(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザー及び液状媒質中に浮遊させた荷電高分子から成るレーザー駆動微小モーターであって、該荷電高分子が少なくとも凝集状態と伸張状態の２形態を有し、該液状媒質中にレーザー光を集光させると、前記荷電高分子が凝集状態にあるときにレーザー光に捕捉され、前記荷電高分子がレーザー光からの光エネルギーを吸収すると前記荷電高分子が伸張状態に移り、この形態において前記荷電高分子がレーザー光に捕捉されないため前記レーザーの焦点から離れて凝集状態に移り、該荷電高分子が該形態間を自発的及び周期的に変化し、該荷電高分子のこれら形態の差から、仕事エネルギーを取り出すレーザー駆動微小モーター。
【請求項２】
前記レーザー光が赤外光である請求項１に記載のレーザー駆動微小モーター。
【請求項３】
前記荷電高分子が、芳香族系高分子又はＤＮＡである請求項１又は２に記載のレーザー駆動微小モーター。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、高分子鎖や微小物体などをレーザーで駆動する微小モーターに関し、特にこのような物体をレーザーでトラップし、更にレーザーの光エネルギーにより物体を駆動することにより、レーザーの光エネルギーを仕事エネルギーに変換する微小モーター及びその方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
我々が日常用いている内燃機関（例えばエンジン）は、仕事を取り出す際に温度差がなければならない。一方、生物は、内燃機関とは異なり、仕事を取り出す際には温度差を必要とせず、等温系である。このような生体分子を模倣した等温系の微小モーターは、エンジンのような構造物を必要とせず、容易に仕事を取り出すことができると期待される。しかしながら、現在のところ、そのような等温系の微小モーターは実現されていない。現在、提出されている微小モーターは従来型のコイルを用いた方式をとっており、μmメーターまでスケールダウンすることが極めて困難である。
【０００３】
一方、誘電体である物体をレーザーで捕捉するレーザートラップ技術はよく知られており（例えば、小原實ら著「先端エレクトロニクスシリーズ５・レーザ応用光学・第６章レーザによる微粒子のマニピレーション」共立出版株式会社（１９９８））、この技術を用いれば、誘電体を電磁波（レーザー）の中に置くことによって誘電体に生じる双極子により、この誘電体をレーザ光の焦点に捕捉することができる。
【０００４】
このようにレーザー光の焦点にトラップされた誘電体は、集光された強いレーザー光を照射されているため、そのレーザー光の光圧、即ち光の力学的な力が、例えば照射する物体（誘電体）が異方性である場合には、その物体に回転力を与え、その物体が回転することが報告されている（前記書、Ｅ．Ｈｉｇｕｒａｓｈｉ  ｅｔ．ａｌ．、Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．６４（１７）、２２０９（１９９４）、特開平１０−７０８９０等）。しかし、これら技術はレーザー光の光圧を利用して物体を回転させるため、その回転により得られるエネルギーは小さく（〜１０−２０Ｊ程度）、前記のような微小モーターとしての有用性は自ずと限定される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、生体分子を模倣した等温系の微小モーターを実現することを目的とし、特に、レーザー光をエネルギー源として用いるが、上記のように単にその光圧を利用するものでなく、更に有用な大きな仕事エネルギーを取り出すことのできる等温系の微小モーターを実現することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この発明は、レーザートラップ技術を利用し、更にトラップされる物体に工夫を凝らして、そのレーザーの光エネルギーを効率よく仕事エネルギーに変換するレーザー駆動微小モーター及びそのエネルギーの取り出し方法を提供する。
