本記事は , 文部科学省ナノテクノロジープラットフォーム事業 技術スタッフ表彰について紹介するものです .

文部科学省ナノテクノロジープラットフォーム 平成 28 年度技術スタッフ表彰 技術支援貢献賞

ネットワークを重視した X 線装置利用支援体制

受賞者 東京大学 大学院工学系研究科 総合研究機構 ナノ工学研究センター 沖津 康平氏に聞く
文部科学省ナノテクノロジープ
ラットフォーム事業は，最先端のナノテクノロジー施設・設備を有する 26 研究機関が，全国の産学官の研究者に利用機会を提供し，イノベーションにつながる研究成果の創出を目指している．研究経験の少ない若手でも最先端の施設・設備を利用できるが，有効に利用するには施設・設備を熟知した支援スタッフの利用者への支援が必要となる．このため，ナノテクノロジープラットフォーム（NPJ，J：Japan）は平成 26 年度から特に優（左）X 線装置と大型スクリーンの間に立つ沖津 康平氏（右）副賞のバッジ 技術支援貢献賞

れた支援を行った技術スタッフを表彰している．平成 28 年度の技術支援貢献賞には，東京大学 大学院工学系研究科 総合研究機構 ナノ工学研究センター沖津 康平（おきつ こうへい）氏の「ネットワークを重視した X 線装置利用支援体制」が選ばれた [1][2]．東京大学微細構造解析プラットフォームにおける支援活動が評価されたものである．そこで，どのような技術で，どのような支援が行われたかを伺うべく，東京大学浅野キャンパスにある同大学ナノ工学研究センターに，沖津氏を訪ねた．同大学 総合研究機構 コーディネート室 室長

中村 一彦（なかむら かずひこ）氏が同席し，支援状況・利用成果等を紹介された．

端の分析技術と技術支援を提供する．図 1 には各計測部

１． 東 京 大 学 微 細 構 造 解 析 プ ラ ッ ト
フォームにおける技術支援
１．１ 東 大 ナ ノ 工 学 研 究 セ ン タ ー 微 細 構 造 解 析プラットフォーム [3]

門の主な設備が記されている．

１．２

受賞者が支援する共用装置

受賞者が担当するのは，電子状態計測部門の XPS（X-rayPhotoemission Spectroscopy，X 線光電子分光）と低炭素

東京大学は NPJ の 3 つのプラットフォーム，微細構造材料・デバイス物性構造計測部門の単結晶 XRD（X-Ray解析，微細加工，分子・物質合成のうちはじめの 2 つにDiffraction，X 線回折）である．その中で，XPS では，多参画している．大学院工学系研究科 総合研究機構 ナノ工

機能走査型 X 線電子分光分析装置 PHI5000 VersaProbe

学研究センター内に，微細構造解析分野における先端ナ（アルバック・ファイ），単結晶 XRD では，低分子用単ノ計測プラットフォーム拠点としてナノ計測・分析に関

結晶構造解析装置 VariMax Dual（リガク）を担当する．

する最先端の計測設備を集中的に配備した．このセンター

このほか，NPJ 以外で，タンパク質単結晶構造解析装置には 5 つの計測部門を設け，工学系，理学系，農学系，Micro7 HFM-AXIS7（リガク）も担当している．

各分野の分野横断的な取り組みのもとに基盤技術の構築

装置予約状況は Google のカレンダーを利用して表示しや分析技術の向上を図り，産学官の利用者に対して最先ているが，ほぼ 100% の稼働率である．NPJ 以外の自主

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事業も含むが，2015 年度は 726 件の利用があった．（内で加速した Ar イオンのスパッタリングで削りながら Si2p

訳は XPS 369 件，低分子単結晶 303 件，タンパク質単結電子について光電子スペクトルを測定している．
図 3 は，低分子用単結晶構造解析装置とその応用例で晶 54 件）．
受賞者が担当する装置では次のような分析ができる[3]．

