(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭素ボール分子または炭素チューブ分子が、グラファイト基板で挟み込まれていることを特徴とする潤滑システム。
【請求項２】
炭素ボール分子が、一方のグラファイト基板に蒸着されていることを特徴とする請求項１の潤滑システム。
【請求項３】
炭素ボール分子が、グラファイト基板上で炭素ボール分子層の状態で挟み込まれていることを特徴とする請求項１または２の潤滑システム。
【請求項４】
炭素チューブ分子が、グラファイト基板上で炭素チューブ分子アレイの状態で挟み込まれていることを特徴とする請求項１の潤滑システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この出願の発明は、炭素ボール分子または炭素チューブ分子による潤滑システムに関するものである。さらに詳しくは、この出願の発明は、マイクロマシン，ナノマシン等においてナノメータスケールの構造物に適用することのできる、摩擦力がほぼゼロの超潤滑性を有する潤滑システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術とその課題】
従来より、マクロな物体の運動の潤滑、即ちマクロスケールでの物体同士の摩擦の減少を目的とする界面潤滑材等の開発が活発に行われている。たとえば、大気中において高温で用いる潤滑材，潤滑システムの開発や、最近では宇宙開発にも用いることのできる真空中で使用可能な潤滑材，潤滑システムの開発が活発である。
【０００３】
一方、今後１０年の間にマイクロマシンやナノマシン等の商品化が爆発的に起こり得るが、そこで問題になるのが潤滑システム（潤滑材）のサイズや性質である。たとえば超精密化したマイクロマシンの摩擦隙間はナノメータスケールであるといったように、マイクロマシンやナノマシン等においてナノメータスケールで接触する構造物に適用する潤滑システムとしては、マイクロマシンやナノマシンに比べて同等、もしくはそれらよりも小さいサイズのものが必要とされる。しかしながら上記のようにマクロな物体に用いる潤滑システムは、ナノメータスケールに適用するにはサイズが大きすぎるのである。
【０００４】
またマイクロマシンやナノマシンは、「動くことのできない小さなエンジン」と呼ばれているほど静止摩擦の問題が深刻な状況にあり、この問題を解決することができなければマイクロマシンやナノマシンの実用化はないと言われている。現在、実用化を目指すマイクロデバイス等のマイクロメカトロシステム（ＭＥＭＳ）でも、このことが深刻な問題になっている。
【０００５】
つまり、物体を小さくしていった場合、質量が寸法の３乗に比例して小さくなるのに対し、表面積は寸法の２乗に比例して小さくなるため、表面の影響が増大してしまうのであり、ナノメータスケールではマクロスケールでの滑り摩擦機構は適用することができず、摩擦が極端に小さいことが必要となるのである。
【０００６】
従って、ナノメータスケールに適用できるような全く新しい潤滑システムが強く求められている。
【０００７】
そこで、この出願の発明は、以上のとおりの事情に鑑みてなされたものであり、従来技術の問題点を解消し、ナノメータスケールにおいて有用な超潤滑性を有する、新しい潤滑システムを提供することを課題としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この出願の発明は、上記の課題を解決するものとして、まず第１には、炭素ボール分子または炭素チューブ分子がグラファイト基板で挟み込まれていることを特徴とする潤滑システムを提供する。
【０００９】
第２には、この出願の発明は、前記第１の発明において、炭素ボール分子が、一方のグラファイト基板に蒸着されていることを特徴とする潤滑システムを提供する。
【００１０】
さらに、第３には、前記第１または第２の発明において、炭素ボール分子が、グラファイト基板上で炭素ボール分子層の状態で挟み込まれていることを特徴とする潤滑システムを提供する。
【００１１】
そして、第４には、前記第１の発明において、炭素チューブ分子が、グラファイト基板上で炭素チューブ分子アレイの状態で挟み込まれていることを特徴とする潤滑システムを提供する。
