(57)【要約】  有機スカホールドが実質的に除去された無機ナノワイヤであって、本質的に、有機スカホールドを実質的に含まない融合無機ナノ粒子からなる無機ナノワイヤと、その製造方法。例えば、単結晶ZnS、CdSおよび自由独立型L10CoPtおよびFePtナノワイヤの合成用にウイルスベースのスカホールドを、標準的生物学的方法で基質特異性を改変する手段と共に用いることができる。ナノ粒子核形成中の組成、サイズ、および相の制御を示す進化スクリーニングプロセスにより、M13バクテリオファージの高度に整合した繊維状キャプシド上に発現したペプチドを選択することができる。特定の核形成ペプチドをM13コート構造体の遺伝子スカホールドに組み込むことにより、半導体材料および磁性材料を含む様々な材料の定方向合成のための生体テンプレートを提供することができる。アニールによりウイルステンプレートを除去することにより、配向された凝集ベースの結晶成長が促進され、個々の結晶性ナノワイヤが形成される。基質特異性ペプチドをM13ウイルスの線形の自己アセンブリ型繊維状構築物と交換するというユニークな能力により、これまでの合成ルートでは見られなかった材料の調整可能性が導入される。したがってこのシステムは、半導体材料および磁性材料を含む様々な材料からナノワイヤを成長させ構成する遺伝子ツールキットを提供する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
有機スカホールドが実質的に除去された無機ナノワイヤであって、本質的に、前記有機スカホールドを実質的に含まない融合無機ナノ粒子からなる、無機ナノワイヤ。
【請求項２】
１以上の結晶ドメインを有する、請求項１に記載の無機ナノワイヤ。
【請求項３】
本質的に半導体材料、金属材料、金属酸化物材料、磁性材料、またはそれらの混合物からなる、請求項１に記載の無機ナノワイヤ。
【請求項４】
約250 nm〜約5ミクロンの長さと約5 nm〜約50 nmの幅とを有する、請求項１に記載の無機ナノワイヤ。
【請求項５】
結晶性であり、本質的に半導体材料、金属材料、金属酸化物材料、磁性材料、またはそれらの混合物からなる、請求項１に記載の無機ナノワイヤ。
【請求項６】
前記ナノ粒子が配向している、請求項１に記載の無機ナノワイヤ。
【請求項７】
請求項１に記載の無機ナノワイヤを複数含む組成物であって、前記ナノワイヤの平均長さが実質的に単分散している、組成物。
【請求項８】
請求項１に記載の無機ナノワイヤを複数含む組成物であって、前記ナノワイヤの平均幅が実質的に単分散している、組成物。
【請求項９】
請求項１に記載の無機ナノワイヤを複数含む組成物であって、前記ナノワイヤの平均長さが実質的に単分散しており、平均幅も実質的に単分散している、組成物。
【請求項１０】
請求項５に記載の無機ナノワイヤを複数含む組成物であって、前記ナノワイヤの平均長さが実質的に単分散している、組成物。
【請求項１１】
請求項５に記載の無機ナノワイヤを複数含む組成物であって、前記ナノワイヤの平均幅が実質的に単分散している、組成物。
【請求項１２】
請求項５に記載の無機ナノワイヤを複数含む組成物であって、前記ナノワイヤの平均長さが実質的に単分散しており、平均幅も実質的に単分散している、組成物。
【請求項１３】
複数の無機ナノワイヤを含む組成物であって、前記無機ナノワイヤが、実質的に有機スカホールドを含まない融合無機ナノ粒子を含む、組成物。
【請求項１４】
無機ナノワイヤを形成する方法であって、（１）前記無機ナノワイヤ用の１以上の前駆体材料を提供する工程と、（２）細長い有機スカホールドを提供する工程と、（３）前記スカホールドの存在下において前記１以上の前駆体材料を反応させてナノ粒子を形成する工程であって、前記ナノ粒子を前記細長い有機スカホールドの長さ方向に沿って設ける工程と、（４）前記スカホールドと前記ナノ粒子とを熱処理して、前記ナノ粒子の融合により前記無機ナノワイヤを形成する工程と、を含む方法。
【請求項１５】
前記有機スカホールドが実質的に前記ナノワイヤから除去される、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記細長い有機スカホールドが、前記スカホールドの長さ方向に沿って、前記ナノ粒子に結合した表面ペプチドを含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項１７】
前記熱処理する工程が約100℃〜約1,000℃で行われる、請求項１４に記載の方法。
【請求項１８】
無機ナノワイヤを形成する方法であって、（１）前記無機ナノワイヤ用の１以上の前駆体材料を提供する工程と、（２）有機スカホールドを提供する工程と、（３）ある条件下で前記スカホールドの存在下において前記１以上の前駆体材料を反応させて無機ナノワイヤを形成し前記スカホールドを前記ナノワイヤから実質的に除去する工程と、を含む方法。
【請求項１９】
無機ナノワイヤの製造中における、繊維状ウイルスの犠牲(sacrificial)有機スカホールドとしての使用であって、繊維状ウイルススカホールドと前記スカホールド上の無機ナノワイヤ前駆体とを提供する工程と、前記繊維状ウイルススカホールドを除去して前記無機ワイヤを製造する工程とを含む、使用。
【請求項２０】
無機ナノワイヤの製造中における、繊維状有機スカホールドの犠牲有機スカホールドとしての使用であって、繊維状有機スカホールドと前記スカホールド上の無機ナノワイヤ前駆体とを提供する工程と、前記無機ナノワイヤ前駆体を無機ナノワイヤに変換する一方で前記繊維状有機スカホールドを除去して前記無機ワイヤを製造する工程とを含む、使用。
【請求項２１】
細長い有機スカホールド上に設けられた無機ナノワイヤの長さを制御するための、前記細長い有機スカホールドの使用であって、前記スカホールドを遺伝子操作して前記スカホールドの長さを制御する工程を含む、使用。
【請求項２２】
請求項１に記載のナノワイヤと電気的に接する電極を備えた装置。
【請求項２３】
電界トランジスタである、請求項２２に記載の装置。
【請求項２４】
センサである、請求項２２に記載の装置。
【請求項２５】
請求項１に記載のナノワイヤの、互いに接続された複数のセグメントを含む、セグメント化ナノワイヤ。
【請求項２６】
ナノワイヤの、互いに接続された複数のセグメントを含むセグメント化ナノワイヤであって、前記ナノワイヤが細長い有機スカホールド上の融合無機ナノ粒子を含み、前記細長い有機スカホールドが前記スカホールドの両端に結合部位を有し、前記結合部位が別の細長い有機スカホールドに結合するために用いられる、セグメント化ナノワイヤ。
【請求項２７】
細長い有機スカホールドを用いてナノワイヤを製造するプロセスであって、
複数の結合部位を含む細長い有機スカホールドを提供する工程であって、前記複数の結合部位が前記スカホールドの長さ方向に沿った結合部位と、前記スカホールドの少なくとも一端上の結合部位とを含む工程と、
前記スカホールドの長さ方向に沿ってナノワイヤ前駆体組成物を設けてスカホールドを付与された前駆体組成物を形成する工程と、
前記スカホールドを付与された前駆体組成物を処理して前記スカホールドを除去し、前記ナノワイヤを形成する工程と、
を含むプロセス。
【請求項２８】
前記細長い有機スカホールドが両端に結合部位を有する、請求項２７に記載のプロセス。
【請求項２９】
前記スカホールドの端部の前記結合部位を用いて別の構造体に結合させる工程をさらに備えた、請求項２７に記載のプロセス。
【請求項３０】
前記別の構造体が別の細長い有機スカホールドである、請求項２７に記載のプロセス。
【請求項３１】
前記細長い有機スカホールドが、前記スカホールドの長さ方向に沿ったコートタンパク質のコピー上に、前記ナノ粒子に結合した表面ペプチドを含み、前記ペプチドが前記スカホールドの長さ方向に沿った前記コートタンパク質の一部のコピー上にディスプレイされている、請求項１４に記載の方法。
【請求項３２】
前記細長い有機スカホールドが、前記スカホールドの長さ方向に沿ったコートタンパク質のコピー上に、前記ナノ粒子に結合した表面ペプチドを含み、前記ペプチドが前記スカホールドの長さ方向に沿った前記コートタンパク質の実質的にすべてのコピー上にディスプレイされている、請求項１４に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、有機スカホールドが実質的に除去された無機ナノワイヤであって、本質的に、有機スカホールドを実質的に含まない融合無機ナノ粒子からなる無機ナノワイヤと、その製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
本出願はBelcherらによって2004年1月5日に出願された米国仮出願第60/534,102号に基づき米国特許法第119条(e)項による優先権を主張する。上記米国仮出願を、その全体を参照することにより本明細書に援用する。
【０００３】
この研究はNIRTによるNational Science Foundation、許可番号第＿＿＿＿＿号、Army Research Office、許可番号第＿＿＿＿＿号、およびAir Force Scientific Research Office、許可番号第＿＿＿＿＿号によるサポートを受けた。政府は本発明に対する権利を有し得る。
【０００４】
ナノワイヤおよびナノチューブを含む１次元材料の製造方法であって、現在開発されつつある拡大縮小可能で経済的な製造方法に関する広範囲の技術により、材料合成の分野は集中的かつ急速に進歩している。例えば１次元材料の適用は、電気的移送(1)、光学現象(2)の分野で、ならびにナノ回路の機能ユニット(3)として熱心に研究されている。半導体、金属および磁性ナノワイヤの「個々の成分からの」("bottom up")合成方法の研究は、様々な合成方法を生み出した。例えばVLS(4)、化学(5)、solvothermal、液相、およびテンプレートによる製造(6)などを含むが、これらに限られない。ナノワイヤ製造のために開発された各方法は高品質な材料を生成するのにある程度の基本的成功を収めているが、これまで開発された方法では、根本的に異なる組成の単分散結晶ナノワイヤを製造することはできていない。従来のナノワイヤ製造方法は概して一貫性がなく、合成する上で扱いにくいことがあり、普遍的ではない。例えば、液体媒体中でのII-VI族半導体製造に関してAlivisatosらの米国特許第6,225,198号およびこれに引用されている文献を参照のこと。Lieberらの引例4は、普遍的アプローチを見つけることがいかに困難であるかを記載している。この引例は、レーザと高温の使用を必要とし、端部にナノ粒子を有するナノワイヤを製造するVLSプロセスを記載しているが、これは必ずしも望ましくない。
【０００５】
近年、ナノファイバ(7、8)、ウイルスベースの粒子ケージ(9)、ウイルス-粒子アセンブリ(10、11、12)、および非特異的ペプチドテンプレート(13)のための合成ディレクタとして、生物学的ファクタが開発されている。これは、これらの系が高度に系統立っていること、化学的変更が容易であること、および天然の自己アセンブリモチーフを有することによる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
Belcherらは、遺伝子操作ウイルススカホールドに関連し且つこれに結合したナノワイヤを調製した（例えばBelcherらの米国特許公開第2003/0068900号を参照のこと）。スカホールドは、ナノ粒子またはナノ結晶がスカホールド上に形成される際にテンプレートとなる。この技術は魅力的であり重要な利点を有してはいるが、さらなる向上が必要である。例えば、特性を向上させること（ナノ結晶間の融合を向上させること、および欠点を減少させることなど）が望まれる。さらにナノ結晶を融合して１つの長い単結晶ロッドまたは大きな結晶ドメインにすることが望まれる。加えて多くの適用分野では、ウイルススカホールドに結合するか又は関連するウイルススカホールドを含まずに実質的に排除することが望まれる。さらに、ナノワイヤのサイズおよびサイズ統計分布を制御することが望まれる。上記制御は例えば、単分散材料および長さが制御された材料を調製することを含む。可能であれば、ナノワイヤはそのまま使用可能でなければならず、使用前にサイズに基づく分離工程を必要とするべきでない。ナノワイヤを他のコンポーネントに接続できることも必要である。他のコンポーネントとは、ナノワイヤを商業的に使用可能にする電極などである。このような接続は可能であれば単なる偶然の接続ではなく、計画的で制御可能なものであるべきである。
【０００７】
本明細書において数字で示す文献は明細書の最後に列挙しており、その全体を参照することにより本明細書に援用する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この項では、多くの実施形態における本発明を要約する。本項の記載は本発明を限定しない。
【０００９】
本発明は一実施形態において、有機スカホールドが実質的に除去された無機ナノワイヤであって、本質的に、有機スカホールドを実質的に含まない融合無機ナノ粒子からなる、無機ナノワイヤ（「実施形態１の無機ナノワイヤ」）を提供する。
【００１０】
本発明はさらに、これらの無機ナノワイヤを複数含む組成物および装置を提供する。本発明は別の実施形態では、複数の無機ナノワイヤを含む組成物であって、無機ナノワイヤが、実質的に有機スカホールドを含まない融合無機ナノワイヤを含む、組成物を提供する。
【００１１】
本発明は別の実施形態では、無機ナノワイヤを形成する方法であって、（１）無機ナノワイヤ用の１以上の前駆体材料を提供する工程と、（２）細長い有機スカホールドを提供する工程と、（３）スカホールドの存在下において１以上の前駆体材料を反応させてナノ粒子を形成する工程であって、ナノ粒子を細長い有機スカホールドの長さ方向に沿って設ける工程と、（４）スカホールドとナノ粒子とを熱処理して、ナノ粒子の融合により無機ナノワイヤを形成する工程と、を含む方法を提供する。いくつかの実施形態では、例えば熱処理の間に有機スカホールドを除去してもよい。本発明はさらに、この方法によって調製されたナノワイヤを提供する。