前述のように、レーザーでトラップした異方性の物体をこのレーザーの光圧で回転させた場合のエネルギーはせいぜい１０−２１Ｊのオーダーであり、そこから取り出されうる運動エネルギーもこの程度である。これに対し本発明において、物体が直接レーザーから光エネルギーを直接吸収するか、又は一旦液状媒質が光エネルギーを吸収しその媒質の振動エネルギーを物体に移動させ物体が間接的にエネルギーを吸収する場合には、そのエネルギーは一般的には１０−１９Ｊのオーダーであり、そこから本発明のレーザー駆動微小モーターによって取り出されうる仕事エネルギーもほぼこの程度であって、前記の光圧から得られるエネルギーより２桁以上大きいエネルギーを取り出すことが可能である。
【０００７】
この発明の主題は、レーザー及び液状媒質中に浮遊させた荷電高分子から成るレーザー駆動微小モーターであって、該荷電高分子が少なくとも凝集状態と伸張状態の２形態を有し、該液状媒質中にレーザー光を集光させると、前記荷電高分子が凝集状態にあるときにレーザー光に捕捉され、前記荷電高分子がレーザー光からの光エネルギーを吸収すると前記荷電高分子が伸張状態に移り、この形態において前記荷電高分子がレーザー光に捕捉されないため前記レーザーの焦点から離れて凝集状態に移り、該荷電高分子が該形態間を自発的及び周期的に変化し、該荷電高分子のこれら形態の差から、仕事エネルギーを取り出すレーザー駆動微小モーターである。
このレーザー光は赤外光であってもよい。
【０００８】
【発明の実施の形態】
レーザートラップとは、レーザー光（電磁波）中に物体（誘電体）を置くことによりその誘電体に生じる双極子により、レーザー光の力学的な力が物体に電磁波濃度の高い場所方向へかかり、レーザー光をレンズ等で集光させることによりその焦点に物体を捕捉する技術である。従って、電磁波であるならこのような効果を生じることが出来るが、本発明においては光強度の強いレーザーを用い、特にＮｄ：ＹＡＧレーザー等の赤外レーザーを用いることが好ましい。
この物体は、誘電体である荷電高分子であればよく、材質や形状は問わない。この荷電高分子としては、例えば、材質としてポリスチレンスルホン酸塩、ポリビニルピリジニウム塩等の芳香族系高分子やＤＮＡ等が挙げられ、そのサイズは数十ｎｍ〜数十μｍの範囲が好適である。
【０００９】
液状媒質は上記物質を浮遊させればよく、レーザー光を吸収しても吸収しなくてもよい。液状媒質としては一般に水（Ｈ２Ｏ）を用いるのが簡便である。水（Ｈ２Ｏ）はＮｄ：ＹＡＧレーザーのレーザー光（波長１０６４ｎｍ）を吸収するため、水（Ｈ２Ｏ）を媒質として用いる場合には、一旦この水がレーザー光を吸収し、そのエネルギーが水中に浮遊する物体に移動することにより、その物体の運動エネルギーとなる。一方、このレーザー光を吸収しない重水（Ｄ２Ｏ）を用いてもよく、その場合には水中に浮遊する物体が直接レーザー光を吸収するように設計する。
【００１０】
レーザーとしては、固体レーザ（Cr3+:Al2O2、Nd3+:YAG、Nd3+:リン酸ガラス、Nd3+:ケイ酸ガラス、Nd3+:GSGG、Nd3+:GSAG、Nd3+:YLF、Nd3+:NYAB）、半導体レーザ（InxGa1-xAs, InAs1-xPx, In1-xGaxP, AlxGa1-xAs, GaAs1-xPx, Pb1-xCdxS, InAs1-xSbx, PbS1-xSex, Pb1-xSnxTe, Pb1-xSnxSe）、気体レーザー（HF, HCl, He-Ne, HBr, DBr, DF）及び波長可変レーザー（Ti：サファイア、Ar+、Ar+-Kr+、Er3+:ガラス、Ho-YAG 、KCl:Li(FAII)、NaCl(F2+)H、Cr3+:BeAl2O3、Co2+:MgF2）等が挙げられる。
また液状媒質としては水(H2O)、重水(D2O)、ジメチルホルムアミド、ホルムアミド、ジメチルスルホキシド等が挙げられる。
【００１１】