【００１２】
【発明の実施の形態】
この出願の発明の炭素ボール分子または炭素チューブ分子による潤滑システムは、従来の問題を解決し、ナノメータスケールで接触する構造物に対して適用することのできる、新しい潤滑システムを提供する。
【００１３】
まずこの出願の発明においては、発明者によって、ナノメータスケールに適用可能と考えられる、ナノメータスケールのサイズを持つ炭素ボール分子および炭素チューブ分子に注目した。
【００１４】
炭素ボール分子は、Ｃ60を初めとしてＣ70、Ｃ76、Ｃ78、Ｃ80、Ｃ82、Ｃ84Ｃ86、Ｃ88、Ｃ90、Ｃ92、Ｃ94、Ｃ96等が知られており、炭素による６員環と５員環のネットワークで閉じた中空殻状をしており、フラーレンとも呼ばれている。また炭素チューブ分子は、グラファイトの層（グラファイトシート）をくるりと巻いて作るような導管形状をしており、炭素ボール分子と同様に、炭素による６員環と５員環のネットワークで閉じた中空殻状をしている。
【００１５】
炭素ボール分子の一例であるＣ60分子の形状は、図１に示しているように球状に近いため転がりが期待でき、また表面張力が小さいことがわかっている。尚、Ｃ60分子の分子量は７２０.６６で、質量数が７２０であり、図２に示すようにＣ60分子の直径は約０．７ｎｍで、Ｃ60結晶中の粒子間距離は約１.０ｎｍある。また、炭素チューブ分子も管状であるため、炭素ボール分子と同様に転がりが期待でき、これらの転がりの性質を利用することで炭素ボール分子および炭素チューブ分子がナノメータスケールで有用な潤滑材となることが期待できる。
【００１６】
Ｃ60のみでなくＣ70、Ｃ76、Ｃ78、Ｃ80、Ｃ82、Ｃ84Ｃ86、Ｃ88、Ｃ90、Ｃ92、Ｃ94、Ｃ96等の他の炭素ボール分子も上記のような性質を有しており、炭素ボール分子は摩擦力が極端に小さいため有用な潤滑物質となることが期待できる。
【００１７】
また、炭素ボール分子及び炭素チューブ分子が転がりを起こすためには、分子とその基板となる下地の物質が重要となり、その下地に炭素ボール分子及び炭素チューブ分子と同じ元素、構造を持つグラファイトを基板として用いることで、グラファイトの６員環と炭素ボール分子または炭素チューブ分子の６員環がかみ合い、炭素ボール分子及び炭素チューブ分子がグラファイト上で転がることができるため、ナノメータスケールで用いることのできる摩擦がほぼゼロの超潤滑性を有する潤滑システムを提供することができる。
【００１８】
炭素ボール分子を潤滑材とした場合、それをグラファイト基板の上に蒸着させて炭素ボール分子でできた膜を形成し、さらにその上からグラファイト基板で挟み込むようにすることで潤滑システムを提供できる。
【００１９】
炭素チューブ分子を潤滑材とした場合は、それを炭素チューブ分子アレイの状態でグラファイト基板上に載せ、さらにその上からグラファイト基板で挟み込むことで潤滑システムを提供できる。
【００２０】
つまり、図３に示しているように、炭素ボール分子（１）の膜（または炭素チューブ分子）を２枚のグラファイト基板（２）で挟み込み、それらのグラファイト基板（２）のうちの上に乗っている方のグラファイト基板（２）上に可動させたいマイクロ物体（３）を置くことによって、摩擦を問題としないマイクロ物体（３）の移動が可能となるのである。
【００２１】
以下、添付した図面に沿って実施例を示し、この発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。もちろん、この発明は以下の例に限定されるものではなく、細部については様々な態様が可能であることは言うまでもない。
【００２２】
【実施例】
＜実施例１＞
炭素ボール分子や炭素チューブ分子が転がりを起こすためには、その基板となる下地の物質が重要となるため、本発明者はグラファイトとＫＣｌを下地にして炭素ボール分子がそれらの下地上にどのように蒸着するかを調べる実験を行った。
【００２３】
まず、本発明者は図４に示しているように、炭素ボール分子の例としてＣ60およびＣ70を用いて、グラファイトとＫＣｌ（００１）表面の上に、Ｃ60膜とＣ70膜を蒸着によって形成した。
【００２４】