【００１２】
さらに提供するのは、無機ナノワイヤを形成する方法であって、（１）無機ナノワイヤ用の１以上の前駆体材料を提供する工程と、（２）有機スカホールドを提供する工程と、（３）ある条件下でスカホールドの存在下において１以上の前駆体材料を反応させて無機ナノ粒子を形成する工程と、を含む方法である。いくつかの実施形態では、例えば処理の間に有機スカホールドを除去してもよい。本発明はさらに、この方法によって調製されたナノワイヤを提供する。
【００１３】
本発明はさらに、無機ナノワイヤの製造中における、繊維状有機スカホールドの犠牲有機スカホールドとしての使用であって、繊維状有機スカホールドとスカホールド上の無機ナノワイヤ前駆体とを提供する工程と、無機ナノワイヤ前駆体を無機ナノワイヤに変換する一方で繊維状有機スカホールドを除去して無機ワイヤを製造する工程とを含む、使用を提供する。
【００１４】
本明細書で提供するさらなる使用は、細長い有機スカホールド上に設けられた無機ナノワイヤの長さを制御するための、細長い有機スカホールドの使用であって、スカホールドを遺伝子操作してスカホールドの長さを制御する工程を含む、使用である。
【００１５】
重要な実施形態はさらに、実施形態１の無機ナノワイヤまたは本明細書に記載のいずれかのナノワイヤと電気的に接する電極を含む装置である。別の実施形態では、装置はさらに、各々が実施形態１の無機ナノワイヤまたは本明細書に記載のいずれかのナノワイヤと電気的に接する、少なくとも２つの電極を含み得る。装置の例は、電界トランジスタまたはセンサを含む。別の実施形態では、装置は、実施形態１によるナノワイヤまたは本明細書に記載のいずれかのナノワイヤを少なくとも２つ含む。ナノワイヤは平行に設けられているか、あるいは交差して設けられている。
【００１６】
本発明はさらに、実施形態１の無機ナノワイヤまたは本明細書に記載のいずれかのナノワイヤの、互いに接続された複数のセグメントを備えた、セグメント化ナノワイヤを提供する。いくつかの実施形態では、スカホールドを用いてナノワイヤを形成した、および／またはスカホールドが除去される前にナノワイヤの位置づけを方向づけた。
【００１７】
本発明はさらに、複数の無機ナノワイヤを含む組成物であって、有機スカホールド上に設けられた融合無機ナノ粒子を含む組成物を提供する。いくつかの実施形態では、スカホールドを用いてナノワイヤを形成した、および／またはスカホールドが除去される前にナノワイヤの位置づけ（例えば回路基板における位置づけ）を方向づけた。
【００１８】
本発明はさらに、細長い有機スカホールドを用いてナノワイヤを製造するプロセスであって、（１）複数の結合部位を含む細長い有機スカホールドを提供する工程であって、複数の結合部位がスカホールドの長さ方向に沿った結合部位と、スカホールドの少なくとも一端上の結合部位とを含む工程と、（２）スカホールドの長さ方向に沿ってナノワイヤ前駆体組成物を設けてスカホールドを付与された前駆体組成物を形成する工程と、（３）スカホールドを付与された前駆体組成物を処理してナノワイヤを形成する工程と、を含むプロセスを提供する。いくつかの実施形態では、スカホールドは、例えば処理する工程の間に実質的に除去される。一実施形態では、細長い有機スカホールドは、両端に結合部位を有する。別の実施形態では、プロセスはスカホールドの端部の結合部位を用いて別の構造体に結合させる工程をさらに備える。別の構造体とは例えば、別の細長い有機スカホールドであってもよい。
【００１９】
本発明はさらに組成物を提供する。例えば一実施形態では、ナノワイヤ組成物は、熱力学的に高いエネルギー相を有するナノワイヤ、またはこの実施形態によるナノワイヤの集合体を含み、ナノワイヤの長さ、幅、または長さと幅が実質的に単分散している。この実施形態では、無機ナノワイヤであってもよく、例えば半導体材料、金属材料、金属酸化物材料、磁性材料、またはそれらの混合物のナノワイヤであってもよい。
【００２０】
本発明はさらに、融合無機ナノ粒子を含む無機ナノワイヤ、またはこの実施形態による無機ナノワイヤの集合体を含む組成物を提供する。本発明はこの実施形態では、半導体材料、金属材料、金属酸化物材料、または磁性材料を含む融合無機ナノ粒子を含む無機ナノワイヤ、またはこれらのナノワイヤの集合体を提供する。
【００２１】
本発明はさらに、本質的に、融合スカホールド上に設けられた融合無機ナノ粒子からなる無機ナノワイヤを提供する。
【００２２】
本発明の多くの実施形態の基本的かつ新規な特徴は、スカホールドがナノワイヤを調製するために用いられる際に実質的に排除されることである。多くの実施形態では、有機スカホールドが完全に排除されることが好ましい。さらに、多くの実施形態での基本的かつ新規な利点は、ナノワイヤが良好な単分散性で直接製造され得、一部のナノワイヤが他のナノワイヤからサイズに応じて分離する必要がないことである。
【００２３】
さらなる実施形態について述べる。第１の局面（１）は例えば、有機スカホールドが実質的に除去された無機ナノワイヤであって、本質的に、有機スカホールドを実質的に含まない融合無機ナノ粒子からなる、無機ナノワイヤである。
【００２４】
２．結晶性である、１に記載の無機ナノワイヤ。
【００２５】
３．前記ナノ粒子の結晶軸が前記スカホールドの表面に対して配向している、２に記載の無機ナノワイヤ。
【００２６】
４．単一の結晶ドメインである、１に記載の無機ナノワイヤ。
【００２７】
５．１以上の結晶ドメインを有する、１に記載の無機ナノワイヤ。
【００２８】
６．前記融合ナノ粒子が単結晶である、１に記載の無機ナノワイヤ。
【００２９】
７．本質的に半導体材料、金属材料、金属酸化物材料、磁性材料、またはそれらの混合物からなる、１に記載の無機ナノワイヤ。
【００３０】
８．本質的に半導体材料からなる、１に記載の無機ナノワイヤ。
【００３１】
９．本質的に金属材料からなる、１に記載の無機ナノワイヤ。
【００３２】
１０．本質的に金属酸化物材料からなる、１に記載の無機ナノワイヤ。
【００３３】
１１．本質的に磁性材料からなる、１に記載の無機ナノワイヤ。
【００３４】
１２．約250 nm〜約5ミクロンの長さと約5 nm〜約50 nmの幅とを有する、１に記載の無機ナノワイヤ。
【００３５】
１３．約400 nm〜約1ミクロンの長さと約10 nm〜約30 nmの幅とを有する、１に記載の無機ナノワイヤ。
【００３６】
１４．本質的に半導体材料からなり、約250 nm〜約5ミクロンの長さと約5 nm〜約50 nmの幅とを有する、１に記載の無機ナノワイヤ。
【００３７】
１５．本質的にII-VI族半導体材料からなり、約250 nm〜約5ミクロンの長さと約5 nm〜約50 nmの幅とを有する、１に記載の無機ナノワイヤ。
【００３８】
１６．実質的に直線状である、１に記載の無機ナノワイヤ。
【００３９】
１７．本質的に半導体材料からなり、実質的に直線状である、１に記載の無機ナノワイヤ。
【００４０】
１８．本質的に、熱力学的に高いエネルギー相からなる、１に記載の無機ナノワイヤ。
【００４１】
１９．結晶性であり、本質的に半導体材料、金属材料、金属酸化物材料、磁性材料、またはそれらの混合物からなる、１に記載の無機ナノワイヤ。
【００４２】
２０．単結晶である、１９に記載の無機ナノワイヤ。
【００４３】
２１．前記融合ナノ粒子が単結晶である、１９に記載の無機ナノワイヤ。
【００４４】
２２．実質的に直線状である、１９に記載の無機ナノワイヤ。
【００４５】
２３．約250 nm〜約5ミクロンの長さと約5 nm〜約50 nmの幅とを有する、１９に記載の無機ナノワイヤ。
【００４６】
２４．約400 nm〜約1ミクロンの長さと約10 nm〜約30 nmの幅とを有する、１９に記載の無機ナノワイヤ。
【００４７】
２５．実質的に直線状である、２３に記載の無機ナノワイヤ。
【００４８】
２６．実質的に直線状である、２４に記載の無機ナノワイヤ。
【００４９】
２７．１に記載の無機ナノワイヤを複数含む組成物であって、前記ナノワイヤの平均長さが実質的に単分散している、組成物。
【００５０】
２８．１に記載の無機ナノワイヤを複数含む組成物であって、前記ナノワイヤの平均幅が実質的に単分散している、組成物。
【００５１】
２９．１に記載の無機ナノワイヤを複数含む組成物であって、前記ナノワイヤの平均長さが実質的に単分散しており、平均幅も実質的に単分散している、組成物。
【００５２】
３０．前記ナノワイヤが10％未満の長さ変動係数と、10％未満の幅変動係数とを有する、２９に記載の組成物。
【００５３】
３１．前記ナノワイヤが5％未満の長さ変動係数と、5％未満の幅変動係数とを有する、２９に記載の組成物。
【００５４】
３２．１９に記載の無機ナノワイヤを複数含む組成物であって、前記ナノワイヤの平均長さが実質的に単分散している、組成物。
【００５５】
３３．１９に記載の無機ナノワイヤを複数含む組成物であって、前記ナノワイヤの平均幅が実質的に単分散している、組成物。
【００５６】
３４．１９に記載の無機ナノワイヤを複数含む組成物であって、前記ナノワイヤの平均長さが実質的に単分散しており、平均幅も実質的に単分散している、組成物。
【００５７】
第３５（３５）の局面は、複数の無機ナノワイヤを含む組成物であって、前記無機ナノワイヤが、有機スカホールドを実質的に含まない融合無機ナノ粒子を含む、組成物である。
【００５８】
３６．前記無機ナノワイヤが結晶性である、３５に記載の組成物。
【００５９】
３７．前記ナノ粒子の結晶軸が前記スカホールドの表面に対して配向している、３６に記載の組成物。
【００６０】
３８．個々の無機ナノワイヤが単一の結晶ドメインを含む、３５に記載の組成物。
【００６１】
３９．個々の無機ナノワイヤが１以上の結晶ドメインを有する、３５に記載の組成物。
【００６２】
４０．前記融合ナノ粒子が単結晶である、３５に記載の組成物。
【００６３】
４１．前記無機ナノワイヤが半導体材料、金属材料、金属酸化物材料、磁性材料、またはそれらの混合物を含む、３５に記載の組成物。
【００６４】
４２．前記ナノワイヤが半導体材料を含む、３５に記載の組成物。
【００６５】
４３．前記ナノワイヤが金属材料を含む、３５に記載の組成物。
【００６６】
４４．前記ナノワイヤが金属酸化物材料を含む、３５に記載の組成物。
【００６７】
４５．前記ナノワイヤが磁性材料を含む、３５に記載の組成物。
【００６８】
４６．前記ナノワイヤが約250 nm〜約5ミクロンの平均長さと約5 nm〜約50 nmの平均幅とを有する、３５に記載の組成物。
【００６９】
４７．前記ナノワイヤが約400 nm〜約1ミクロンの平均長さと約10 nm〜約30 nmの平均幅とを有する、３５に記載の組成物。
【００７０】
４８．前記ナノワイヤが半導体材料を含み、約250 nm〜約5ミクロンの平均長さと約5 nm〜約50 nmの平均幅とを有する、３５に記載の組成物。
【００７１】
４９．前記ナノワイヤがII-VI族半導体材料を含み、約250 nm〜約5ミクロンの平均長さと約5 nm〜約50 nmの平均幅とを有する、３５に記載の組成物。
【００７２】
５０．前記ナノワイヤが実質的に直線状である、３５に記載の組成物。
【００７３】
５１．前記ナノワイヤの幅が実質的に単分散している、３５に記載の組成物。
【００７４】
５２．前記ナノワイヤの長さが実質的に単分散している、３５に記載の組成物。
【００７５】
５３．前記ナノワイヤの幅および長さが実質的に単分散している、３５に記載の組成物。
【００７６】
５４．前記ナノワイヤが10％未満の長さ変動係数と、10％未満の幅変動係数とを有する、５３に記載の組成物。
【００７７】
５５．前記ナノワイヤが5％未満の長さ変動係数と、5％未満の幅変動係数とを有する、５３に記載の組成物。
【００７８】
５６．第５６の局面（５６）は、無機ナノワイヤを形成する方法であって、（１）前記無機ナノワイヤ用の１以上の前駆体材料を提供する工程と、（２）細長い有機スカホールドを提供する工程と、（３）前記スカホールドの存在下において前記１以上の前駆体材料を反応させてナノ粒子を形成する工程であって、前記ナノ粒子を前記細長い有機スカホールドの長さ方向に沿って設ける工程と、（４）前記スカホールドと前記ナノ粒子とを熱処理して、前記ナノ粒子の融合により前記無機ナノワイヤを形成する工程と、を含む方法である。
【００７９】
５７．前記有機スカホールドが実質的に前記ナノワイヤから除去される、５６に記載の方法。
【００８０】
５８．前記スカホールドが前記熱処理する工程中に除去される、５７に記載の方法。
【００８１】
５９．前記ナノ粒子が結晶性である、５６に記載の方法。
【００８２】
６０．前記前駆体材料が、半導体材料、金属材料、金属酸化物材料、磁性材料の前駆体である、５６に記載の方法。
【００８３】
６１．前記前駆体材料が、半導体材料の前駆体である、５６に記載の方法。
【００８４】
６２．前記前駆体材料が、金属材料の前駆体である、５６に記載の方法。
【００８５】
６３．前記前駆体材料が、金属酸化物材料の前駆体である、５６に記載の方法。
【００８６】
６４．前記前駆体材料が、磁性材料の前駆体である、５６に記載の方法。
【００８７】
６５．前記細長い有機スカホールドがウイルススカホールドである、５６に記載の方法。
【００８８】
６６．前記細長い有機スカホールドが繊維状ウイルススカホールドである、５６に記載の方法。
【００８９】
６７．前記細長い有機スカホールドが、前記スカホールドの長さ方向に沿って、前記ナノ粒子に結合した表面ペプチドを含む、５６に記載の方法。
【００９０】
６８．前記熱処理する工程が約100℃〜約1,000℃で行われる、５６に記載の方法。
【００９１】
６９．前記熱処理する工程が約300℃〜約500℃で行われる、５６に記載の方法。