更に、レーザーと媒質/物体の組み合わせとしては、水（H2O、n=1.33,ε=80)と固体レーザー（Nd3+:YAG、Nd3+:リン酸ガラス、Nd3+:ケイ酸ガラス、Nd3+:GSGG、Nd3+:GSAG、Nd3+:YLF、Nd3+:NYAB）、半導体レーザー（InxGa1-xAs, InAs1-xPx, In1-xGaxP, AlxGa1-xAs, GaAs1-xPx, Pb1-xCdxS, InAs1-xSbx, PbS1-xSex, Pb1-xSnxTe, Pb1-xSnxSe）、気体レーザー（HF, DF, HBr, DBr, He-Ne）及び波長可変レーザー（Ti：サファイア、Ar+、Ar+-Kr+、Er3+:ガラス、Ho-YAG、KCl:Li(FAII)、NaCl(F2+)H、Cr3+:BeAl2O3、Co2+:MgF2）との組み合わせ、重水（D2O 、n=1.34)と半導体レーザ（InxGa1-xAs, InAs1-xPx, InAs1-xSbx, Pb1-xCdxS, PbS1-xSex, Pb1-xSnxTe, Pb1-xSnxSe）、 気体レーザー（HCl, HBr, HF, DF）及び波長可変レーザー（Ti：サファイア、Ar+、Ar+-Kr+、Er3+:ガラス、Ho-YAG 、KCl:Li(FAII)、NaCl(F2+)H Co2+:MgF2）との組み合わせ、ジメチルホルムアミド(n=1.43,ε=120)と固体レーザー（Nd3+:YAG、Nd3+:リン酸ガラス、Nd3+:ケイ酸ガラス、Nd3+:GSGG、Nd3+:GSAG、Nd3+:YLF、Nd3+:NYAB）、半導体レーザー（InxGa1-xAs, InAs1-xPx, Pb1-xCdxS, InAs1-xSbx, PbS1-xSex, Pb1-xSnxTe, Pb1-xSnxSe)、気体レーザー（HF, HCl, He-Ne, HBr, DBr, DF）及び波長可変レーザー（Er3+:ガラス、Ho-YAG、NaCl(F2+)H、KCl:Li(FAII)、Co2+:MgF2）との組み合わせ、ホルムアミド(n=1.45,ε=111)と固体レーザー（Nd3+:YAG、Nd3+:リン酸ガラス、Nd3+:ケイ酸ガラス、Nd3+:GSGG、Nd3+:GSAG、Nd3+:YLF、Nd3+:NYAB）、半導体レーザー（InxGa1-xAs, InAs1-xPx, Pb1-xCdxS, InAs1-xSbx, PbS1-xSex, PbS1-xSex, Pb1-xSnxTe, Pb1-xSnxSe)、気体レーザー（HF, HCl, He-Ne, DBr, DF）及び波長可変レーザー（Er3+:ガラス、Ho-YAG、NaCl(F2+)H、KCl:Li(FAII)、Co2+:MgF2）との組み合わせ、並びにジメチルスルホキシド(n=1.48)と固体レーザー（Nd3+:YAG、Nd3+:リン酸ガラス、Nd3+:ケイ酸ガラス、Nd3+:GSGG、Nd3+:GSAG、Nd3+:YLF、Nd3+:NYAB）、半導体レーザ（InxGa1-xAs, InAs1-xPx, In1-xGaxP, AlxGa1-xAs, GaAs1-xPx, Pb1-xCdxS, InAs1-xSbx, PbS1-xSex, Pb1-xSnxTe, Pb1-xSnxSe）、気体レーザ（HF, HCl, He-Ne, DBr, DF）及び波長可変レーザー（Er3+:ガラス、Ho-YAG、NaCl(F2+)H、KCl:Li(FAII)、Co2+:MgF2）との組み合わせが好ましい。
【００１２】
レーザー光をレンズで集光させると物体はその焦点に集まるが、その焦点とレンズとの間においては位置エネルギーが焦点方向へ低くなるためその物体は焦点方向への力を受け焦点に集まりやすく、その焦点でその位置エネルギーは一旦低くなり物体はそこで安定し，即ち捕捉されるが、その焦点からレンズの反対方向（レーザー光の進行方向）へ向けてその位置エネルギーは更に低くなるため、一旦その焦点を外れた物体はその焦点からレンズの反対方向（レーザー光の進行方向）へ力を受けて、焦点から外へはじき出される。この性質は物体を一定方向へ飛ばす場合に利用することが出来る。
【００１３】
本発明を例証するために以下に二つの例を挙げて説明するが、本発明をこれらに限定することを意図するものではない。
まず第一の例において、物体は荷電高分子であり、少なくとも異なる二つ温度において二つの安定な形態を持つ。この荷電高分子の長さは５〜１００μｍ、特に１０〜７０μｍが好ましい。この例としてＤＮＡ（特開２０００−１２５８６６）やポリスチレンスルホン酸ナトリウム等が挙げられる。ＤＮＡは染色可能なため観察しやすい。ＤＮＡはアミン類等の多価陽イオンの存在下、室温においては安定な凝縮体（グロビュール）となる（図１及び図２）。この状態において電磁波中に置かれると双極子を生じ、前記レーザートラップに捕捉されうる。しかしこの凝縮体は高温（約４５℃）に加熱されると、この温度で安定なコイル状に伸張する（図１及び図２）。この伸張されたコイル状ＤＮＡは電磁波中に置かれても双極子を生ぜず、レーザートラップには捕捉されない。