図４に示しているように、Ｃ60またはＣ70を真空槽内に設置されているＢＮ坩堝に入れ、そのＢＮ坩堝を４００℃に熱することで、Ｃ60およびＣ70を蒸発させ、グラファイトとＫＣｌ（００１）表面に蒸着させた。また、このときグラファイトとＫＣｌ（００１）の温度を、Ｃ60膜とＣ70膜の成長速度を制御するために１５０℃〜２００℃に維持させた。
【００２５】
ここではＣ60膜とＣ70膜のグラファイトとＫＣｌ（００１）表面への蒸着状況を調べるため、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）を用いた。
【００２６】
図５の上図はＫＣｌ（００１）表面上のＣ60アイランド（島）とＣ70アイランド（島）のＡＦＭ像（原子間力顕微鏡で見た凸凹像）である。図５の下図の高さ分布からＣ60アイランドは２０〜３０ｎｍとなっており、Ｃ60分子１個の直径が約１ｎｍと考えると２０〜３０分子層から成ることがわかる。またＣ70アイランドは約６０ｎｍとなっており、６０分子層程度から成っていることがわかる。
【００２７】
図６（ａ）と図６（ｂ）の上図は、グラファイト上のＣ60膜とＣ70膜の成長初期のＡＦＭ像である。図６（ａ）の中図の高さ分布に示されるように、Ｃ60膜の厚さが約１ｎｍであることからこのＣ60膜は単層膜であることがわかる。
【００２８】
また図６（ｂ）の下図に示すように、Ｃ70膜の厚さが約２ｎｍであることから、Ｃ70膜は２層膜であることがわかる。この実験ではグラファイトの上ではＣ70の単層膜は見られなかったが、これはＣ70分子の６員環がこの楕円体分子のトップに位置していないため、一様な単層膜の形をもって成長しにくいためと考えられる。
【００２９】
この実験の結果から、ＫＣｌ（００１）基板上にできるＣ60アイランドとＣ70アイランドに比べて薄い単層もしくは２層のＣ60膜、Ｃ70膜がグラファイト基板上に形成されるため、Ｃ60とＣ70をナノメータスケールでの潤滑材とするためには、下地にはグラファイト基板が適していると言える。またグラファイト基板上のＣ60膜およびＣ70膜は単層膜もしくは２層の膜であることから、Ｃ60とＣ70の転がりの性質を良好に利用することが可能となる。
【００３０】
また、グラファイトはＣ60、Ｃ70と同じ元素、構造を持つため、グラファイトを基板として用いることでグラファイトの６員環とＣ60、Ｃ70の６員環がかみ合いＣ60、Ｃ70がグラファイト上で転がることができる。
【００３１】
＜実施例２＞
またグラファイト上のＣ60膜の分子操作にどれくらい力（せん断力）が必要であるかを測る実験を行った。せん断力が小さければそれだけ分子操作を楽に行えるということであり、潤滑性が高いと言える。
【００３２】
図７の上図に、図６（ａ）のＣ60単層膜のＡＦＭ像が負荷の増加に対しどのように変化するかを示す。図７の上図において、負荷が−９ｎＮから０ｎＮまで増加するとグラファイトの上のＣ60単層膜が掃引される様子が見られる。引き離し力を−１０ｎＮとし、チップ半径１５ｎｍを用いて評価されたチップ負荷に対する接触半径が図７の左下図に示される。０ｎＮの負荷で探針チップとＣ60単層膜の接触半径は１．３ｎｍと評価される。これは図７の右下図中の大きな円内の７分子程度の接触面積を与える。このときの平均摩擦力は３ｎＮであったので、７分子が３ｎＮの水平力で移動すると仮定すると、Ｃ60１分子をグラファイトの上で移動するのに必要なせん断力は約０．４ｎＮであって、通常の分子のせん断力と比べて１桁〜２桁も小さい値となっており、Ｃ60の潤滑性は極めて高いものであると考えられる。
【００３３】
またグラファイト上でのＣ70の同様の実験では、Ｃ70分子はＣ60分子に比べてもっと小さい力で掃引された。このことから、Ｃ70−グラファイト界面の相互作用はＣ60−グラファイト界面の相互作用よりも弱いことが示唆され、グラファイト上ではＣ70の方がＣ60に比べて潤滑性が高いと言える。
【００３４】
＜実施例３＞
また、本発明者は摩擦力顕微鏡（ＦＦＭ）を用いて、ＫＣＬ（００１）表面上およびグラファイト上における炭素チューブの特性を調べた。
【００３５】
図８（ａ）に示しているように、ＫＣＬ（００１）表面上の多くの炭素チューブは折れ曲がっている。それと対照的に図８（ｂ）に示しているようにグラファイト上の多くの炭素チューブは折れ曲がることなく、また一定方向に整列していることがわかった。つまり炭素チューブ分子はグラファイト上で平行に配向している（炭素チューブ分子アレイの状態である）と言え、これにより転がりを期待することができる。