【００９２】
７０．前記ナノ粒子が約2 nm〜約10 nmの平均直径を有する、５６に記載の方法。
【００９３】
７１．前記ナノ粒子が約3 nm〜約5 nmの平均直径を有する、５６に記載の方法。
【００９４】
７２．前記ナノワイヤが結晶性である、５６に記載の方法。
【００９５】
７３．前記ナノワイヤが単結晶ドメインである、５６に記載の方法。
【００９６】
７４．前記ナノワイヤが１以上の結晶ドメインである、５６に記載の方法。
【００９７】
７５．前記ナノワイヤが熱力学的に高いエネルギー相を含む、５６に記載の方法。
【００９８】
７６．前記熱処理する工程が、前記ナノワイヤを多結晶状態から単結晶状態に変換させる、５６に記載の方法。
【００９９】
７７．前記ナノ粒子の結晶軸が、前記スカホールドの表面に対して配向している、５６に記載の方法。
【０１００】
７８．前記ナノ粒子が前記熱処理する工程前には融合しない、５６に記載の方法。
【０１０１】
７９．前記ナノワイヤが実質的に直線状である、５６に記載の方法。
【０１０２】
８０．複数のナノワイヤを調製するために用いられる方法であって、前記ナノワイヤの長さが実質的に単分散している、５６に記載の方法。
【０１０３】
８１．複数のナノワイヤを調製するために用いられる方法であって、前記ナノワイヤの幅が実質的に単分散している、５６に記載の方法。
【０１０４】
８２．複数のナノワイヤを調製するために用いられる方法であって、前記ナノワイヤの幅および長さが実質的に単分散している、５６に記載の方法。
【０１０５】
８３．前記前駆体材料が、半導体材料、金属材料、金属酸化物材料、磁性材料の前駆体であり、前記ナノワイヤが結晶性で実質的に直線状である、５６に記載の方法。
【０１０６】
８４．複数のナノワイヤを調製するために用いられる方法であって、前記ナノワイヤの長さが実質的に単分散している、８３に記載の方法。
【０１０７】
８５．複数のナノワイヤを調製するために用いられる方法であって、前記ナノワイヤの幅が実質的に単分散している、８３に記載の方法。
【０１０８】
８６．複数のナノワイヤを調製するために用いられる方法であって、前記ナノワイヤの幅および長さが実質的に単分散している、８３に記載の方法。
【０１０９】
８７．前記ナノワイヤが10％未満の長さ変動係数と、10％未満の幅変動係数とを有する、８６に記載の方法。
【０１１０】
８８．前記ナノワイヤが5％未満の長さ変動係数と、5％未満の幅変動係数とを有する、８６に記載の組成物。
【０１１１】
８９．無機ナノワイヤを形成する方法であって、（１）前記無機ナノワイヤ用の１以上の前駆体材料を提供する工程と、（２）有機スカホールドを提供する工程と、（３）ある条件下で前記スカホールドの存在下において前記１以上の前駆体材料を反応させて前記無機ナノワイヤを形成する工程と、を含む方法。
【０１１２】
９０．前記有機スカホールドが実質的に前記ナノワイヤから除去される、８９に記載の方法。
【０１１３】
９１．前記有機スカホールドが前記反応させる工程中に除去される、８９に記載の方法。
【０１１４】
９２．前記前駆体材料がナノ粒子であるか又はナノ粒子を形成する、８９に記載の方法。
【０１１５】
９３．前記ナノ粒子が結晶性である、９２に記載の方法。
【０１１６】
９４．前記ナノ粒子の結晶軸が前記スカホールドの表面に対して配向している、９２に記載の方法。
【０１１７】
９５．前記前駆体材料が、半導体材料、金属材料、金属酸化物材料、磁性材料の前駆体である、８９に記載の方法。
【０１１８】
９６．前記前駆体材料が、半導体材料の前駆体である、８９に記載の方法。
【０１１９】
９７．前記前駆体材料が、金属材料の前駆体である、８９に記載の方法。
【０１２０】
９８．前記前駆体材料が、金属酸化物材料の前駆体である、８９に記載の方法。
【０１２１】
９９．前記前駆体材料が、磁性材料の前駆体である、８９に記載の方法。
【０１２２】
１００．前記有機スカホールドがウイルススカホールドである、８９に記載の方法。
【０１２３】
１０１．前記細長い有機スカホールドが繊維状ウイルススカホールドである、８９に記載の方法。
【０１２４】
１０２．前記細長い有機スカホールドが、前記スカホールドの長さ方向に沿って、前記ナノワイヤに結合した表面ペプチドを含む、８９に記載の方法。
【０１２５】
１０３．前記反応させる工程が約100℃〜約1,000℃の温度を用いて前記ナノワイヤを形成する、８９に記載の方法。
【０１２６】
１０４．前記ナノワイヤが結晶性である、８９に記載の方法。
【０１２７】
１０５．前記ナノワイヤが単結晶ドメインである、８９に記載の方法。
【０１２８】
１０６．前記ナノワイヤが１以上の結晶ドメインを有する、８９に記載の方法。
【０１２９】
１０７．前記ナノワイヤが実質的に直線状である、８９に記載の方法。
【０１３０】
１０８．複数のナノワイヤを調製するために用いられる方法であって、前記ナノワイヤの長さが実質的に単分散している、８９に記載の方法。
【０１３１】
１０９．複数のナノワイヤを調製するために用いられる方法であって、前記ナノワイヤの幅が実質的に単分散している、８９に記載の方法。
【０１３２】
１１０．複数のナノワイヤを調製するために用いられる方法であって、前記ナノワイヤの幅および長さが実質的に単分散している、８９に記載の方法。
【０１３３】
１１１．前記ナノワイヤが10％未満の長さ変動係数と、10％未満の幅変動係数とを有する、１１０に記載の方法。
【０１３４】
１１２．前記ナノワイヤが5％未満の長さ変動係数と、5％未満の幅変動係数とを有する、１１０に記載の組成物。
【０１３５】
１１３．前記前駆体材料が、半導体材料、金属材料、金属酸化物材料、磁性材料の前駆体であり、前記ナノワイヤが結晶性であり実質的に直線状である、８９に記載の方法。
【０１３６】
１１４．複数のナノワイヤを調製するために用いられる方法であって、前記ナノワイヤの長さが実質的に単分散している、１１３に記載の方法。
【０１３７】
１１５．複数のナノワイヤを調製するために用いられる方法であって、前記ナノワイヤの幅が実質的に単分散している、１１３に記載の方法。
【０１３８】
１１６．複数のナノワイヤを調製するために用いられる方法であって、前記ナノワイヤの幅および長さが実質的に単分散している、１１３に記載の方法。
【０１３９】
１１７．無機ナノワイヤの製造中における、繊維状ウイルスの犠牲有機スカホールドとしての使用であって、繊維状ウイルススカホールドと前記スカホールド上の無機ナノワイヤ前駆体とを提供する工程と、前記繊維状ウイルススカホールドを除去して前記無機ワイヤを製造する工程とを含む、使用。
【０１４０】
１１８．５６に記載の方法によって調製されたナノワイヤ。
【０１４１】
１１９．８９に記載の方法によって調製されたナノワイヤ。
【０１４２】
別の局面（１２０）は、無機ナノワイヤの製造中における、繊維状有機スカホールドの犠牲有機スカホールドとしての使用であって、繊維状有機スカホールドと前記スカホールド上の無機ナノワイヤ前駆体とを提供する工程と、前記無機ナノワイヤ前駆体を無機ナノワイヤに変換する一方で前記繊維状有機スカホールドを除去して前記無機ワイヤを製造する工程とを含む、使用である。
【０１４３】
別の局面（１２１）は、細長い有機スカホールド上に設けられた無機ナノワイヤの長さを制御するための、前記細長い有機スカホールドの使用であって、前記スカホールドを遺伝子操作して前記スカホールドの長さを制御する工程を含む、使用である。
【０１４４】
１２２．１に記載のナノワイヤと電気的に接する電極を備えた装置。
【０１４５】
１２３．各々が１に記載の前記ナノワイヤと電気的に接する、少なくとも２つの電極を備えた、１２２に記載の装置。
【０１４６】
１２４．電界トランジスタである、１２２に記載の装置。
【０１４７】
１２５．センサである、１２２に記載の装置。
【０１４８】
１２６．１に記載のナノワイヤを少なくとも２つ備えた装置であって、前記ナノワイヤが平行に設けられている、１２２に記載の装置。
【０１４９】
１２７．１に記載のナノワイヤを少なくとも２つ備えた装置であって、前記ナノワイヤが交差している、１２２に記載の装置。
【０１５０】
１２８．１に記載のナノワイヤの、互いに接続された複数のセグメントを備えた、セグメント化ナノワイヤ。
【０１５１】
別の局面(129)は、細長い有機スカホールドを用いてナノワイヤを製造するプロセスであって、
複数の結合部位を含む細長い有機スカホールドを提供する工程であって、前記複数の結合部位が前記スカホールドの長さ方向に沿った結合部位と、前記スカホールドの少なくとも一端上の結合部位とを含む工程と、
前記スカホールドの長さ方向に沿ってナノワイヤ前駆体組成物を設けてスカホールドを付与された前駆体組成物を形成する工程と、
前記スカホールドを付与された前駆体組成物を処理して前記ナノワイヤを形成する工程と、
を含むプロセス。
【０１５２】
１３０．前記有機スカホールドが実質的に前記ナノワイヤから除去される、１２９に記載のプロセス。
【０１５３】
１３１．前記有機スカホールドが前記処理する工程中に除去される、１２９に記載のプロセス。
【０１５４】
１３２．前記細長い有機スカホールドが両端に結合部位を有する、１２９に記載のプロセス。
【０１５５】
１３３．前記スカホールドの端部の前記結合部位を用いて別の構造体に結合させる工程をさらに備えた、１２９に記載のプロセス。
【０１５６】
１３４．前記別の構造体が別の細長い有機スカホールドである、１３３に記載のプロセス。
【０１５７】
１３５．前記別の構造体が回路要素または電極である、１２９に記載のプロセス。
【０１５８】
１３６．前記スカホールドを除去する前に前記スカホールドを、パターンを備えた構造に結合させる工程をさらに備えた、１２９に記載のプロセス。
【０１５９】
１３７．熱力学的に高いエネルギー相を有するナノワイヤを含むナノワイヤ組成物。
【０１６０】
１３８．前記ナノワイヤの長さが実質的に単分散している、１３７に記載のナノワイヤの集合体。
【０１６１】
１３９．前記ナノワイヤの幅が実質的に単分散している、１３７に記載のナノワイヤの集合体。
【０１６２】
１４０．前記ナノワイヤの長さおよび幅が実質的に単分散している、１３７に記載のナノワイヤの集合体。
【０１６３】
１４１．前記ナノワイヤが10％未満の長さ変動係数と、10％未満の幅変動係数とを有する、１４０に記載の集合体。
【０１６４】
１４２．前記ナノワイヤが5％未満の長さ変動係数と、5％未満の幅変動係数とを有する、１４０に記載の組成物。
【０１６５】
１４３．前記ナノワイヤが無機ナノワイヤである、１３７に記載のナノワイヤ組成物。
【０１６６】
１４４．前記ナノワイヤが半導体材料、金属材料、金属酸化物材料、磁性材料、またはそれらの混合物のナノワイヤである、１３７に記載のナノワイヤ組成物。
【０１６７】
１４５．前記ナノワイヤが半導体材料のナノワイヤである、１３７に記載のナノワイヤ組成物。
【０１６８】
１４６．前記ナノワイヤが金属材料のナノワイヤである、１３７に記載のナノワイヤ組成物。
【０１６９】
１４７．前記ナノワイヤが金属酸化物材料のナノワイヤである、１３７に記載のナノワイヤ組成物。
【０１７０】
１４８．前記ナノワイヤが磁性材料のナノワイヤである、１３７に記載のナノワイヤ組成物。
【０１７１】
１４９．融合無機ナノ粒子を含む、無機ナノワイヤ。
【０１７２】
１５０．１４９に記載の無機ナノワイヤの集合体を含む組成物。
【０１７３】
１５１．半導体材料を含む融合無機ナノ粒子を含む、無機ナノワイヤ。
【０１７４】
１５２．１５１に記載の無機ナノワイヤの集合体を含む組成物。
【０１７５】
１５３．金属材料を含む融合無機ナノ粒子を含む、無機ナノワイヤ。
【０１７６】
１５４．１５３に記載の無機ナノワイヤの集合体を含む組成物。
【０１７７】
１５５．金属酸化物材料を含む融合無機ナノ粒子を含む、無機ナノワイヤ。
【０１７８】
１５６．１５５に記載の無機ナノワイヤの集合体を含む組成物。
【０１７９】
１５７．磁性材料を含む融合無機ナノ粒子を含む、無機ナノワイヤ。
【０１８０】
１５８．１５７に記載の無機ナノワイヤの集合体を含む組成物。
【０１８１】
１５９．有機スカホールド上に設けられた融合無機ナノ粒子を含む無機ナノワイヤ。
【０１８２】
１６０．結晶性である、１５９に記載の無機ナノワイヤ。
【０１８３】
１６１．前記ナノ粒子の結晶軸が前記スカホールドの表面に対して配向している、１６０に記載の無機ナノワイヤ。
【０１８４】
１６２．単結晶ドメインである、１５９に記載の無機ナノワイヤ。
【０１８５】
１６３．１以上の結晶ドメインを有する、１５９に記載の無機ナノワイヤ。
【０１８６】
１６４．前記融合ナノ粒子が単結晶である、１５９に記載の無機ナノワイヤ。
【０１８７】
１６５．本質的に半導体材料、金属材料、金属酸化物材料、磁性材料、またはそれらの混合物からなる、１５９に記載の無機ナノワイヤ。
【０１８８】
１６６．約250 nm〜約5ミクロンの長さと約5 nm〜約50 nmの幅とを有する、１５９に記載の無機ナノワイヤ。
【０１８９】
１６７．約400 nm〜約1ミクロンの長さと約10 nm〜約30 nmの幅とを有する、１５９に記載の無機ナノワイヤ。
【０１９０】
１６８．本質的に半導体材料からなり、約250 nm〜約5ミクロンの長さと約5 nm〜約50 nmの幅とを有する、１５９に記載の無機ナノワイヤ。
【０１９１】
１６９．II-VI族半導体材料を含み、約250 nm〜約5ミクロンの長さと約5 nm〜約50 nmの幅とを有する、１５９に記載の無機ナノワイヤ。
【０１９２】
１７０．実質的に直線状である、１５９に記載の無機ナノワイヤ。
【０１９３】
１７１．半導体材料を含み、実質的に直線状である、１５９に記載の無機ナノワイヤ。
【０１９４】
１７２．熱力学的に高エネルギー相を含む、１５９に記載の無機ナノワイヤ。
【０１９５】
１７３．結晶性であり、半導体材料、金属材料、金属酸化物材料、磁性材料、またはそれらの混合物を含む、１５９に記載の無機ナノワイヤ。
