペプチド分子１０ａのＣ末端に存在する極性基であるアミノ基とがクーロン力によって引き合うことも寄与している。図１のペプチド分子１０ａを炭化ケイ素基板のＣ面に与えたときに得られる、ペプチドファイバー１０からなる微細構造がＣ面上に設けられた炭化ケイ素基板の模式断面図を図４に示す。また、同じ炭化ケイ素基板をＣ面側から観察して撮影した原子間力顕微鏡写真を図５に示す。なお、図４中の符号２０は炭化ケイ素基板を示す。図５は、ペプチドファイバー１０の太さ（ペプチド分子１０ａの長さ）にほぼ合致する幅約５ｎｍのストライプが互いにほぼ平行に整然と並んだ微細構造が、炭化ケイ素基板上の少なくとも５００ｎｍ四方の領域の全体にわたり形成されていることを示している。この微細構造は、炭化ケイ素基板上のほぼ全体にわたり形成することが可能である。
【００１７】
上記の実施形態は次のように変更されてもよい。
ペプチド分子を基板上に与えるに際しては、ペプチドファイバー同士を結合させる目的で、ポリエチレングリコール、ポリビニルピロリドン、ゼラチンなどの適当なバインダをペプチド分子と一緒に基板上に与えるようにしてもよい。この場合、通常重力場でも基板上にペプチドファイバーを安定して互いに平行に配列させることができる。ただし、微小重力場では、バインダを用いなくても、基板上にペプチドファイバーを安定して互いに平行に配列させることが可能である。
【００１８】
基板上にペプチド分子を与える代わりに、基板上で配列させようとするペプチドファイバーそのものを基板上に与えるようにしてもよい。この場合も、ポリエチレングリコールなどの適当なバインダをペプチドファイバーと一緒に基板上に与えるようにしてもよい。
【００１９】
あるいは、ペプチドファイバー以外の線状要素を基板上に配列させるべく、ペプチドファイバー以外の線状要素そのもの、あるいは互いに会合して当該線状要素を形成可能な単位要素を基板上に与えるようにしてもよい。この場合も、ポリエチレングリコールなどの適当なバインダを同時に基板上に与えるようにしてもよい。ここで単位要素として使用可能な物質としては、タンパク質、デオキシリボ核酸（ＤＮＡ）、ウイルス、両親媒性ブロック共重合体のようなペプチド分子以外の自己組織化を示す物質が挙げられる。ペプチド分子を使用している上記の実施形態では、ペプチド分子のアミノ酸残基の数に応じて、幅３〜２０ｎｍのストライプの繰り返しからなる微細構造を作製することが可能である。これに対し、タンパク質、ＤＮＡ又はウイルスを用いた場合には、幅２〜１０ｎｍのストライプの繰り返しからなる微細構造を作製することが可能である。また、両親媒性ブロック共重合体を用いた場合には、幅３〜２０ｎｍのストライプの繰り返しからなる微細構造を作製することが可能である。
【００２０】
前記実施形態より把握できる技術的思想について以下に記載する。
【００２１】
・  前記原子ステップは、互いに平行な直線状の原子ステップのうちの一つである請求項１又は２に記載の方法。
【００２３】
・  前記原子ステップは、互いに平行な直線状の原子ステップのうちの一つである請求項３に記載の基板。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の一実施形態における単位要素の好適な例としてのペプチド分子の模式図。
【図２】図１のペプチド分子が逆平行βシート構造を形成することにより得られるペプチドファイバーの模式図。
【図３Ａ】超平坦化した炭化ケイ素基板Ｓｉ面の原子間力顕微鏡写真。
【図３Ｂ】超平坦化した炭化ケイ素基板Ｃ面の原子間力顕微鏡写真。
【図４】図２のペプチドファイバーからなる微細構造をＣ面上に備えた炭化ケイ素基板を模式的に示す断面図。
【図５】図４の炭化ケイ素基板をＣ面側から観察して撮影した原子間力顕微鏡写真。
【符号の説明】
【００２５】
１０…線状要素としてのペプチドファイバー、１０ａ…単位要素としてのペプチド分子、２０…炭化ケイ素基板。
【図１】
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【図２】
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【図４】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図５】
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