【００３６】
また、ＫＣｌ（００１）表面上およびグラファイト上での炭素チューブの滑りを調べたところ、ＫＣｌ（００１）表面上でのみ炭素チューブの滑りが見られた。これは、炭素チューブ−グラファイト間のせん断強度の方が、炭素チューブ−ＫＣｌ（００１）間のせん断強度よりも大きいことを意味する。これは、炭素チューブ分子の６員環とグラファイトの６員環がかみ合うことによる。せん断強度が大きいければ滑りよりも転がりの方が起き易く、従って上記のように炭素チューブがグラファイト上で平行に配向するということも考慮すると、グラファイト上で炭素チューブの転がりを利用した潤滑システムが可能となる。
【００３７】
＜実施例４＞
さらに本発明者は、本発明の潤滑システムの潤滑性を調べるため摩擦力を測定する実験を行った。摩擦力の値は走査時に短冊型の片持ちばねを用いて測定した。詳しくは、走査方向に片持ちばねの軸方向を垂直にし、走査時に得られた片持ちばねのねじれ量を測定することによって摩擦力を求めた。
【００３８】
図９は本発明の潤滑システムの潤滑性を確かめる試料で、グラファイト基板（４）にＣ60を蒸着してＣ60膜（５）を形成し、さらにその上にグラファイト製の薄片（６）を載せて測定試料（７）を作成した。
【００３９】
図１０（ａ）はグラファイト基板（４）のみに負荷０ｎＮをかけて走査したもので、摩擦力は２ｎＮであった。
【００４０】
図１０（ｂ）はグラファイト基板（４）にＣ60を蒸着してＣ60膜（５）を形成したものに負荷０ｎＮをかけて走査したもので、摩擦力は１０ｎＮであった。
【００４１】
また図１０（ｃ）は図１０（ｂ）のＣ60膜（５）上にグラファイト製の薄片（６）を乗せた測定試料（７）に負荷０ｎＮ〜０．１ｎＮをかけて走査したもので、摩擦力は０．５ｎＮであった。
【００４２】
これらから明らかなように図１０（ｃ）中の測定試料（７）の摩擦力が最も小さくなっており、本発明の潤滑システムは潤滑性の高いものであると言える。
【００４３】
【発明の効果】
以上詳しく説明したとおり、この発明によって、分子ベアリング、分子コロ、分子ギアやマイクロマシン、ナノマシン等において、ナノメータスケールに適用できる摩擦がほぼゼロの超潤滑性を有する潤滑システムが提供され、ナノスケールの分野に大きな進歩をもたらすものとして期待される。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の潤滑システムを成す炭素ボール分子の例としてのＣ60の分子構造を例示した図である。
【図２】この発明の潤滑システムを成す炭素ボール分子の例としてのＣ60の結晶構造を例示した図である。
【図３】この発明の潤滑システムを示した概念図である。
【図４】この発明の潤滑システムを成すＣ60およびＣ70の基板への蒸着を行うための蒸着装置を例示した概念図である。
【図５】この発明の潤滑システムを成すＣ60およびＣ70のＫＣｌ（００１）表面上のＡＦＭ像およびそのラインプロファイルを示した図である。
【図６】この発明の潤滑システムを成すＣ60およびＣ70のグラファイト表面上のＡＦＭ像およびそのラインプロファイルを示した図である。
【図７】図６のＣ60単層膜の負荷の増加に対する変化を示した図である。
【図８】炭素チューブのＫＣＬ（００１）表面上およびグラファイト表面上でのＦＦＭ像およびそのラインプロファイルを示した図である。
【図９】この発明の潤滑システムの潤滑性を調べる実験の測定試料を示した図である。
【図１０】この発明の潤滑システムの潤滑性を調べる実験の測定方法を示した図である。
【符号の説明】
１  炭素ボール（炭素チューブ）
２  グラファイト基板
３  マイクロ物体
４  グラファイト基板
５  Ｃ60膜
６  グラファイト製の薄片
７  測定試料
【図１】
0003704071.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
0003704071.tif 000009
【図９】
0003704071.tif 000010
【図１０】
0003704071.tif 000011