ある．多層膜集光ミラーで X 線を集光してエネルギー密度を第 2 世代シンクロトロン放射光なみに高め，回折X 線光電子分光分析装置では X 線照射により対象物質スポットを一つずつ CCD カメラで検出する．このため，構成原子の特定電子軌道から放出される電子を検出し，測定に用いる結晶は，従来装置では解析不能であった

光電子スペクトル，光電子マップが得られる．図 2 は，XPS の PHI5000 VersaProbe とこの装置によるシリコン10μm 程度の小さいものが使えるようになった．有機合成反応の触媒材料の分子構造を決定できたのがその一例（Si）ウエーハ上の二酸化ケイ素（SiO2）膜の深さ方向のである．

酸素分布測定例である．Si ウエーハの表面酸化膜を 500V

図1

図2

東大ナノ工学研究センターの計測部門と主な設備鏡

X 線光電子分光装置と表面酸化 Si 基板に対する Si の化学状態，深さ方向分析

図3

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高輝度 X 線回折装置による分子構造の決定

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面も載せた．索引をつけて使いやすくしている．

２．特筆すべきユーザーサポート体制
沖津氏は，より多くの利用者に効率よく効果的に装置を利用してもらい，また，充実したサポートを行うために，次のような独特のユーザーサポート体制を整備した [2]．

２．２ 天 井 吊 り 下 げ プ ロ ジ ェ ク タ ー と 大 型
スクリーンの利用
沖津氏は大型の液晶プロジェクターを入手し，XPS の置いてある 3 階実験室の天井に取り付けた．この天井吊２．
１

り下げプロジェクターに向かい合った壁に，200 インチ

X 線装置の使い方マニュアル整備のスクリーンを設けている（図 5）．沖津氏によるレーザーサポート体制の一つとして，１．２に挙げた 3 台の X

ポインターでの説明にしたがい，利用者が交代で無線キー線装置の使い方マニュアルの整備を行った（図 4）．装置

ボード，無線マウスを使って装置を操作し，実験参加者利用法，データ解析法は一般に複雑で，記憶するのが困全員がその様子を確認できる．これによって数名から 10難なことからマニュアルが必須と考えた．マニュアルは，名を同時にサポートできる．実験は教員と学生とがコミュ印刷物で利用できるのに加え，スマートフォンを含む，ニケーションをとりながら行うことが多い．3 階の装置のネットワーク環境から自由に閲覧，ダウンロードできる

前で研究室の 5 ～ 6 人が一緒に操作する．24 インチのディようにした．冊子が厚くなりすぎないように 3 つの Part

スプレイでは教員と学生が 1 対 1 でさえ，コミュニケーに分けている．英語版も作った．Part 0 は重要手順（立ションを取りにくい．講習会は 1 階の会議室で行うが，3ち上げ及び終了）マニュアルとし，Part 1 は測定，Part 2階の装置を遠隔操作して使い方を説明する．リモートでは解析としている．図を多用し，チャート形式で操作画操作しながら参加者全員が画面を見ている．講習会では

図4

X 線装置の使い方マニュアル表紙と操作画面説明

図5

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200 インチ液晶プロジェクター画面

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講義と実習を分けず，実験の中で，操作手順を覚えながら，とし，X 線結晶構造解析はこの理論を用いている．後者

理論を織り交ぜて学ぶようにしている．東大では，LANは完全結晶を対象とし，欠陥の少ない結晶の解析に適すの設備が充実しているので，ギガビット LAN を用いて 1る．

