干渉露光・レーザアブレーションを用いた殺菌ナノ表面形成
横浜国立大学 大学院工学研究院 知的構造の創生部門
准教授 西島 喜明（平成 28 年度 一般研究開発助成 AF-2016211）
キーワード：干渉露光法，レーザアブレーション，金属表面加工

１.研究背景・目的

２.実験方法ウイルスやバクテリアを殺す殺菌技術は医療や食品の２－１．二光束干渉露光法分野で注目を集めている重要な技術である。現在用いられ

図 2 に本研究で構築した二光束干渉露光の工学系を示ている主要な手法としては、紫外線やオゾン、アルコール、す。光源として Nd-YAG ナノ秒パルスレーザの第二高調抗生物質を用いる方法がある。これらは直接 DNA や細胞波（波長 532 nm、繰り返し周波数 10 Hz、パルス幅 7 ~ 10

膜や代謝経路に作用して、菌を繁殖できないようにするもns、Spectra-Physics, Quanta-Ray）を用いた。二光束用の回のである。しかしながら、例えば炭疽菌や芽胞菌のように、折光学素子によって、回折光を得、0 次光をブロックした細胞周囲が硬い殻に覆われている細胞は、上記の殺菌方法

うえで、1 次の回折光 2 本を、高強度レーザ用誘電多膜ミに対して非常に強い耐性を示すことが知られている。そのラーで任意の角度で反射し、干渉領域を構築できる光学系ため、食中毒や院内感染といった深刻な事態を引き起こすとした。2 本の回折光は焦点距離 150mm のレンズでサン原因となる。これらの菌を滅菌するためには 120℃以上のプル表面に集光した。レーザーエネルギーをパワーメータ

オートクレープ、乾熱処理といった過酷な条件、エチレンーで測定し、スポットサイズからエネルギー密度を求めた。

オキシド

ホルムアルデヒドといったさらに毒性が強いサンプルとしては表面を目の細かいやすり並びに研磨剤化学薬品を使った処理、放射線をつかった処理が必要となで鏡面研磨したステンレス基板を用いた。この金属の表面る。しかしながら、これらの滅菌方法では食品およびそのに対して様々なエネルギー・エネルギー密度やショット数周辺機材への適応が困難であり、変性・変質をしてしまう。

を制御して、アブレーションを行った。また、二光束干渉

そこで表面ナノ構造体を用いた殺菌技術に注目が集まっでは、ラインアンドスペース構造が形成されるが、サンプている。近年、トンボの羽やブラックシリコンの表面は極ルを 90 度回転させることで、2 次元的な周期構造の作製微細突起（ナノピラー）が表面に出来ている[1-5]。このナを目指した。

ノピラーがグラム陰性菌、グラム陽性菌、芽胞菌に対する殺菌効果があることが報告されている。類似の構造体であれば、シリコンだけではなく、ポリマー等の高分子材料、金や銀、ステンレスなどの金属表面においても殺菌可能であることが示されている。本研究では、飲料などを貯蔵するタンクや配管を衛生的にたもつためにステンレス基板上に殺菌作用をもつナノ表面構造を作る方法として、ナ図2:本研究で構築した二光束干渉露光システム

ノ秒レーザによる多光束干渉露光式レーザアブレーションの手法で表面構造の作製を目指した。

２－２．四光束干渉露光法
二光束干渉露光法では次項の結果に示すように、深く構造を作製できない問題点と、90 度回転させたときに、先に作製した構造体が消失する問題が発生した。そこで、図3 のように干渉させる光束を増やし、四光束での干渉露光光学系を構築した。光源は二光束と同じ Nd-YAG レーザ

図1:殺菌作用を有するブラックシリコンとセミの羽[1]を用いて、4 光束用の回折光学素子によって、回折光を得た。回折光を図 3 のようにレンズで集光し、金属表面で干渉面を形成するように光学系を構築した。このとき、結果となった。以上のことからも 2 光束干渉アブレーショ

0 次光をカットするため、ステンレスで塞いだ。また、レンに成功したことがわかる。しかし、上記のエネルギー密ンズの直径が大きいものを用いて図 2.7 の (b) のように度での加工条件に落いて、構造が得られたのが、周辺部に二次光を含む回折光を集光した。このとき、二次光をカッ限局されていた。そのため、レーザパワーが強すぎると思トした条件と一次光をカットした条件でも集光した。

い、低パワーでのアブレーションに挑戦した。その結果と作製した構造体は電子顕微鏡で観察して、また測長によって、サイズや周期を詳細に計測した。

して、エネルギーを低くしたところ、干渉点全体にラインアンドスペース構造が出来ていることが分かった。構造を干渉点全体に作製できたので次に、基板を 90 度回転してアブレーションを 2 回行う実験を行った。結果として図 5のような電子顕微鏡写真が得られた。