【０１９６】
１７４．単結晶である、１７３に記載の無機ナノワイヤ。
【０１９７】
１７５．前記融合ナノ粒子が単結晶である、１７３に記載の無機ナノワイヤ。
【０１９８】
１７６．実質的に直線状である、１７３に記載の無機ナノワイヤ。
【０１９９】
１７７．約250 nm〜約5ミクロンの長さと約5 nm〜約50 nmの幅とを有する、１７３に記載の無機ナノワイヤ。
【０２００】
１７８．約400 nm〜約1ミクロンの長さと約10 nm〜約30 nmの幅とを有する、１７３に記載の無機ナノワイヤ。
【０２０１】
１７９．実質的に直線状である、１７７に記載の無機ナノワイヤ。
【０２０２】
１８０．実質的に直線状である、１７８に記載の無機ナノワイヤ。
【０２０３】
１８１．１５９に記載の無機ナノワイヤを複数含む組成物であって、前記ナノワイヤの平均長さが実質的に単分散している、組成物。
【０２０４】
１８２．１５９に記載の無機ナノワイヤを複数含む組成物であって、前記ナノワイヤの平均幅が実質的に単分散している、組成物。
【０２０５】
１８３．１５９に記載の無機ナノワイヤを複数含む組成物であって、前記ナノワイヤの平均長さが実質的に単分散しており、平均幅も実質的に単分散している、組成物。
【０２０６】
１８４．前記ナノワイヤが10％未満の長さ変動係数と、10％未満の幅変動係数とを有する、１８３に記載の組成物。
【０２０７】
１８５．前記ナノワイヤが5％未満の長さ変動係数と、5％未満の幅変動係数とを有する、１８３に記載の組成物。
【０２０８】
１８６．１７３に記載の無機ナノワイヤを複数含む組成物であって、前記ナノワイヤの平均長さが実質的に単分散している、組成物。
【０２０９】
１８７．１７３に記載の無機ナノワイヤを複数含む組成物であって、前記ナノワイヤの平均幅が実質的に単分散している、組成物。
【０２１０】
１８８．１７３に記載の無機ナノワイヤを複数含む組成物であって、前記ナノワイヤの平均長さが実質的に単分散しており、平均幅も実質的に単分散している、組成物。
【０２１１】
１８９．複数の無機ナノワイヤを含む組成物であって、前記無機ナノワイヤが有機スカホールド上に設けられた融合無機ナノ粒子を含む、組成物。
【０２１２】
１９０．前記無機ナノワイヤが結晶性である、１８９に記載の組成物。
【０２１３】
１９１．前記ナノ粒子の結晶軸が前記スカホールドの表面に対して配向している、１９０に記載の組成物。
【０２１４】
１９２．個々の無機ナノワイヤが単一の結晶ドメインを含む、１８９に記載の組成物。
【０２１５】
１９３．個々の無機ナノワイヤが１以上の結晶ドメインを有する、１８９に記載の組成物。
【０２１６】
１９４．前記融合ナノ粒子が単結晶である、１８９に記載の組成物。
【０２１７】
１９５．前記無機ナノワイヤが、半導体材料、金属材料、金属酸化物材料、磁性材料、またはそれらの混合物を含む、１８９に記載の組成物。
【０２１８】
１９６．前記ナノワイヤが、約250 nm〜約5ミクロンの平均長さと約5 nm〜約50 nmの平均幅とを有する、１８９に記載の組成物。
【０２１９】
１９７．前記ナノワイヤが、約400 nm〜約1ミクロンの平均長さと約10 nm〜約30 nmの平均幅とを有する、１８９に記載の組成物。
【０２２０】
１９８．前記ナノワイヤが半導体材料を含み、約250 nm〜約5ミクロンの平均長さと約5 nm〜約50 nmの平均幅とを有する、１８９に記載の組成物。
【０２２１】
１９９．前記ナノワイヤがII-VI族半導体材料を含み、約250 nm〜約5ミクロンの平均長さと約5 nm〜約50 nmの平均幅とを有する、１８９に記載の組成物。
【０２２２】
２００．実質的に直線状である、１８９に記載の組成物。
【０２２３】
２０１．前記ナノワイヤの幅が実質的に単分散している、１８９に記載の組成物。
【０２２４】
２０２．前記ナノワイヤの長さが実質的に単分散している、１８９に記載の組成物。
【０２２５】
２０３．前記ナノワイヤの幅および長さが実質的に単分散している、１８９に記載の組成物。
【０２２６】
２０４．前記ナノワイヤが10％未満の長さ変動係数と、10％未満の幅変動係数とを有する、２０３に記載の組成物。
【０２２７】
２０５．前記ナノワイヤが5％未満の長さ変動係数と、5％未満の幅変動係数とを有する、２０３に記載の組成物。
【発明を実施するための最良の形態】
【０２２８】
I.  序文
本発明は一実施形態において、有機スカホールドが実質的に除去された無機ナノワイヤであって、本質的に、有機スカホールドを実質的に含まない融合無機ナノ粒子からなる無機ナノワイヤを提供する。本発明はさらに、これらの無機ナノワイヤを複数含む組成物を提供する。本発明はさらに、複数の無機ナノワイヤを含む組成物であって、無機ナノワイヤが、有機スカホールドを実質的に含まない融合無機ナノ粒子を含む組成物を提供する。
【０２２９】
有機スカホールドは概して除去され、好ましくはナノワイヤ上では検出不能である。この実質的な除去は、残存する重量比の観点から説明することができる。例えば、ナノワイヤおよびスカホールドの総量に対する残存有機スカホールドの量は1 wt.％未満であればよく、より好ましくは0.5 wt.％未満、さらに好ましくは0.1 wt.％未満である。本発明の基本的かつ新規な特徴は、高品質ナノワイヤの製造においてスカホールドを実質的に除去することである。
【０２３０】
別の特許出願（2003年9月22日にBelcherらが出願した米国出願シリアル番号第10/665,721号（「金属材料および磁性材料のペプチド媒介合成」））（全体を参照することにより本明細書に援用する）では、ウイルススカホールドを焼却して、スカホールドが選択的に結合可能な材料から排除することについて記載されている。この出願では、スカホールドを焼却する温度として500〜1,000℃のアニール温度が記載されている。さらにMaoらの「磁性および半導体ナノワイヤの定方向合成用ウイルスベースツールキット」Science 303:213-217 (2004)（全図面および実験に関する部分を含めて参照することにより本明細書に援用する）は、本発明を実施する際に有用となり得る教示を含んでいる。Fairley、Peter、「回路を構築する細菌」IEEE Spectrum 37-41 (2003)（全図面およびナノワイヤにより接続された電極の使用を含む全体を参照することにより本明細書に援用する）もまた、本発明を実施する際に有用となり得る教示（例えばナノワイヤの適用分野）を含んでいる。本出願の優先権主張の基礎となる仮出願であるBelcherらの第60/534,102号（2004年1月5日出願）は、その全体を参照することにより本明細書に援用する。
【０２３１】
本発明の詳細な説明は以下の項目に分けて行う。（１）序文、（２）実質的に除去されるスカホールド、（３）ナノワイヤ、（４）ナノワイヤの製造方法、（５）ナノワイヤの適用、および（６）実施例。
【０２３２】
II.  スカホールド
スカホールドは最終的には実質的にナノワイヤから除去されるが、本発明の重要な一部分である。本発明の実施に際し、当業者は、スカホールドを設計し合成する方法についての手引きとして、本明細書に引用し最後に列挙した技術文献を参照するとよい。例えば、本発明は有機スカホールドに関しており最も広い範囲ではウイルススカホールドに限定されないが、ウイルススカホールドは好ましい実施形態である。特にウイルスである細長い有機スカホールドを用いることができ、用語「ウイルス」は完全なウイルスとキャプシドなどのウイルスサブユニットとの両方を含み得る。上記文献は、材料合成において利用する認識特性を遺伝子操作することによってウイルススカホールドを調製すること記載している。これは、技術的に有用な特性およびナノオーダーのディメンションを有する無機材料の製造においてウイルスを用いることを含む。当業者は本発明の実施に際して、スカホールド上で無機ナノワイヤを調製するために上記文献を用いるとよい。スカホールドは後に実質的に排除され、無機ナノワイヤは実質的にスカホールドを含まなくなる。スカホールドの除去が意図されている場合、スカホールドは「犠牲スカホールド」とも呼ばれる。
【０２３３】
例えば当業者は以下の特許文献を参照して、ウイルス、遺伝子操作方法、および遺伝子操作ウイルスと共に用いる材料を選択するとよい。ファージディスプレイライブラリおよびバイオパニングにそれを用いた実験方法は、例えば以下のBelcherらの米国特許公開公報にさらに記載されている。(1)「ナノ粒子核形成の生物学的制御、形状、および結晶相」(2003/0068900、2003年4月10日公開）、(2)「遺伝子操作中規模ウイルスを用いたハイブリッド材料のナノスケールオーダリング」（2003/0073104、2003年4月17日公開）、(3)「ナノ粒子の生物学的制御」（2003/0113714、2003年6月19日公開）、および(4)「材料の分子認識」（2003/0148380、2003年8月7日公開）。これらは各々その全体を参照することにより本明細書に援用する。当業者に有用なさらなる特許出願には、材料合成および適用のために遺伝子操作ウイルスを用いたウイルスおよびペプチドの研究が記載されている。これらの特許出願は例えば、(1)Belcherらが2003年9月4日に出願した米国特許出願シリアル番号第10/654,623号（「２機能生物材料の組成物、方法、および使用」）、(2)Belcherらが2003年9月22日に出願した米国特許出願シリアル番号第10/665,721号（「金属材料および磁性材料のペプチド媒介合成」）、(3)Belcherらが2003年9月24日に出願した米国特許出願シリアル番号第10/668,600号（「製造バイオフィルム貯蔵装置」）、(4)Belcherらが2003年10月15日に出願した米国特許仮出願シリアル番号第60/510,862号および2004年10月15日に出願した米国特許出願シリアル番号第10/965,665号（「ウイルスファイバ」）、および(5)Belcherらが2003年10月15日に出願した米国特許仮出願シリアル番号第60/511,102号および2004年10月15日に出願した米国特許出願シリアル番号第＿＿＿＿＿＿号（「多機能生物材料．．．」）を含む。これらは各々参照することにより本明細書に援用する。これらの文献は、接合構造体へ結合のために実施し得る様々な特定の結合改変、および特定の結合用に改変された材料の存在下で接合構造体を形成することを記載している。特に、ポリペプチドおよびアミノ酸オリゴマー配列はウイルス粒子の表面上で発現し得る。ウイルス粒子の表面とは、M13バクテリオファージなどの細長いウイルス粒子の両端部と長さ方向に沿った部分との両方を含む。上記発現は、pIIIおよびpVIII発現、pIX、pVIIおよびpVI発現、ならびにこれらの組み合わせを含む。これらの発現部位を用いると、ウイルスを操作することによりウイルスの長さ方向に沿った部分、ウイルスの両端部、または任意の数の他の部位およびこれらの部位の組み合わせにおいて表面ペプチドを発現することができる。改変用の単一部位は、特定の結合用の１より多いユニットで改変することができる。例えば、pVIII部位は明確に異なる２つの結合ユニットを有するように改変することができる。さらに、互いに異なる改変用の部位を同一または異なる結合部位で改変することができる。例えば、ウイルス粒子の端部を改変して特異的に第１の材料を結合させる一方で、ウイルス粒子の本体部を改変して第２の材料を結合させることができる。複数の結合部位を用いて、多機能スカホールドを作成することができる。多機能スカホールドは様々に適用できるが、特定の操作で組成を変えながらナノワイヤを形成するために用いることができる。ナノ粒子が結合部位で���形成されるように結合部位を設計することができるし、あるいは予備形成されたナノ粒子を結合するように結合部位を設計することもできる。スカホールドは十分な結合ユニットで機能化されて、ナノワイヤの形成に必要な所望の濃度を達成することができる。
【０２３４】
さらに、Whaleyらの論文「定方向ナノ結晶アセンブリに対して半導体結合特異性を有するペプチドの選択」Nature、Vol. 405、（2000年6月8日）、665-668頁（参照することにより本明細書に援用する）は、組合せライブラリを用いて、結合特異性を有するペプチドを選択する方法を記載している。この論文は具体的には、約109の異なるペプチドを有する組合せライブラリを用いて、半導体に対する結合特異性を有するペプチドを選択する方法を記載している。各々が12のアミノ酸を含むランダムなペプチドの組合せライブラリを融合してM13コリファージのpIIIコートタンパク質にし、結晶性半導体構造体に曝した。半導体材料に結合したペプチドを溶出し、増幅し、よりストリンジェントな条件で再び半導体材料に曝した。選択サイクルを５回繰り返した後、半導体特異的ファージを単離して配列し、結合ペプチドを決定した。このようにして、半導体材料の結晶構造と組成に応じて高い結合特異性を有するペプチドを選択した。この技術を改変して、半導体材料だけでなく有機材料および無機材料の両方の範囲の材料に対して結合特異性を有するペプチドを得ることができる。
【０２３５】
当業者は例えば、C. E. Flynnら、Acta Materialia、vol. 13、2413-2421 (2003)、「材料の成長、構成およびアセンブリ用のビヒクルとしてのウイルス」を参照するとよい。この文献およびこの文献内で引用されている他の文献を、その全体を参照することにより本明細書に援用する。さらに以下の文献12(Maoら、PNAS)を、核形成および図１に示す構成を含む全ての教示を参照することにより本明細書に援用する。さらに特に文献17(Flynnら、J. Mater. Chem)を、水性塩組成物を用いて、結晶構造内で方向づけられたナノ結晶を核形成することに関する記載と認識部位による配向に関する記載とを含む全体を参照することにより本明細書に援用する。本発明によると、これらの核形成されたナノ結晶を、スカホールドが実質的に除去された単結晶および多結晶ナノワイヤに変換することができる。