階から 3 階の装置を容易にコントロールできる．

一般に，結晶中の電子密度はρ (r ) ＝ ∑ |F h |exp(iφ h )exp(i2 πh ・r )２．
３

リモートアシスタンスによる支援体制と書ける．ここで，|F h | は結晶構造因子の絶対値，r は位

学内 LAN を通し，装置を遠隔操作できるが，さらに，スマートフォンや iPad から装置制御用パソコンをリモー

置ベクトル，h は波数ベクトル，φ h は位相を表す．X 線
結晶構造解析はこの式をもとに行われるが，結晶構造因トアシストできるようにした（図 6）．これにより，遠隔子の絶対値が実測されるのに対して，位相が決められな地の出先から，また在宅時でも，装置ユーザーを支援でいという困難（位相問題）が，ブラッグ父子による最初きる．このリモートアシストは沖津氏が担当している 3の結晶構造解析（1913 年）以来，存在していた．一方，台の装置全てに適用できる．

結晶内で 2 つの反射波が同時に強い場合には，動力学的干渉効果により回折強度プロファイルに位相情報が含まれていることが古くから知られている．そこで沖津氏は，３．支援者は経験豊富な研究者 -X 線多波
動力学的回折理論でタンパク質結晶構造解析に挑戦

結晶格子の歪みを取り扱える高木方程式に基づいた，偏沖津氏は，30 年にわたり，X 線回折，構造解析の研究

放射光の偏光をコントロールしたピンホール X 線を用に携わってきた [4]．

光の効果を正しく取り扱える X 線多波動力学的回折理論を導出し，その数値解法を考案，放射光を用いて検証を行ってきた．
いて，Si 単結晶の X 線ピンホールトポグラフを撮影し，結晶中での X 線の振る舞いを記述する理論には，X 線理論計算と比較した．波の数，入射波の偏光状態，結晶がブラッグ反射面で一度だけ反射すると仮定して導かれの形状など，様々に条件を変えて比較しているが，図 7

る運動学的回折理論と，ブラッグ反射面の表と裏で多重に示すように実験と理論計算の一致は良好で，理論と数反射を繰り返すことを考慮した動力学的回折理論とがあ値解法の正しさを検証することができた．一方，タンパ

る．前者は歪みの多い，比較的小さな結晶の解析を対象

ク質結晶は低分子に比べて単位胞が極めて大きく，位相NanotechJapan Bulletin Vol. 10, No. 3, 2017

図6

スマートフォンによるリモートアシスト画面

図7

実験と計算による 6 波ピンホールトポグラフ

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決定には重原子置換やセレン原子による置換を必要とす

トフォームの 2 台の装置から得られた利用成果例である．

る．タンパク質は生体の機能を担う重要な分子であるため，結晶構造解析のニーズは高い．沖津氏は，X 線多波４．２．１ XPS 利用成果 - 燃料電池触媒と機能性材料の動力学的回折理論を展開し，ネイティブなタンパク質に開発よる位相問題解決に挑戦している．
（ １） 非 貴 金 属 燃 料 電 池 触 媒 開 発 に お け る XPS に よ る
表面解析 [5]４．技術支援によって研究成果が得られ人材が育つ
４．
１

燃料の水素と酸素の結合を通じて発電する燃料電池は温室効果ガスを発生させることのない発電装置として開発・実用化が進んでいる．電荷を輸送する電解質にイオ

X 線共用装置利用成果

ン交換膜を使用する固体高分子形燃料電池（PEFC）は前節に記したように沖津氏は，タンパク質結晶構造解室温動作と小型軽量化が可能なため携帯機器や自動車へ析における位相問題解決を最終目標として，X 線動力学の応用が期待されている．電荷は触媒作用のもとに酸素的回折理論の高度化を進める研究者である．NPJ の共用の水素による還元で生成され，現在用いられている高装置には，研究者が自分の研究のために設置した装置を価な白金触媒を置き換えようと，非貴金属（non-PGM，提供していることも多いが，東京大学微細構造解析プラッ