図3:本研究で構築した四光束干渉露光システム

図 5 二回照射による構造 (a):3.7 W/cm2 , (b):2.8 W/cm2

３.実験結果・考察

2 回照射後であっても、図 4 と同様にラインアンドスペース構造が得られただけの結果が得られた。また、シング
ルショットパルスだけではなく、複数回レーザ照射を行ったが、その深さに対して大きな変化は得られなかった。以上の結果により、2 光束で複数回照射した際には、グレーティング構造が一度破壊され、新しい構造が再度形成されていることが考えられる。例えば、最初に形成されたグレーティング構造は、次のレーザパルスに対して、共振器を形成することになる。従って、形成されたグレーティング
図4二光束干渉によるラインアンドスペース構造(a)：8.9W/cm2(b)：6.7W/cm2(c)：3.7W/cm2(d)：2.8W/cm2

内で大きな光電場局在が発生し、それにより、ステンレス内部に大きな光吸収・アブレーションが発生し、それによりグレーティング構造が破壊されたものと考えられる。

図 4 に二光束干渉でレーザアブレーションを行ったス

以上の結果により、2 光束干渉では、周期的なドット上テンレス基板の電子顕微鏡写真を示す。いずれの場合におの形状を形成させることが、現段階では困難であるとの結いても、干渉周期は 470 nm が得られた。これは波長論に達した。そのため、次に四光束干渉露光法により、構532nm のレーザ光を入射角度が 35◦ で入射したときのブ造体を形成することを試みた。4 光束であれば干渉パターラグ式と非常に良い一致を示している。すなわち、このランは 2 次元的な構造をしているため、サンプルを回転させイン and スペース構造は、光干渉により形成されたもので二回に分けてアブレーションを施さなくても、1 回で 2 次あると結論付けることができる。なお、この二光束干渉露元的な構造体が得られるはずである[6-7]。

光において、レーザ光強度の強弱は周期に影響を与えない

図6

図7

四光束干渉によるホール構造(a)：15.9W/cm2
2(c)：26.1W/cm1秒(b)：20.5W/cm2

1秒

四光束干渉によるホール構造 （6.56W/㎝ 2）(a)：1ｓ(b)：5ｓ(c)：10ｓ

シングル照射

４．結論
図 6 に四光束アブレーションにより作製した構造体の以上の手法により、2 次元周期的なサブミクロンサイズ

電子顕微鏡写真を示す。シングルショットの条件での構造体を形成することに成功した。入射する光の角度に15.9~26.1 W/cm2 までエネルギー密度を変化させてアブレよって、円孔周期を制御することができるため、今回はホーションを行った結果を示す。

ール状の構造が得られたにとどまったが、円孔通しを結合いずれの光エネルギー密度においてもステンレス基板させることにより、ナノピラー状の構造を作製することも表面に対して、周期的な構造が形成されているのが確認でできると期待できる。また、電子顕微鏡で観察する限り、きた。また、その周期はレーザ光強度と入射角度による解ホールはミクロンサイズの深さを有していることが分か析と良い一致を示した。このことより、四光束によるレーった。そこで、このホール形状をレプリカとしたナノインザアブレーションが成功していることを示す結果が得らプリンティングを施すことによって、高分子のナノピラーれた。

構造の形成が期待できる。さらに本プロジェクト期間を通さらに、レーザ光のパワーを下げ、繰り返し回数を増やして、回転ステージと直線ステージを組み合わせて駆動さした実験を行った。結果を図 7 に示す。パルスの繰り返しせることにより、基板に対して大面積に構造を作製できるが 10Hz であるので、1 秒の照射は 10 発、5 秒は 50 発、システムを構築した。構造を隙間なく作製するための条件

10 秒で 100 発のレーザが照射されていることがわかる。

検討を現在行っているところであるが、今後大面積化を実図 7 に示した顕微鏡像を見ると、照射回数が増えるともな現させることで、殺菌効果を確認する実験へと展開していい、円孔が形成され、さらにその深さが深くなっていく結く予定である。

果が得られた。

謝辞

シングルショットの場合には光密度を上げても、円孔直光干渉によるナノ加工に関しては、共同研究者である

径が大きくなり、全体的に半円型のクレーター状の構造がSaulius Juodkazis 教授（オーストラリア・スインバーン工形成されていたのに対して、マルチショットの場合には、科大学）、Johannes Bonenberg 教授、Paul Leideler 教授（ド特に光エネルギーが強い円中央付近において、繰り返しアイツ・コンスタンツ大学）にアドバイスをいただいた。厚ブレーションが発生し、その結果として半円状ではなく、く御礼申し上げます。本研究提案を採択いただいた天田財深いホールが形成されていったものと考えられる。

団関係者に厚く御礼を申し上げます。

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