【００１４】
液状媒質として多価陽イオンを添加した水（Ｈ２Ｏ）を用いてＤＮＡを浮遊させるとＤＮＡは凝縮し安定化する。ここで波長約１μｍのＮｄ：ＹＡＧレーザーをその中に集光させると、この凝縮したＤＮＡはレーザーの焦点に捕捉される。しかし水（Ｈ２Ｏ）はこのレーザー光を吸収して昇温し（約４５℃）、その熱エネルギーはＤＮＡに移動するため、ＤＮＡは高温の安定状態であるコイル状に伸張する。伸張したＤＮＡはレーザートラップされず、水のブラウン運動によりその焦点から外れる（図２）。するとＤＮＡは室温（約２３℃）に冷却され、また凝縮体に戻り、再びレーザーの焦点方向への力を受ける。レーザー光の強度を調整することにより、このような定常状態を容易に作り出すことができる。即ち、このような条件の下で、ＤＮＡはほぼ定位置で自発的に一定周期で凝縮と伸張を繰り返す。このようにＤＮＡのような分子の凝縮と伸張を繰り返すことにより得られるエネルギーは１０−１８Ｊ／サイクル程度と考えられる。
このような挙動はＤＮＡに限られず、一般に荷電高分子で可能である。また、波長約１μｍのＮｄ：ＹＡＧレーザーのレーザー光を吸収しない重水（Ｄ２Ｏ）を液状媒質として用いる場合には、荷電高分子に水酸基等のこの波長の光を吸収する置換基を付加する等の手段により、荷電高分子自体がこの光を吸収してし加温されるような系にすることにより、同じ挙動をとることが可能である。
本発明においては、このような媒質と物体のいずれかがレーザー光を吸収してもよいし、その両者がレーザー光を吸収してもよい。レーザー光の波長並びに媒質及び物体の吸収波長を適宜調整することにより、これらのいずれをも選択することが出来る。
【００１５】
次の例は、物体を少なくとも一本のロッド及び多数の微粒子とし、これらを水中に浮遊させる。上記の例と同様に波長約１μｍのＮｄ：ＹＡＧレーザーをその中に集光させ、その際レーザー光の方向をレンズの光軸からずらすことにより、電磁界中に二つの安定なポテンシャルを作ることができる（図５右）。ここに例えばロッド状の物体を置けば、焦点にその一部が捕捉されたまま二つの位置で安定になる。その焦点では溶媒が加熱される。更に微粒子等の他の物体を同時に存在させれば、それらは光圧によりそして放出される。その放出の際微粒子等がロッドに衝突し運動エネルギーの一部がロッドに移される。このようにしてロッドが上記二つの安定な位置間を往復することになる。この場合においても、ロッドの形状や微粒子のサイズ、微粒子の密度、更にレーザー光の強度等を調整すれば、このロッドは自発的に一定周期で往復運動を繰り返す。この場合においても、上記の例と同様に、水のみがレーザー光を吸収してもよいし、微粒子を例えばレーザー光を吸収する有機粒子としてもよい。このようなロッドの往復運動から得られるエネルギーは約１０−２１〜１０−２２Ｊ程度と考えられる。
【００１６】
本発明のレーザー駆動微小モーター、即ち、レーザー光のエネルギーを運動エネルギーに変換する微小モーター及びこの方法は様々な用途に応用できる。
例えば、高分子鎖の相転移を利用した分子モーターおよび伸縮運動型分子モーターなどが当面考えられるが、より発展させると将来人工筋肉の実現が可能である。一方、マイクロメータスケールのロッド状のガラスやプラスチック等による往復運動を利用した分子スイッチとしての用途も考えられる。
【００１７】
【実施例】
実施例１：レーザーで駆動する巨大ＤＮＡ単分子モーター
１．５ミリリットルのマイクロカプセルに、超純水（ミリポア水）とポリエチレングリコール（分子量４６００、Aldrich社製）から作製したポリエチレングリコール溶液（３００mg／ミリリットル）１６５μリットル入れる。次にTris-HCl緩衝液（pH８．０、１０ミリモル）を５０μリットル入れる。その後、超純水（ミリポア水）を２２３μリットル、蛍光色素ＤＡＰＩ (4’,6-diamino-2-phenylindole、６０μモル／リットル)を５μリットル加え、よく撹拌する。この後、Ｔ４ＤＮＡ原液（塩基対濃度６０μモル：１．５ミリリットルのマイクロカプセルにTris-HCl緩衝液（pH８．０、１０ミリモル）３６０μリットル、２−メルカプトエタノール１０μリットル、Ｔ４ＤＮＡ(ＳＩＧＭＡ社製、商品番号D6276）１３０μリットル（Ｔ４ＤＮＡ１９．５μグラム分含む）加え、攪拌して作製する）５μリットル加え、攪拌する。この後塩化カリウム溶液０．５モル／リットルを５２μリットル加え、全体を５００μリットルとする。よく攪拌し、２０分間室温（２３±１℃）で放置する。