【０２３６】
スカホールドはさらに、好ましい実施形態では遺伝子プログラミングという役割を有することが記載されている。ウイルススカホールドは好ましい実施形態を表しているが、本発明は他のタイプの非ウイルススカホールドをも包含する。M13ウイルスはスカホールドの好ましい実施形態であるが、本発明はこのウイルスに限定されない。
【０２３７】
スカホールドはウイルス全体、ビリオン、またはキャプシドを含むウイルスサブユニットを含み得る。ウイルスサブユニットは、タンパク質、ペプチド、核酸、DNA、およびRNAなどを様々な組合せで含む。スカホールドはペプチドと核酸の両方が存在することを必要としない。例えば、寸法、形状または構造の点でウイルスをまねてはいるが、核酸を含まない、および／または宿主を感染させて複製を作る能力を有し得ないウイルス模造品を使用または操作することができる。当業者は、純粋に合成方法に基づいて個々の成分からウイルススカホールドを調製することもできるし、ヒトが改変したか否かにかかわらず自然の材料を用いる、より伝統的な方法を用いて調製することもできる。
【０２３８】
スカホールドがウイルスまたはウイルスサブユニットである好ましい実施形態では、スカホールドの構造および機能を遺伝子プログラミングおよび／または遺伝子操作によって個別に調整および設計して、ナノワイヤなどの１次元材料を製造する。遺伝子プログラミングを用いて、スカホールドを特定の適用に合わせて調整することができる。その適用は後述する。第Ｉ項に記載した文献も遺伝子プログラミングについて記載しているが、この項では本発明の実施に際して遺伝子プログラミングを使用することについてさらに述べる。例えば、Christopher RingおよびE. D. Blair（編）、「遺伝子操作ウイルス」Bios Scientific、2001を参照のこと。この文献は、遺伝子材料のビヒクルおよび発現物としてのウイルスの使用に関する開発および適用について記載している。これらのウイルスは例えば、原核生物ウイルス、昆虫ウイルス、植物ウイルス、動物DNAウイルス、および動物RNAウイルスを含む。本発明によると、遺伝子プログラミングを実施して、ウイルスのディスプレイペプチドの異なる特徴を用いてスカホールドを操作することができる。上記ウイルスとは例えば繊維状バクテリオファージ、例えばロッド形状のM13ウイルスである。遺伝子プログラミングを用いて、材料合成用スカホールド、１以上のウイルス粒子サブユニットを含むウイルススカホールドを制御することができる。このウイルス粒子サブユニットは、ウイルスの核酸サブユニットを含んでも含まなくてもよい。さらにスカホールドは感染性を保持していてもいなくてもよい。
【０２３９】
材料操作に対する遺伝子操作アプローチの一般的な商業上の利点は、材料特異的なアドレサビリティに加えて、ウイルスの長さと外形を特定できることである。例えば、細長い有機スカホールドの長さを遺伝子操作によって制御してもよい。この長さの操作によって例えば、制御された特定の長さを有するナノワイヤの設計が可能となる。このように、スカホールドの長さと外形を制御するために様々な方法を用いることができる。
【０２４０】
例えば、繊維状ウイルスの長さは概してパッケージされた遺伝情報のサイズ、およびビリオンのpVIII由来コアとDNAとの静電バランスに関連する。例えば、B. K. Kay、 J. Winter、J. McCafferty、「ペプチドおよびタンパク質のファージディスプレイ：研究室マニュアル」Academic Press、San Diego、1996、Greenwoodら、Journal of Molecular Biology 217:223-227 (1992)を参照のこと。AMFにより観察されるファージは、完全なM13ゲノムとそれより短いファージミドのいずれがサンプル調製に用いられるかによるが、概して約860 nmであり、短いものでは560 nmであると見られる。例えば、文献12のC. Mao、C. E. Flynn、A. Hayhurst、R. Sweeney、J. Qi、J. Williams、G. Georgiou、B. Iverson、A. M. Belcher、Proc. Natl. Acad. Sci. 2003、100、6946を参照のこと。さらに、pVIIIの内端で単一のリジンをグルタミンに変えることにより、野生型ファージより約35％長い粒子を生成することができる。例えば、J. Greenwood、G. J. Hunter、R. N. Perham、J. Mol. Biol. 1991、217、223を参照のこと。
【０２４１】
さらに、ウイルス粒子の特定のリンケージ、結合、連鎖は比較的長いウイルススカホールドの生成、したがって比較的長いナノワイヤの生成の助けになり得る。複数回に亘る追加は、総合モチーフを操作して１つのウイルスにすることにより制御し得る。このウイルスは、別のウイルス上の結合部位を正確に認識することができる。例えば、pIIIタンパク質はM13ウイルスの一端に存在しており、ペプチドとタンパク質との融合を表示するのに用いることができる。ウイルスの他端では、pIXおよびpVIIタンパク質もまた改変対象となり得る。例えば、Gaoと同僚研究者らはpIXとpVIIとの融合を利用して抗体重鎖および軽鎖可変領域を表示した。（例えば、C. Gao、S. Mao、G. Kaufmann、P. Wirsching、R. A. Lerner、K. D. Janda、Proc. Natl. Acad. Sci. 2002、99、12612を参照のこと。）さらに、ウイルスの遺伝子改変については、例えば米国特許第6,472,147号も参照のこと。これら端部での改変は、ウイルス粒子を直接結合させるのに用いてもよい。あるいは端部での改変は特異的にリンカーに結合し得る。リンカーは任意の適切な材料であればよい。例えばリンカーはナノ粒子、アミノ酸オリゴマー、核酸オリゴマー、またはポリマーであってもよい。本発明は、二方式ヘテロ構造を生成するためであるか、pVIIIと共に端部機能化ナノワイヤを生成するためであるかに拘わらず、両端ウイルス表示を包含する。
【０２４２】
さらに、両端方向リンケージにより、興味深く商業的にも有用な他の外形（例えば環状、矩形、および他のアレイなど）の形成も可能になる。リンカーを用いずにウイルスの一端を直接他端に結合させることを用いて、環、ワイヤ、または他のウイルスベースの構造体を形成することができる。認識部位とそれに対応する接合部分を操作して単一または複数のウイルスにすることにより、系全体を遺伝子プログラミングすることができる。
【０２４３】
本発明の重要な利点は、有機スカホールドが活性スカホールドであり得ることである。活性スカホールドは無機ナノワイヤ合成用のテンプレートとして役立つだけでなく、無機ナノワイヤを他の構造体に連結することを積極的に補助する。例えば、一端で別の構造体に結合するように設計された有機スカホールドを用いて、無機ナノワイヤをこの構造体に連結することができる。スカホールドとナノワイヤとを互いに連結して、例えば類似または異なる材料のセグメントを形成することができる。この実施形態では、ナノワイヤの組成は長さに応じて変化する。
【０２４４】
遺伝子操作による長さ制御、外形制御、および結合制御などに基づき特定の適用に合わせて設計することができるタイプのウイルス構造についてさらに述べる。ウイルススカホールドは特に限定されず、異なるタイプのウイルスの組合せも用いることができる。概して多機能化可能なウイルスを用いることができる。概して、長くて繊維状構造を有するウイルス粒子を用いることができる。例えば、Christopher Ring（編）、「遺伝子操作ウイルス」Bios Scientific、2001、11-21頁を参照のこと。さらに、他のウイルス外形（例えば十二面体および二十面体）も多機能化可能であり、複合材料を生成するために使用可能である。可撓性ロッドとして機能し、液晶および他の整合した構造体を形成し得るウイルス粒子も用いることができる。
【０２４５】
特に、ファージディスプレイライブラリ、定方向進化、およびバイオパニングも、ウイルスの遺伝子プログラミングの重要な一部分であり、ウイルス設計においてバイオパニングされたウイルスを用いることもできる。この場合、ウイルス粒子が、バイオパニングの対象であった材料を認識しそれに結合することができる。さらに材料を核形成して、特定の認識部位および結合部位の存在下で特定の形態（ナノ粒子形態など）に合成することもできる。繊維状ウイルスをいわゆる定方向進化またはバイオパニングに用いることは、例えばLadnerらの米国特許第5,223,409号および第5,571,698号（「新規な結合タンパク質の定方向進化」）を含む特許文献にもさらに記載されている。ウイルスの認識特性に関しては、米国特許第5,403,484号（現在市販されているファージディスプレイライブラリ）およびWO03/078451にも記載されている。
【０２４６】
２以上の異なる種類のウイルスの混合物も使用可能である。ウイルス粒子と非ウイルス材料との混合物も、本発明を用いる材料の形成に使用可能である。
【０２４７】
ウイルスおよびウイルス粒子は、ウイルス全体と、少なくともウイルスキャプシドを含むウイルスの一部分との両方を含む。用語「ウイルス」はウイルスとファージとの両方を意味する。ウイルス全体は核酸ゲノム、キャプシドを含み得、適宜エンベロープを含み得る。本発明に記載するウイルスはさらに、天然および非相同アミノ酸オリゴマー（例えば細胞接着ファクタ）の両方を含み得る。核酸ゲノムは天然ゲノムであってもよいし、操作ゲノムであってもよい。ウイルス粒子はさらに、少なくともキャプシドを含むウイルスの一部分を含む。
【０２４８】
概してウイルス粒子は天然構造を有している。すなわちウイルスのペプチド部分と核酸部分とが特定の幾何学的構造で配列されている。この構造は、膜およびファイバなどの固体自己支持形態に組み込まれたときに保持されることが求められる。
【０２４９】
発現ペプチドを有するウイルスが好ましい。発現ペプチドは、特定の結合部位としてペプチドオリゴマーとアミノ酸オリゴマーとを含む。アミノ酸オリゴマーは、ウイルスに対して天然であるか非相同であるかに拘わらず任意のアミノ酸配列を含み得る。アミノ酸オリゴマーの長さはいずれでもよく、アミノ酸オリゴマーは非アミノ酸成分を含んでもよい。約5〜約100、より好ましくは約5〜約30のアミノ酸ユニットを特定の結合部位として有するオリゴマーを用いることができる。非アミノ酸成分は糖、脂質、または無機分子を含むがこれらに限られない。
【０２５０】
ウイルス粒子の寸法とディメンションは、粒子が異方性で細長くなるようなものであればよい。概してウイルスは、少なくとも25、少なくとも50、少なくとも75、少なくとも100、あるいはさらに少なくとも250または500のアスペクト比（幅に対する長さの比、例えば25:1）を有することを特徴とし得る。
【０２５１】
本発明の実施には様々なウイルスを用いることができる。本発明の組成および材料は、単一タイプの複数のウイルス、または複数の異なるタイプのウイルスを含み得る。好ましくは、本発明を構成するウイルス粒子は螺旋ウイルスである。螺旋ウイルスの例は、タバコモザイクウイルス(TMV)、ファージpf1、ファージfd1、CTXファージ、およびファージM13を含むがこれらに限られない。これらのウイルスは概してロッド形状であり、剛性であっても可撓性であってもよい。当業者は、ウイルスの使用目的および特性に応じてウイルスを選択するとよい。
【０２５２】
好ましくは、本発明のウイルスは、ウイルス表面にアミノ酸オリゴマーを含む１以上のペプチド配列を発現するように操作されている。アミノ酸オリゴマーはウイルスに対して天然であってもよいし、特定の必要性に合わせて他の生物体から引き出されたか又は操作された非相同配列であってもよい。
【０２５３】
いくつかの文献が、ウイルスを操作してアミノ酸オリゴマーを発現させることを教示しており、本発明を実施する際に補助として使用し得る。例えばLadnerらの米国特許第5,403,484号は、ウイルス表面上での非相同結合ドメインの選択と発現を開示している。Studierらの米国特許第5,766,905号は、キャプシドタンパク質の少なくとも一部分をエンコードするDNAと、その後に続く、異質のDNA配列を挿入するクローン部位とを含む表示ベクターを開示している。記載されている組成は、注目するタンパク質またはペプチドを表示するウイルスを生成するのに有用である。Spoonerらの米国特許第5,885,808号は、アデノウイルス、および改変された細胞結合部分でアデノウイルスを改変する方法を開示している。Valerioらの米国特許第6,261,554号は、注目する遺伝子と、特定の結合対の一員を運搬するウイルスキャプシドまたはエンベロープとを含む操作遺伝子送達ビヒクルを示している。Liの米国特許出願第2001/0019820号は、分子（例えばポリペプチド、細胞、レセプターおよびチャネルタンパク質）の検出のために表面上にリガンドを発現するように操作されたウイルスを示している。
【０２５４】
遺伝子操作ウイルスは、Kay, B. K.、Winter, J.、McCafferty, J.「ペプチドおよびタンパク質のファージディスプレイ：研究室マニュアル」Academic Press: San Diego, 1996、特に第３章「ファージディスプレイ用ベクトル」およびそこで引用されている文献に記載されている方法およびベクターで調製することができる。さらに、遺伝子操作ウイルスは、Barbasらの「ファージディスプレイ、研究室マニュアル」(2001)、特に第２章「ファージディスプレイベクトル」およびそこで引用されている文献に記載されている方法で調製することができる。ベクトルのタイプは特に限定されない。Barbasの表2.1は、様々な組合せで用いて多機能ウイルスを提供することができるウイルスの例を示している。例えば、タイプ3とタイプ8+8とファージミドタイプp7/p9とを組合せることができる。あるいは所望であれば、タイプ8とタイプ3とをファージミドタイプp7/p9と組合せることもできる。当業者であれば特定の適用に基づいて他の組合せも開発することができる。コートタンパク質の一部または実質的にすべてのコピー上にペプチドを表示する方法を開発することができる。