PGM: Platinum Group Metal）触媒の開発が進められていトフォームの XPS,XRD は，当初から共用目的で設備が導る．これまでに高い性能が得られているのは [Fe(Co)/N/入されている．研究者が装置の運営と支援にあたることC] であった．これに対し，Ⅳ族，Ⅴ族元素の酸化物触媒により，利用者は装置を有効に使えるだけでなく，研究が酸性環境で安定であることに着目して，カーボンナノ面での助言も得られる．沖津氏は，装置の使用マニュアチューブ（CNT）上にジルコニウム酸窒化物（Zirconium

ルの整備に自分の持っているノウハウをつぎ込んでいる．

Oxynitride, ZrOxNy）触媒を合成し，現状の Fe/N/C 触媒にこのため，利用者はマニュアルを頼りに装置を使いこな匹敵する，10mAcm － 2 の電流を 0.9V において得ることせるようになっていく．支援者と利用者が必ずしも一緒ができた．ZrOxNy は多層 CNT（MWCNT）上に酸化ジルに実験する必要はないので，沖津氏は支援の対象を共同コニウムフタロシアニン（oxy-zirconium phtalocyanine,研究にすることはないという．解析もマニュアル化されZrOPc）をアンモニア（NH3）ガス雰囲気中での熱分解でているが，求められれば相談に乗っている．

生成・結合させる．図 8 の左は MWCNT 担持 ZrOxNy のこのような支援の結果，平成 28 年度には表 1 のような透過電子顕微鏡写真で，黒い数 nm の ZrOxNy が MWCNT利用実績を上げることができた．利用者の 1/3 は学外で，上に分散している．生成した ZrOxNy の結晶構造は XRD

京都，青森，北海道からも利用者があり，海外では学内で解析し，N の導入過程は XPS で追跡した．図 8 の右は研究室経由であるがタイからの利用もあった．

NH3 中熱処理前後の Zr 3d XPS スペクトルを比較したも利用成果は，論文発表などで公表され，学術進歩の一ので，結合エネルギーピークの変化から，触媒表面の活端を担う．その成果例を次節に記すが，共用装置利用成性の変化を観察し，試料合成条件の最適化を行うことが果は学術的成果にとどまらず，人材育成としても具現化できた．

される．2012 年度から 2016 年度で，学生から研究員，学生から助教，助教から講師ないしは准教授，講師ない（２）超精密集積による光のオンオフ制御材料 [6]しは准教授から教授へのキャリアアップは，合わせて 20人を超えた．

ディスプレイ，照明などに発光材料が広く用いられる．
身の回りにある光源は数を増やせば発光強度を制御でき４．
２る．しかし，分子の世界では，媒体中の発光体の濃度をXPS と XRD の利用成果例

ある程度以上に上げると，発光強度が逆に低下する濃度以下は沖津氏が管理する東京大学 微細構造解析プラッ

表1

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消光が起こる．発光体を適切に配置できないため，発光利用成果実績

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分子間の距離が近すぎるようになるためである．

４．２．２

これに対し，中心分子となるコアに側鎖のついた樹状XRD 利用成果 -Ni 担持触媒によるエチレンと極性モノマーの共重合 [7]構造の高分子であるデンドリマーを用いて，発光体を分子内の所定位置に最大 60 個まで導入した発光分子の開発

長周期周期律表の 10 族元素担持触媒によってオレフィに成功した．金属を取り込める場所を予め設計したデンンと極性モノマー（単分子）を共重合させると，接着，ドリマーを新たに開発し，塩化ビスマス（Bi）を中心部発色，印刷などの機能性オレフィンが得られる．10 族から順番に，決められた場所に結合させた．こうして作っ元素として高価な Pd が用いられているが，これを Ni でた発光デンドリマーは中心波長 600nm で発光し，結合さ置き換えると重合の温度条件が厳しく，低分子量の高分せる Bi 原子の数とともに強度が増加した．