カバーガラス上に上記溶液を数十μリットル垂らし、レーザーの導入部が装着されている蛍光顕微鏡上にのせ観察する。このとき、蛍光色素で染色されたＤＮＡは蛍光像として観測される。この蛍光像の観測を行いながら、ＤＮＡ単分子鎖の凝縮体を選ぶ。
一方、蛍光顕微鏡（Ｎｉｋｏｎ TE-300）に導入したＮｄ：ＹＡＧレーザー（Spectron SL902T 波長１０６４nm）の出力を１５０〜２５０mWに調節する。この後、対物レンズ（Ｎｉｋｏｎ社製Plan Flour×１００、開口数１．３０以上）を通してＤＮＡ単分子鎖の凝縮体を捕まえる。
【００１８】
図３は照射するＮｄ：ＹＡＧレーザーの出力と蛍光強度との関係を示す。レーザーの出力が１５０ｍＷの場合には、蛍光強度はほぼ高い状態を保ち、振動数は０．１７Ｈｚで振幅も小さいが、ＤＮＡ分子はほとんどレーザーの焦点に捕捉されたままで凝縮した状態にあると考えられる。レーザーの出力を２００ｍＷに上げても振動数は０．１９Ｈｚで振幅が少し大きくなったのみで、蛍光強度はほぼ高い状態を保ち、やはりＤＮＡ分子はレーザーの焦点に捕捉されたままで凝縮した状態にあるものと考えられるが、振幅が大きいことから振動エネルギーが１５０ｍＷの場合に比べてかなり大きくなっていることが認められる。
更にレーザーの出力を２５０ｍＷに上げると、振動数は０．３０Ｈｚと大きくなり振幅も大きくなるが、特徴的なのは図４に示すように蛍光強度が高い状態と低い状態を不連続に約６秒の周期で繰り返す点である。これはＤＮＡ分子がレーザーの焦点に捕捉され凝縮した状態（蛍光強度が高い状態）とＤＮＡ分子がレーザーの焦点に捕捉されずにレーザーの焦点から離脱し伸張した状態（蛍光強度が低い状態）との間を行き来しているものと考えられる。
【００１９】
実施例２：マイクロガラスロッドから振動モードを取り出す例
ガラス球またはガラスファイバーを乳鉢ですりつぶし、水中に分散させる。次に、この水滴をプレパラートに垂らして観察用プレパラートを作成し、これを顕微鏡で観察する。
波長１０６４ｎｍのＮｄ：ＹＡＧレーザー（出力は１ｍＷ〜３Ｗ、特に１００ｍＷ前後が望ましい。）を対物レンズ（Ｎｉｋｏｎ社製Ｐｌａｎ  Ｆｌｏｕｒ×１００、ＮＡ＝１．３０ＯＩ１、開口数１．３以上）を通して観察用プレパラート試料中に照射し焦点の位置に試料中の微粒子が捕捉されるよう配置する。これにより焦点の位置に試料中の微粒子が捕捉される（レーザートラップ）が、捕捉対象として、直線状のロッドを選ぶ。このロッドの長さは十数マイクロメートルであった。
ここで、図５右に示すように対物レンズに入射するレーザーに鏡により角度をつけ対物レンズの中心からずらすと、これにより、安定なポテンシャルが二つ形成される。その一方にロッドが捕捉され、この捕捉されたロッドは立ちあがり、その二つのポテンシャルの間を交互に移動しながら、図６で示すように振動を始める。レーザーの出力が５０ｍＷの場合には周期は約０．５〜５秒、２００ｍＷの場合には周期は約０．１〜５秒であった。
【図面の簡単な説明】
【図１】ＤＮＡ分子の凝縮状態及び伸張状態を表す模式図である。
【図２】ＤＮＡ分子の凝縮状態及び伸張状態（広がり状態）のポテンシャルエネルギーを表す図である。
【図３】照射するＮｄ：ＹＡＧレーザーの出力と蛍光強度との関係を示す図である。
【図４】レーザー照射したＤＮＡ分子が蛍光強度が高い状態と低い状態を約２秒の周期で繰り返す蛍光写真である。
【図５】レーザー光の入射角の違いによる集光ビームのプロファイルの違いを示す図である。
【図６】マイクロガラスロッドの振動運動を示す模式図と写真である。
【図１】
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【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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