【０２５５】
M13系が繊維状ウイルススカホールドの好ましい実施形態であるが、他のタイプの繊維状ウイルススカホールドも使用可能である。野生型繊維状M13ウイルスは直径約6.5 nmであり長さ880 nmである。円筒の長さは、パッケージされた単鎖DNAゲノムサイズの長さを反映する。M13ウイルスの一端には約5個の分子があり、各々がタンパク質VII(pVII)とタンパク質IX(pIX)の分子である。他端には約5個の分子があり、各々がタンパク質III(pIII)とタンパク質VI(pVI)の分子である。分子の全長は10〜16 nmである。野生型M13ウイルスコートは螺旋アレイ状に5個毎に積層された主要コートタンパク質VIII(pVIII)の約2800のコピーを含む。
【０２５６】
まとめると、ナノメータスケールで材料の定方向核形成を行うためにファージディスプレイ技術により基質特異性ペプチドを進化させることは、すでにAngela Belcherと同僚研究者ら（上記記載を参照のこと）により論文および特許で報告されており、本発明のウイルススカホールドまたはテンプレート(16)における材料特異性の基礎として役立つ。ファージライブラリーをスクリーニングして無機系（例えばZnS、CdS (12、17)、FePt系およびCoPt系(18)を含む）を核形成し集める能力をチェックすることにより、共通配列CNNPMHQNC (A7と呼ぶ; ZnS)、SLTPLTTSHLRS (J140と呼ぶ; CdS)、HNKHLPSTQPLA (FP12と呼ぶ; FePt)、およびACNAGDHANC (CP7と呼ぶ; CoPt)が得られた。上記スクリーニングには、ジスルフィド含有ヘプタペプチドまたは線形ドデカペプチドを発現させる市販のバクテリオファージライブラリを用いた。これらのペプチドを、M13バクテリオファージウイルスの高度に整合された自己アセンブリ型キャプシドに組み込むことにより、線形テンプレートを得た。この線形テンプレートは、粒子相と組成とを同時に制御できる上に、タンパク質構築基本ブロックを遺伝子調整することにより材料の適合性を容易なまま維持する。材料成長を引き起こすタンパク質配列は、ウイルスのキャプシドに連関されキャプシド内に含まれる遺伝子であるため、このスカホールドの正確な遺伝子コピーは、細菌宿主の大量の懸濁液に感染させることにより比較的容易に生成される。
【０２５７】
ナノワイヤを調製するために、周囲に形成されたナノ粒子を収集してスカホールド上に設け、融合によりナノワイヤを形成することが可能な異方性スカホールドを用いることができる。本発明によると、スカホールドが実質的に除去された無機ナノワイヤ組成物を生成することができる。非ウイルススカホールドも使用可能である。非ウイルススカホールドは例えば様々な他の有機スカホールドを含み、これには例えば、有機骨格上のサイドグループとしてペプチドまたはタンパク質認識ユニットを有するスカホールドが含まれる。例えば、有機骨格は、当該分野で周知の合成ポリマー骨格であってもよい。例えばポリマースカホールドを用いることができるが、これは例えばペプチドユニットにより機能化された均一な分子量分布を有する改変ポリスチレンを含む。別の例は、認識部位を有するように改変された分枝ポリペプチドまたは核酸である。さらに別の例は、ナノリソグラフィーにより印刷されたペプチド構造体、例えばナノスケールの幅を有する線である。概してDNA、タンパク質およびポリペプチドは、認識ユニット（ペプチド認識ユニットなど）を用いて、有機スカホールドとして機能するように改変することができる。適切な認識ユニットは、アミノ酸オリゴマー、核酸オリゴマー、ポリマー、有機分子（例えば抗体、抗原、細胞接着ファクタおよび栄養作用ファクタ）、無機材料を含むがこれらに限定されない。
【０２５８】
一実施形態では、直接遺伝子操作されていないスカホールドとウイルス粒子とを用いることができる。しかし概して、所望の特性は、ウイルスが遺伝子操作されたとき又はスカホールド設計中に遺伝子操作が用いられたときに達成され得る。
【０２５９】
III.  ナノワイヤ
前項に記載した方法を用いてウイルスを遺伝子操作して、最終的に本発明による無機ナノワイヤを製造する全体プロセス中で、ウイルスがスカホールドとして機能し接合部分に結合するようにすることができる。例えば、ロッド形状のウイルスは、ナノ粒子材料の合成をロッドの長さ方向に沿うように方向づけることができる。これらのナノ粒子材料を融合してナノワイヤを形成することができる。
【０２６０】
本発明によると、接合材料は、ナノ粒子（例えば無機ナノ結晶）を形成する無機材料であってもよい。これらの無機ナノ粒子から、スカホールドが除去された後は本質的に融合無機ナノ粒子からなる無機ナノワイヤを形成することができる。接合材料および無機ナノ粒子は本質的に、技術的に有用な材料、例えば半導体材料（ドープされているかいないかに拘わらない）、金属材料、金属酸化物材料、および磁性材料からなり得る。様々な金属酸化物材料（例えばシリカ、アルミナ）は本発明の範囲に含まれる。ナノテクノロジーの商業的適用として注目されるさらなる材料は、例えば(a) C. Lieber、「ナノテクノロジーを理解する」Warner Books、2002（「驚異の縮小する回路」という章、92-103頁に記載のナノワイヤおよびナノチューブなどの回路材料を含む）、 (b) Philip Ball、「測定するために作られる；２１世紀の新しい材料」Princeton University、および(c) C. P. Poole Jr.、F. J. Owens、「ナノテクノロジーの紹介」Wiley、2003に記載されている。ナノワイヤの場合、好ましくは、スカホールド上で調製された材料は導電性であるか、半導体であるか（元来そうであるか、ドーピングによるかには拘わらない）、光を伝達するか、磁性であるか、技術的に有用な他の特性を有する。他の特性とは、強誘電性、圧電性、逆圧電性、および熱電性を含む。
【０２６１】
半導体は特に重要な無機ナノワイヤ材料である。半導体材料は例えば、合金を含む標準的な材料のいずれであってもよく、IV-IV族（例えばSi、Ge、Si(1-x)Gex）、III-V族バイナリ(例えばGaN、GaP)、III-V族ターシャリ(例えばGa(As1-xPx))、II-VI族バイナリ(例えばZnS、ZnSe、CdS、CdSe、CdTe)、IV-VI族バイナリ(例えばPbSe)、遷移金属酸化物(例えばBiTi03)、およびこれらの組合せを含む。
【０２６２】
磁性材料は当該分野で公知のものであればよく、ナノ構造磁性材料を含む。例えばC. P. Poole Jr.、F. J. Owens、「ナノテクノロジーの紹介」Wiley、2003、第７章、165-193頁（「ナノ構造強磁性」）およびそこに引用されている文献を参照のこと（例えば193頁を参照のこと)）。
【０２６３】
概して本発明は理論に限定されないが、ナノワイヤの構造は、ナノ粒子がナノワイヤに形成され、プロセスの最後に破壊されて融合構造になるというものであってもよい。ナノワイヤの多孔度は特に限定されないが、概して非多孔性ナノワイヤ材料が好ましい。これは特に、多孔度が所望の導電性に相反する導電性適用分野において好ましい。あるいはナノワイヤは多孔性であってもよい。
【０２６４】
ナノワイヤは結晶性であってもよい。ナノワイヤは単結晶ドメインであってもよいし、１以上の結晶ドメインを有していてもよい。一実施形態では、融合ナノ粒子が単結晶である。結晶相は熱力学的に好ましい結晶状態であってもよいし、熱力学的には好ましくない結晶が融合前に結晶性ナノ粒子の相対的配向によってロックされる結晶状態であってもよい。ナノ粒子は任意の様式で配向することができる。例えば、ナノ粒子の結晶軸がスカホールド表面に対して配向していてもよい。所望の結晶構造を達成するため、または結晶構造を単結晶構造に変換するために、製造方法（下に述べる）において様々に熱処理を行うことができる。有機スカホールドを除去するために様々に熱処理を行うこともできる。融合および有機スカホールドの除去が同じ温度で行われる場合もあれば、融合が除去の前に行われる場合もある。
【０２６５】
ナノワイヤの長さは例えば約250 nm〜約5ミクロン、より好ましくは約400 nm〜約1ミクロンであるとよい。
【０２６６】
ナノワイヤの幅は例えば約5 nm〜約50 nm、より好ましくは約10 nm〜約30 nmであるいとよい。
【０２６７】
ある実施形態では、ナノワイヤの長さが例えば約250 nm〜約5ミクロンであり、幅が約5 nm〜約50 nmであり得る。別の実施形態では、ナノワイヤの長さが例えば約5 nm〜約50 nmであり、幅が約10 nm〜約30 nmであり得る。
【０２６８】
複数のナノワイヤがある場合、長さおよび幅は、材料科学の分野で公知の統計方法を用いて平均長さおよび平均幅で表現することができる。例えば、ナノワイヤの平均長さは例えば約250 nm〜約5ミクロン、より好ましくは約400 nm〜約1ミクロンであるとよい。ナノワイヤの平均幅は例えば約5 nm〜約50 nm、より好ましくは約10 nm〜約30 nmであるとよい。
【０２６９】
さらに複数のナノワイヤがある場合、ナノワイヤの長さおよび／または幅が実質的に単分散し得る。単分散が起こるのは、均一な長さおよび幅を有するナノワイヤがスカホールドから集められるからである。ここでも材料科学で公知の統計方法を用いて、長さおよび幅の多分散性を計算することができる。例えば、ナノワイヤの像を入手して、例えば統計的分析用に20〜50個のナノワイヤを選択するとよい。標準偏差を平均値で除算して変動係数(CV)が計算され得る。CVは例えば約20％未満、より好ましくは約10％未満、さらに好ましくは約5％未満、さらに好ましくは約3％未満であり得る。
【０２７０】
ナノワイヤは実質的に直線状であるとよい。例えば、直線性は(1)ナノワイヤの実長を測定し、(2)実際の端から端までの長さを測定し、(3) 実際の端から端までの長さに対する実長の割合を計算することによって推定することができる。完全に直線のナノワイヤの場合、割合は１となる。本発明では１に近い割合（例えば1.5未満、1.2未満、1.1未満）を達成することができる。
【０２７１】
本発明の無機ナノワイヤはさらに、他のタイプの接合材料と組み合わせても形成することができる。この場合は例えば多機能スカホールドを用いて、比較的長い構造体が形成される。したがって接合材料はこれらの比較的大きい構造物の場合、特に無機材料に限定されず、材料を組合せて用いることができる。接合材料は概して特定の適用に向けて選択される。接合材料は、それに対してウイルス材料がバイオパニングされるように選択することができる。それにより接合材料が選択的または特異的にウイルス粒子に結合される。選択的結合で十分である適用もあれば、より強力な特異的結合が好まれる適用もある。比較的大きな構造体において使用可能な一般的なタイプの接合材料の例は、無機、有機、粒子、ナノ粒子、単結晶、多結晶、アモルファス、金属、磁性、半導体、ポリマー、導電性、光学活性、導電性ポリマー、発光性、および蛍光材料を含む。接合材料は例えば、本明細書を通して引用しているAngela Belcherと同僚研究者らの特許公報および技術文献にさらに記載されている。
【０２７２】
まとめると、本発明は概して、1-Dナノ構造体の一般的普遍的合成に関する。1-Dナノ構造体はナノワイヤを含む。合成は、好ましい実施形態では、結晶性ナノ粒子を定方向成長させてアセンブリにより1-Dアレイを形成するためにウイルススカホールド遺伝子的に改変し、続いてウイルス−粒子アセンブリをアニールして、配向された凝集ベースの結晶成長により高アスペクト比の結晶ナノワイヤ(14、15)（図２Ａ）を得ることに基づく。基本的に異なる材料（例えばII-V族半導体であるZnS、CdSと、Ll0強磁性合金であるCoPt、FePt）から類似ナノワイヤ構造体を合成することは、ウイルススカホールドの普遍性と、遺伝子改変によって材料特性を精密に制御できるということの両方を示している。このアプローチは他の合成方法(6)とは対照的に、結晶性半導体、金属、酸化物、および磁性材料の遺伝子制御を普遍的スカホールドテンプレートを用いて行うことを可能にする。
【０２７３】
IV.  無機ナノワイヤの製造方法
本発明はまた、無機ナノワイヤの製造方法を提供する。これは以下の実施例でさらに具体的に述べる。例えば本発明は、無機ナノワイヤを形成する方法であって、（１）無機ナノワイヤ用の１以上の前駆体材料を提供する工程と、（２）細長い有機スカホールドを提供する工程と、（３）スカホールドの存在下において１以上の前駆体材料を反応させてナノ粒子を形成する工程であって、ナノ粒子を細長い有機スカホールドに沿って設ける工程と、（４）スカホールドとナノ粒子とを熱処理して、ナノ粒子の融合により無機ナノワイヤを形成する工程と、を含む方法を提供する。ある実施形態では熱処理は行われず、方法は上記（１）〜（３）の工程を含む。このナノワイヤ形成方法は複数のナノワイヤを形成するためにも用いることができる。
【０２７４】
これらの方法には、前項で述べた、結晶性、材料の種類、サイズ（長さおよび幅）、単分散性、および直線性を有する無機ナノワイヤが記載されている。さらにこれらの方法には、選択的認識の潜在性を有するウイルス系を含む上記の細長い有機スカホールドが記載されている。これらの方法は、有機スカホールドを実質的に除去することを含む。
【０２７５】