子しか得られない．そこで，Ni を様々な有機化合物に担この発光はデンドリマー内で Bi の錯体を形成すること持させて，触媒特性を調べた．図 10（a）に示すようなで発現する．このため，Bi 添加量の調整や酸化還元反応一連の化合物について調べた結果，中性 Ni を担持したによって結合状態を変えることにより発光強度を制御でIzQO（imidazo[1,5-a]quinolin-9-olate-1-ylidene） リ ガ ン

きた．図 9 は結合状態の変化はを XPS で測定し，発光のドの Ni/IzQO により，50-100℃で触媒作用のあることスイッチングと対応させたものである．

を確かめ，従来の Ni 触媒の中では最大の分子量の重合に

図8

図9

図 10

MWCNT 担持 ZrOxNy の透過電子顕微鏡写真と XPS スペクトル

ビスマス錯体の可逆結合特性を利用した発光特性のスイッチング

重合過程と 10 族金属触媒（a）及び XRD で求められた分子構造（b）

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成功した．図 10 左は重合過程と 10 族金属触媒例，右はXRD で求められた分子構造である．

[3] “ 東京大学微細構造解析プラットフォーム共用設備のご案内 ”，東京大学大学院工学研究科総合研究機構
コーディネート室

平成 29 年 4 月

第6版[4] 沖津康平，“X 線回折理論と結晶構造解析の系譜および高木 ‐ Taupin 型 X 線多波動力学的回折理論のおわりに導出と検証 ”，X 線分析の進歩，Vol. 36, pp. 95-131

ナノテクノロジープラットフォームでは 1,000 を超え(2005)る最先端研究設備が共用に供されている．研究者が装置

沖津康平，今井康彦，依田芳卓，“ 実験と計算機シミュの運営と支援にあたることにより，設備利用の支援者でレーションによる 3,4,5,6,8,12 波ケースのピンホーあるとともに，教育者としての役割も担っている．このルトポグラフ ”，KEK Proceedings，2011-4 号，pp.

受賞の対象となった支援では，このような支援者の多重55-57 (2011)性が見てとれる．利用者が自立して研究するのに役立つ[5] Mitsuharu Chisaka, Akimitsu Ishihara, Hiroyuki

ようマニュアルを作り，困った時には離れたところから

Morioka Takaaki Nagai, Shihong Yin, Yoshiro Ohgi,でも支援できるネットワークを活用したリモートアシス

Koichi Matsuzawa, Shigenori Mitsushima and Ken-タンス，実験の現場で共同研究者が討論できるように大ichiro Ota, "Zirconium Oxynitride-Catalyzed Oxygen型スクリーンを準備した．研究者としての業績，経験，

Reduction Reaction at Polymer Electrolyte Fuel Cell

見識はマニュアルにも盛り込まれ，共同研究の経験は実Cathodes", ACS Omega, Vol. 2, No. 2, pp 678-684

験への全員参加を可能にした．研究者でもある支援スタッ(2017)

フは自身の研究時間を割いて支援する．しかし，そのお[6] “ 超精密集積で新たな機能性材料に成功―発光体やセかげで研究者が育ち，学界の研究水準は向上する．このンサー，医薬材料に期待―” 東京工業大学ニュースリ

取材では，支援スタッフの様々な貢献のあり方を再確認

リース 2016 年 9 月 26 日．http://www.titech.ac.jp/

することになった．

news/2016/036219.html[7] W. Tao, R. Nakano, S. Ito, K. Nozaki, "Copolymerizationof Ethylene and Polar Monomers Using Ni/IzQO
Catalysts", Angewandte Chemie International Edition,

参考文献[1] ナノテクノロジープラットフォーム

Vol. 55, pp. 2835 -2839 (2016)
技術スタッフ表彰，http://nanonet.mext.go.jp/award/（図はすべて，沖津氏と中村氏から提供された）[2] ネットワークを重視した X 線装置利用支援技術，
http://nanonet.mext.go.jp/research_support_award/（古寺 博）

H28_Award_2.pdf

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平成 28 年度技術ｽﾀｯﾌ表彰（技術支援貢献賞）-7