本発明はナノワイヤを形成する反応の種類および前駆体材料によって特に限定されない。概して反応および前駆体材料はスカホールドと適合すべきである。100℃未満の温度で反応がナノ粒子の形成に使用可能である。好ましい実施形態では、処理工程は、金属前駆体塩の化学反応を含む。前駆体材料は、例えばナノ粒子を形成する、予備形成されたナノ粒子または材料であってもよい。
【０２７６】
好ましい実施形態では、ナノ粒子は約2 nm〜約10 nm、より好ましくは約3 nm〜約5 nmの平均直径を有し得る。ナノ粒子は熱処理前および／または後に結晶性であってもよい。ナノ粒子は熱処理前および／または後で融合されてもよい。例えば熱処理は、熱処理前に融合していなかったナノ粒子を融合するように作用してもよい。ナノ粒子は配向していてもよいし、していなくてもよい。
【０２７７】
熱処理工程の温度および時間は特に限定されていないが、用いる前駆体材料と最終ナノワイヤの材料によって変わり得る。温度を選択する際に、例えば材料の融点とアニール挙動を考慮してもよい。概して約100℃〜約1,000℃の温度が使用可能である。熱処理を用いてナノ粒子を融合させて単一構造体にし、さらに特定の材料による特定の適用に合わせてスカホールドを除去してもよい。原則として、ナノワイヤの多孔度とナノ粒子の融合度は温度に影響され得る。好ましい実施形態では、熱処理工程は約300℃以上、500℃までで行うことができる。概して、且つ材料に応じて、融合度が低く多孔度の高いナノワイヤが望まれる場合は、比較的低温（例えば約200℃〜約300℃）を用いるとよい。熱処理工程は前駆体材料の融点より低い温度で行うことができる。温度は所望の結晶相を達成するように選択されてもよく、所望の結晶相は低エネルギー相であっても高エネルギー相であってもよい。所望であれば、温度プログラム工程を用いて、ナノ粒子の融合、対象結晶相、および所望であればスカホールドの除去を個別に調整してもよい。スカホールドが完全に除去され焼却されることを確実にするためには、比較的高温（例えば約500℃〜約1,000℃）を用いるとよい。スカホールドの除去を避けるためには、比較的低温（例えば約50℃〜約300℃）を用いるとよい。しかし、ナノワイヤの過剰な酸化が起こらないように温度と時間を選択してもよい。熱処理の時間は特に限定されないが、例えば30分〜12時間であり得る。好ましくは、熱処理の温度と時間は、ナノ粒子融合の最適なバランスを達成しながら酸化物の形成を減少させて結晶構造の安定性を高めるように調整してもよい。
【０２７８】
一実施形態では本発明は、細長い有機スカホールドを用いてナノワイヤを製造するプロセスであって、（１）スカホールドの長さ方向に沿った結合部位とスカホールドの少なくとも一端の結合部位とを含む複数の結合部位を含む細長い有機スカホールドを提供する工程と、（２）ナノワイヤ前駆体組成物をスカホールドの長さ方向に沿って設けてスカホールドを付与された前駆体組成物を形成する工程と、（３）スカホールドを付与された前駆体組成物を処理してナノワイヤを形成する工程と、を含むプロセスを提供する。一実施形態では、細長い有機スカホールドは両端に結合部位を有する。別の実施形態では、プロセスはさらに、スカホールドの一端の結合部位を用いて別の構造体に結合する工程を含む。別の結合体は例えば、別の細長い有機スカホールド、電極、回路要素、半導体材料、導電性材料、磁性材料、または生体分子であり得る。スカホールドはパターンを有する構造体（例えば回路基板）に結合してもよい。処理工程は本明細書ですでに詳細に述べた熱処理工程であってもよい。スカホールドは除去してもよいし、手をつけずに残してもよい。
【０２７９】
V.  適用
本発明のナノワイヤは多くの異なる商業的適用で用いることができる。その一部は上記したが、上記の特許出願および本明細書の最後に列挙している文献に記載されている。ナノワイヤは例えば、ナノスケールで導電性または半導体性を必要とする適用分野に用いることができる。ナノワイヤの容積に対する表面積の割合が高いことが、燃料電池、薄膜電池、およびスーパーキャパシタなどの適用に有利である。単一のナノワイヤを用い得る適用もあれば、複数のナノワイヤを平行または交差する状態で用い得る適用もある。概してナノワイヤを系統立てて配列させることが有利である。いくつかの適用では、適用分野に合わせて表面を改変したり、ドープしたり、あるいは材料構造を改変したりしてもよい。改変は、化学的改変と生物学的改変との両方を含む。マイクロ回路、ナノ回路、マクロ電子部品、光電装置、太陽電池、化学的センサおよびバイオセンサ、光学部品、電界放出チップおよび装置、ナノコンピューティング、ナノスイッチ、分子ワイヤクロスバー、電池、燃料電池、触媒、超大型フラットパネルディスプレイ、超小型高周波識別装置、スマートカード、フェーズドアレイRFアンテナ、使い捨て演算および保存電子部品、ナノスケールバーコード、クロスバーナノ構造体、バイオセンサアレイ、高密度データストレージ、および電界トランジスタなどがナノワイヤの代表的適用例である。特に重要な半導体要素は例えば、p-nダイオード、p-i-nダイドード、LED、およびバイポーラトランジスタを含む。ナノワイヤはいくつかの装置（例えば電子、光電、電気化学、および電気機械装置）に組み込むことができる。単一のナノワイヤがデバイス内の要素を接続することができるし、一連の接続されたナノワイヤセグメントが要素を接続することもできる。例えば電界トランジスタ装置は、平行配列されたナノワイヤと交差配列されたナノワイヤの両方を含んでもよい。
【０２８０】
ナノワイヤの適用は例えば、Lieberらの米国特許出願公開第2003/0089899号(2003年5月15日公開)に記載されており、例えば電界トランジスタ、センサ、論理ゲートを含む。この特許出願公開の全体（ナノワイヤから形成される装置の記載を含む）を参照することにより本明細書に組み込む。ナノワイヤのさらなる適用は例えば、Lieberらの米国特許出願公開第2003/0200521号(2003年10月23日公開)に記載されており、ナノスケールクロスポイントを含む。この特許出願公開の全体を参照することにより本明細書に援用する。ナノワイヤのさらなる適用は例えば、Lieberらの米国特許出願公開第2002/0130353号(2002年9月19日公開)に記載されており、化学的パターニングを有する装置および双安定性装置を含む。ナノワイヤのさらなる適用は例えば、Lieberらの米国特許出願公開第2002/0117659号(2002年8月29日公開)に記載されており、化学的および生物学的検出用ナノセンサを含む。さらに関連するナノロッドの適用が例えば、Lieberらの米国特許第6,190,634号、第6,159,742号、第6,036,774号、第5,997,832号、および第5,897,945号に記載されている。多くの文献がナノワイヤおよび関連技術の適用を教示している。例えば、Choiら、J. Power Sources 124:420 (2003)、Cuiら、Science 293:1289-1292 (2001)、De Heeretら、Science 270:1179-1180 (1995)、およびDominkoら、Advanced Materials 14(21):1531-1534 (2002)などであり、これらはすべてその全体を参照することにより本明細書に組み込まれる。
【０２８１】
本発明にとって特に重要なのは、スカホールドを用いてナノワイヤを他の構造体に向けることができ、スカホールドが受動的スカホールドではなく能動的スカホールドとなることである。例えばウイルスを１次元ナノワイヤ／ナノチューブ、２次元ナノ電極、およびマイクロスケールバルクデバイスと接合させることができる。１次元材料は例えばナノチューブまたはナノワイヤであり、M13ウイルスのpIII端部と接合すると、相分離層状構造体を形成する。この層状構造体は、無機ナノチューブまたはナノワイヤ層とファージ構築ブロック層とを有する。２次元材料ナノ厚プレート形状電極も構成することができる。ウイルス−半導体複合体ナノワイヤを、ウイルスのいずれかの端部の結合部位を介して金属電極に取り付けることができる。上記電極は、金電極などの貴金属電極を含む。ナノワイヤはソースとドレインとをブリッジすることができる。ナノワイヤ前駆体を電極上または電極に隣接して設け、その後スカホールドを除去することにより、最終状態でナノワイヤを電極と直接電気的に接触させることができる。ナノワイヤが最終的にブリッジとして機能する限りにおいて、ナノワイヤで電極をブリッジする前またはナノワイヤを電極にブリッジした後に熱アニールを行ってもよい。これらの構造体はナノFET装置として機能し、その性能はゲート領域の直径が約5 nmであるために向上している。提案されている他のナノスケール装置ではワイヤの位置づけは確率論的に行わなければならないが、これとは異なり、上記アプローチは単一のワイヤを電極位置を補正するように方向づける。ナノサイズのバイオ燃料電池には別のカソードおよびアノード構造が有用であり得る。特異的に結合するM13ウイルスがマイクロサイズの物体と組み合わされた場合、これらのマイクロディメンションの物体を規則的に構成することもまた可能である。M13ウイルスは、規則的パターンで複数の異なる物体を自己アセンブリさせる特定接着ユニットとしての役割を有する。M13のウイルスタンパク質の操作能力は、これらのウイルス−無機ハイブリッドベースのアレイを開発する上で重要なファクタとなり得る。さらに、ウイルスのファイバまたはファイバ様ネットワークを、ウイルス−ウイルス結合による２次的および３次的構造体に基づいて特定的に設計された機械的特性を有する状態で構築することができる。さらにこれらの材料は特別な特性を有することができる。これは、ウイルスを試薬またはシグナル要素に結合するように機能させることにより実現される。
【０２８２】
さらに、多機能ウイルスベースのアレイは組織修復に用いることができる。この場合、アレイの一部がある組織タイプに選択的に結合し、別の部分が骨または他の構造的バイオ材料を核形成することができる。さらに分子触媒部分の要素的同一性と幾何学的構成を制御することによって触媒ナノ構造を生成することができる。
【０２８３】
M13バクテリオファージによって採用される自己アセンブリモチーフを利用して生体スカホールドを形成することにより、複雑で高度に整合し且つ経済的なテンプレートであって単結晶ナノワイヤの一般的合成用のテンプレートを生成する方法が提供される。ナノ粒子の組成、相およびアセンブリに対してプログラム可能な遺伝子制御を導入することにより、様々な材料の普遍的合成用の遺伝子テンプレートを実現することができる。ナノスケール材料および装置の製造におけるさらなる進歩は、ウイルス内に残る４つのタンパク質を改変して装置−アセンブリディレクタを組み込むことにより達成可能である。自己の形状異方性に基づいて液晶または他の合致し整合した系を形成するウイルスの能力は、ウイルスベースのナノワイヤのアセンブリを複数の長さスケール上で十分に整合したアレイ(11)にするための、別の実現可能なルートである。全体的に、基質特異性ペプチドの導入による生態系の改変は、費用対効果が高く拡大縮小可能な様式で、十分に整合したナノ材料を生成する方法を提示する。
【０２８４】
特に、アミノ酸オリゴマーが表面上に発現すると、アミノ酸オリゴマーの発現はいくつかの商業的に有用な機能を提供し得る。これらは、細胞接着因子、栄養作用因子、または有機もしくは無機分子の結合部位を含むがこれらに限られない。アミノ酸オリゴマーの発現は、ウイルスが特定の適用に向けて操作されることを可能にする。例えば、操作されたファイバを含む膜またはファイバは、組織工学の適用で用いられる細胞増殖を引き起こすかまたは増大させるアミノ酸オリゴマーを含み得る。別の例では、特定の無機分子に対して特異性を有するアミノ酸オリゴマーは、無機分子に結合するように発現して化学反応の効率を高めることがあり得る。さらに別の例では、発現したアミノ酸オリゴマーが有機分子（例えばバイオディフェンス剤）に結合し得る。このような膜またはファイバは軍事関係者の服またはセンサシステムの一部としての第１の応答部に組み込まれ得る。
【０２８５】
操作ウイルスから形成された膜またはファイバの利用例はいくつかある。他の適用例は当業者には明らかである。
【実施例】
【０２８６】
本発明は以下の実施例によりさらに特徴づけられる。以下の実施例は本発明を限定するものではなく、図２および図３ならびにそれに関する記載と分析とを含む。当業者は本発明の実施に際し、図１〜図３を手引きとして用いることができる。図１〜図３は実施例を紹介している。
【０２８７】
図１
図１Ａは、ウイルス−粒子アセンブリのナノワイヤ合成スキーム、すなわち核形成、配列およびアニールを示す。図１Ｂはウイルスの対称性を示す。この対称性により、核形成された粒子がｘ、ｙおよびｚ方向に配列されて、凝集ベースのアニールの要件を満たすことができる。図１Ｃは、M13バクテリオファージの高度な整合性を示す。自己アセンブリ型M13バクテリオファージの高度な整合性は、発現したペプチドの剛性と緻密性を介して核形成粒子に見られる好ましい配向を促進する。発現したペプチドは20％組み込まれると可視状態になる。図１Ｄは、M13バクテリオファージウイルスの構築物を示す。構築物は遺伝子改変可能なキャプシドと端部、特にｇPVIII、ｇPIIIおよびｇPIXを有している。これらはウイルスキャプシド内に取り囲まれたファージミドDNA用にコードされている。
【０２８８】
図２
図２Ａ〜Ｆは、アニール前およびアニール後のZnSおよびCdSウイルスナノワイヤの電子顕微鏡写真を示す。図２Ａは、(100)反射を用いたアニール前のZnS系の暗視野回折コントラスト像が、核形成されたナノ結晶の整合性を現すことを示す。コントラストは(100)ブラグ回折条件を満たすことにより実現される。図２Ａの挿入図は、多結晶アニール前ワイヤのEDパターンを示す。EDパターンはワルツ鉱結晶構造と単結晶タイプの[001]領域軸パターンを示し、強力な[001]領域軸の場合は、ウイルステンプレート上でのナノ結晶配向が好まれることを示唆している。サンプル領域は多くのナノ結晶を含んでいるが、電子回折(ED)パターン（図２Ａの挿入図）は単結晶タイプの挙動を示している。この挙動は、ウイルス上のナノ結晶がウイルス表面に直交するc軸に対して優先的に配向されたことを示唆する。図２Ｂは、アニール後に形成された個々のZnS単結晶ナノワイヤの明視野TEM像を示す。図２Ｂの左上の挿入図は、[001]領域軸に沿ったEDパターンが、アニールされたZnSナノワイヤの単結晶ワルツ鉱構造を示すことを表す。図２Ｂの右下の挿入図は、低倍率TEM像であり、単分散し単離した単結晶ナノワイヤを示す。図２Ｃは、ZnS単結晶ナノワイヤの典型的HRTEMを示し、ワイヤの長さ方向に連続的に延びて、アニールされたナノワイヤの単結晶性を確認する格子像を示す。測定された格子間隔0.33 nmは、ワルツ鉱ZnS結晶の(010)面に対応する。(010)格子面がナノワイヤ軸に対して30度配向していることは、EDによって決定された(100)成長方向に一致する。図２Ｄは、シリコンウェハ上でアニールされた単結晶ZnSナノワイヤのHAADF-STEM像である。図２Ｅは、CdS単結晶ナノワイヤのHRTEM格子像である。図２Ｆは、個々のCdSナノワイヤのHRTEM格子像である。実験による格子の縁の間隔0.24 nmは、バルクワルツ鉱CdS結晶内の２つの(102)面間のユニークな間隔0.24519 nmに一致する。
【０２８９】
図３
図３Ａは、改変ウイルステンプレートによって合成されたCoPtワイヤが水溶性であったことを示す。Co塩とPt塩とをウイルスの存在なしに還元することにより、溶液から即座に大きな沈殿物が形成された。図３Ｂは、アニールされていないCoPt系のTEM像を示す。図３Ｂの挿入図は、アニールされていないCoPtワイヤのSTEM像を示す。示されているスケールバーは100 nmである。図３Ｃは、結晶性L10 CoPtワイヤ（約650 nm x 約20 nm）の低解像度TEM像を示す。CoPtワイヤおよびFePtワイヤが直線状にならない傾向があるのは、II-VI系には存在しないワイヤおよび／またはナノ粒子間の磁気相互作用によることがあり得る。図３Ｃの挿入図は、II-VI系の特性(110)および(001)、L10線、および結晶性を示すEDである。図３Ｄは、ワイヤのc軸に直交する(111)面でのCoPtワイヤのHRTEMである。挿入図のEDは、L10相独自の超格子構造を示す。図３Ｅは、アニールされていないFePtワイヤのTEM像である。図３Ｆは、アニールされたFePtワイヤのTEMを示す。挿入図のEDパターンは、FePtワイヤのL10性を確認し、材料の結晶性を示す。
【０２９０】
M13バクテリオファージの操作
実施例で用いるM13バクテリオファージは、生産率の高いウイルス(200 mg/L)であり、５つの遺伝子改変タンパク質(19、20、21)と、遺伝子生成物(gP)-3、6、7、8および9とを含む。これらのうちgP8タンパク質の約2700のコピーが野生型ウイルスのキャプシドを形成する。gP8タンパク質を遺伝子改変し、ファージミド系を用いて発現した。その結果、基質特異性ペプチドがgP8タンパク質(12)のN末端に融合した。アセンブリの間、gP8の単位細胞を積層することにより、ウイルスの長さ（c軸）方向に５重対称ができる。上記積層は、３次元構造（図１Ｂ）内の融合ペプチドの整合した配列の原点である。ウイルスのキャプシド上で発現したペプチドをコンピュータ分析したところ、最も近接するペプチド分離が20%以上の組み込みで約3 nmで安定したことが判明した（図１Ｃ）。したがって、ウイルスの完全無機物化を引き起こすために、基質特異性融合ペプチドの高度な組み込みは必要ではない。ウイルスの近位端および遠位端（特にgP3およびgP9タンパク質、22）をさらに遺伝子改変することにより、３機能テンプレートを実現することができる。これは現在の系をより高いアスペクト比に押し上げて、例えば貴金属、半導体、および酸化物などを含む材料を導入して機能的ヘテロ構造材料を集めるために用いることができる（図１Ｄ）。
【０２９１】
スカホールドの無機物化
ZnS系およびCdS系の無機物化はすでに述べており(11、12、17)、低温で金属塩前駆体を用いてウイルステンプレートを培養することにより核形成(23)中にナノ結晶の均一な配向を促進することを含む。これはウイルスの長軸に対する、核形成されたナノ結晶の好ましい結晶配向につながる。アニール前には、ウイルス表面上に成長したワルツ鉱ZnSおよびCdSナノ結晶(3〜5 nm)が近接しており、ワイヤの長さ方向に直交する[001]方向および(100)面に沿って優先的に配向していた。このことは電子回折(ED)、高解像度透過型電子顕微鏡写真(HRTEM)、高角度散乱暗視野走査透過型電子顕微鏡写真(HAADF-STEM)、および暗視野回折コントラスト像（図２）(24)によってサポートされている。ウイルスに付着した粒子は、初期の合成条件下では融合されにくいが、これはおそらく隣接するペプチドの阻害作用などによる。そのため単結晶ペプチドを形成するためにテンプレートを除去することが望まれた。ウイルス−粒子系の熱分析は、350℃で有機材料が完全に除去されたことを示した(25)。これは熱ステージ(26)を用いてアニールがインサイチュで行われた状態で、隣接する粒子の融合についてTEMが観察した最低温度に一致する。
【０２９２】
ナノワイヤの形成
無機物化したウイルスを、ZnSおよびCdS粒子の融点（400〜500℃）未満の温度でアニールすることにより、多結晶アセンブリを単結晶ナノワイヤ（ZnSナノワイヤの場合、長さ分布は約600〜650 nmであり、CdSナノワイヤの場合、長さ分布は約475〜500 nmであり、ZnSおよびCdSナノワイヤの直径は約20 nmであった）に形成することができた。この形成は有機テンプレートの除去と界面エネルギーの最小化(27)（図２Ｂ、図２Ｅ）によって達成された。EDおよびHRTEMは、粒界を除去することにより、前駆体多結晶ワイヤで見られた好ましい配向を引き継いだ個々のナノワイヤの単結晶性を明らかにした(28、29)（図２Ｃ、図２Ｄ）。観察したZnSナノワイヤの[100]方向および(001)面の配向は、熱力学的に高いエネルギー面であったにもかかわらず、II-VIナノワイヤ用が共に延びる方向と一致した（図２Ｂおよび図２Ｃ、14、30、31）。単結晶CdSナノワイヤのHRTEMは格子間隔2.4Åを示した。これは、バルクワルツ鉱CdS結晶（JCPDS#41-1049)内の２つの(102)面間のユニークな間隔2.4519Åと一致した。(102)格子面のナノワイヤ軸に対する配向が43.1度であることは、ナノワイヤが[001]方向に延びることを示し、ここでもワルツ鉱構造（図２Ｆ）を確認した。
【０２９３】
強磁性ナノワイヤの形成
適用可能な材料の送達を示すためと、低次元磁性材料の開発に関する現在の技術的問題に取り組むために、強磁性Ll0 CoPt系およびFePt系に対するウイルス定方向合成アプローチを広げた。化学的に整合したLl0相の白金合金磁性材料は、その高い保磁力、酸化抑制力、および超高密度記録媒体(32)にとって重要な固有の磁気異方性のために近年注目を集めている。VLSなどの合成ルートは洗練された1-D半導体構造体を生み出し、非特異的テンプレートスキームは広範囲の材料に適用可能であるが、両方とも高品質の結晶性金属および磁性ナノワイヤを自由な独立した形態(33)で製造するのは困難である。
【０２９４】
遺伝子操作スカホールド
M13バクテリオファージを、CP7 CoPt特異的またはFP12 FePt特異的ペプチドをウイルスキャプシドに融合させることによって改変させた。CoPtおよびFePt粒子の核形成は、gP8改変ウイルス(18、24)の存在下において金属前駆体塩を化学的に還元することにより達成した。350℃でアセンブリをアニールした結果、均一な直径（10 nm +/- 5％）を有するL10相の結晶性CoPtおよびFePtナノワイヤの成長が促進された。ワイヤの結晶性は、選択された領域のEDパターンで、高解像度TEM格子像（図３Ｃ、図３Ｄ）により見ることができる。選択された領域のEDパターンはさらに、特徴的(001)および(110)L10ピークをも示す。CoPtワイヤの長軸に直交し、格子間隔2.177Åを有する(111)面は、報告値2.176Åと一致し、ここでも材料の高度な結晶性が確認された（図３Ｄ、JCPDS#43-1358）。動力学的には550℃より上で達成可能なL10相の持続性(15)は、凝集ベースのアニール中は粒子がその配向を維持するという傾向による。
【０２９５】
ナノワイヤ設計シミュレーション
実施例を含む本発明は、シミュレーション法を用いるとより理解できる。例えばA7束縛配列のモンテカルロシミュレーションにより、ペプチドを単離状態からキャプシド環境に移すと、骨格の二面角が標準偏差から21％減少することが判明した。これは融合ペプチド(35)に対する剛性を示す。核形成された粒子がウイルスの長さ方向に沿った好ましい結晶配向に対して整合していることは、ペプチド融合の安定性とウイルスコートの対称性の結果であると考えられていた。ナノ結晶の整合は、アニールされたナノワイヤの単結晶性を促進させたが、これは凝集ベースの結晶成長メカニズム(14)の配向の必要性を満たすことによって達成された。多数派の配向と整合しない配向を呈する粒子があることは予想されたが、これら少数派のナノ結晶は回転して好ましい結晶配向を採用して多数派に合流し、界面エネルギーと粒界エネルギー(31、36、37)の両方を最小化すべきである。
【０２９６】
以下の注釈のいくつかにさらなる実験の詳細が見られる。
【０２９７】
本発明の様々な実施形態を製造し使用することを本明細書に記載してきたが、本発明は様々な特定のコンテキストで具現化可能な多くの適用可能な発明思想を提供することが理解される。本明細書に記載した特定の実施形態は単に本発明を製造し使用する特定の様式を説明するものにすぎず、本発明の範囲を限定するものではない。
【０２９８】
以下の文献は従来技術であると認められているわけではないが、本発明の実施に際して当業者の手引きとして用いることができ、その全体を参照することにより本明細書に援用する。
【０２９９】
1.  R. de Picciotto、H. L. Stormer、L. N. Pfeiffer、K. W. Baldwin、K. W. West、 Nature 411、51 (2001)。
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24.  ZnS無機物化ウイルスをアミノシラン化Si02ウェハ上で、粒子サイズの分布に応じて400〜500°Cで3時間アニールした。その後1:1の水：エタノールで超音波処理した。アニールされたワイヤの懸濁液を滴下によりTEMグリッド上にコートして可視状態にした。ウイルスアセンブリを整合させるためには、基質の浸潤度を上昇させることが重要であった。
25.  Perkin Elmer 200 TGA/DTA上で熱重量測定分析を行った。この際、空気、アルゴン、および形成ガス(5％ H2)を含む流動気体を用いた。ウイルス−粒子懸濁液を遠心分離により1 mgのペレットにして乾燥させることによりサンプルを調製した。
26.  JEOL 2010および2010-FEG顕微鏡を用いてTEMサンプルを分析した。ZnSおよびCdSサンプルのHAADF分析をJEOL 2010-FEGで行った。CoPt系のインサイチュ熱分析をGatan熱ステージを用いてJEOL 200CX顕微鏡で行った。
27.  S. B. Qadriら、Phys. Rev. B 60、9191 (1999)。
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34.   1mLのCoPt特異性ウイルス(10l2ファージ/mL)を0.5 mM CoCl2および0.5mM H2PtCl6と1:1の割合で相互作用させることにより、CoPtワイヤを合成した。FePtの場合は、1 mlのファージ(1012ファージ/ml)を0.01 mM FeCl2および0.01 mM H2PtCl6と混合させた。これらの混合物を10分間攪拌して十分混合させ、0.1 M NaBH4を添加して金属を還元し、所望のナノ粒子を形成した。CoPt系およびFePt系をSiO TEMグリッドに直接適用し、形成ガス(5％ H2)中で350度で3時間アニールした。これにより酸化の開始を阻止した。
35.  適切な翻訳ベクタの適用により、タンパク質データバンク(#1 ifj)から得たgP8タンパク質構造体からウイルスアセンブリを再構築した。乱数発生器を用いて、所与の組み込みパーセントでgP8アセンブリにペプチドインサートを実際に組み込んだ。ペプチドインサートはキャプシド環境でモンテカルロソフトウェアMCPRO(Jorgensen, W. L.、MCPRO、Version 1.68、Yale University、New Haven, CT、2002)を用いて設計した。この際、ポアソン−ボルツマンツールキットZAP(OpenEye Scientific Software)により、溶媒効果が現れないようにした。
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【図面の簡単な説明】
【０３００】
【図１】図１Ａ〜Ｄは、スカホールドとして用いることのできるウイルスを示す図である。
【図２】図２Ａ〜Ｆは、半導体材料によって形成されたナノワイヤの特徴を示す図である。
【図３】図３Ａ〜Ｆは、磁性材料によって形成されたナノワイヤの特徴を示す図である。
【図１】
2007525395.tif 000003
【図２】
2007525395.tif 000004
【図３】
2007525395.tif 000005
【国際調査報告】
2007525395.tif 000006
2007525395.tif 000007