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opqrstuvwhxyz{|`=L

Chapter 1

Crystal philosophy

Development history of crystallography and the Nobel Prize winners

Chapter 2

・・・雪の結晶は、天から送られた手紙であるということが出来る。そしてその中の文句は結晶

今から120年前の1901年、ノーベル賞が始まりました。その後、結晶に関係する研究にの 形 及 び 模 様 と い う 暗 号 で 書 か れ て い る の で あ る 。そ の 暗 号 を 読 み と く 仕 事 が 即 ち 人 工 雪 のよって、50名以上の科学者がノーベル賞を受賞しています。そのことは、結晶学がさまざま研究であるということも出来るのである。

な科学を支えてきたことを示しています。

―「雪」の結晶に魅せられ、世界で初めて人工雪の結晶を作り研究した、中谷宇吉郎博士の言葉です。

Prize for their work related to crystals. That shows that crystallography has supported a variety of sciences.

In 1901, or 120 years ago, the Nobel Prize began. Since then, more than 50 scientists have won the Nobel

結晶は、自然界のありとあらゆるところで見られます。例えば、グラファイト（黒鉛）とダイヤモン

はじまり

ドは、どちらも、私たちの生活にもおなじみの炭素の結晶ですね。しかし、見た目も使いみちも異なります。グラファイトは、鉛筆に使われているように、黒く柔らかい。一方、ダイヤモンドは透明でかた雪の結晶の写真。六角形の対称性は水分子同士の結合に依存しています。

く、かたい石を切るのにも使われています。一体、どういうことなのでしょう？

1895年、レントゲンが真空放電管（クルックス管）からX線が放射されることを発見しました。
「X（エックス）」の名の由来は、「未知」のもの、という意味です。X線の発見により、人類はそれ

その説明は、X線結晶学が教えてくれます。そう、病院で「レントゲン」と呼ばれている、あのX線でまで見たこともない世界を眼にするようになりました。レントゲンの妻の手を写したＸ線写真

す。X線が結晶に当たると、結晶中の原子がそれをある方向にだけ散乱して、回折現象を起こします。

も、当時は相当なインパクトだったことでしょう。こうした“分かりやすさ”は大切なことで、X結晶中の原子が規則正しく並んでいるからです。
天然鉱物のグラファイト Natural graphite

X線結晶学は、固体結晶の特徴を原子や分子レベルで説明する、いわば「結晶フィロソフィー」を確

Beginnings

Photo of a snowflake. Hexagonal symmetry depends on the bonds between water molecules.

Rob Lavinsky, iRocks.com – CC-BY-SA-3.0,
via Wikimedia Commons

線の性質を利用した応用研究が多く実施されました。
結晶に関する研究がまさにその一つです。

立した一つの学問です。おかげで、「結晶」に直接または間接的に関わる学者にとって、その学問分野

In 1895, RÖNTGEN discovered that X-rays were emitted from an electrical discharge tube with vacuum (i.e., Crookes

は多岐にわたるとしても、結晶を語る上での共通言語・共通認識をもつことができます。

tube). The origin of the name "X" means "unknown." With the discovery of X-rays, people became to see a world that
had never been seen before: An X-ray photograph of RÖNTGEN's wife's hand must have had a major impact on

ことでしょう。

carried out, like crystal studies.
天然鉱物のダイヤモンド Natural diamond
写真：中村淳（スタジオ KJ）Photo: Jun NAKAMURA

結晶学の礎を築く

さて、グラファイトとダイアモンドの違いを、原子レベルで、結晶構造の視点で見てみるとしま

Laying the foundation for crystallography

しょうか（写真・右をご覧ください）。

マックス・テオドール・フェリックス・フォン・ラウエ
Max Theodor Felix von LAUE

Crystals can be found everywhere in nature. For example, graphite and diamond are both carbon crystals thatare familiar to us in our daily life. However, their shapes and usages are different: Graphite is black and soft, as
used in pencils. Diamond, on the other hand, is transparent and hard, used to cut even hard stones. What onearth is that?

1914年 ノーベル物理学賞受賞

Received the 1914 Nobel Prize in Physics

Through this exhibition, even those who do not specialize in "crystals" will soon find the mystery of crystals ina scientific point of view if learning how to enjoy crystals academically.

1912年、ラウエが結晶にX線を照射したところ、X線が特定の方向に回折する現象を発見しました。また、X線を使えば、結晶中の原子位置を正確に決定して結晶の三次元構造が分かるようになる、として、1912〜1913年に、ブラッグ父子が、岩塩やダイヤモンドの結晶構造（原子配列）を解明しました。ところで、ほぼ同時期、物理学者でかつ随筆家としてもX-ray crystallography will explain that. (Yes, it’s that X-ray, which is used in hospitals.) When X-ray hits acrystal, the atoms in the crystal scatter it only in one direction, causing a diffraction phenomenon. This isbecause the atoms in the crystal are aligned regularly.
X-ray crystallography is a discipline that has established, so to speak, "crystal philosophy" that explains thecharacteristics of solid crystals at the atomic and molecular levels. Because of this, scholars who are directly or
indirectly involved in "crystals" can have a common language and common understanding in talking about
crystals, even if their academic fields are diverse.

Received the 1901 Nobel Prize in Physics (the 1st Nobel Prize)

people. Such easiness to understand is important, and in fact, many applied researches using nature of X-rays were

この結晶展を通じて、たとえ、「結晶」を“専門”としていない人にとっても、結晶の学術的な楽しみ方を知ることになるのであれば、結晶の神秘性もやがて科学的な視点で飛び込んでくるようになる

ヴィルヘルム・コンラート・レントゲン
Wilhelm Conrad RÖNTGEN

1901年ノーベル物理学賞受賞（第1回ノーベル賞）

有名な寺田寅彦も、ラウエの実験に興味をもち、岩塩にX線を当てて蛍光板に回折像を写し出し、ブラッグ父子と同様の考察を発表しています（Terada T., Nature, 91, 135-136 (2013);
Terada T., Nature, 91, 213 (1913)）。

グラファイトとダイヤモンドの結晶構造の違い

Differences of crystal structures of graphite and diamond

ウィリアム・ヘンリー・ブラッグ（父） ウィリアム・ローレンス・ブラッグ（子）William Henry BRAGG (Father) William Lawrence BRAGG (Son)
1915年 ノーベル物理学賞受賞

Received the 1915 Nobel Prize in Physics

Now, let's see the difference of crystal structures between graphite and diamond at atomic level (see in
picture on the right).

In 1912, when L AUE irradiated crystals with X-rays, he discovered a phenomenon in which the X-rays
diffracted in a specific direction. From 1912 to 1913, William and Lawrence BRAGG, father and son, elucidated
the crystal structure (atomic arrangement) of rock salt and diamond, using X-rays. It was possible to accurately
determine the atomic positions in the crystals, or the three-dimensional crystal structures. By the way, ataround the same time, Torahiko TERADA, a physicist and essayist, was also interested in LAUE’s experiment.
He irradiated rock salt with X-rays and projected the diffraction image on a fluorescent screen, which was

凡 て の 事 象 を 自 分 自 身 の 目 に よ っ て 見 よ う と す る 願 望 、こ れ が あ れ ば 必 ず し も 専 門 的 の 知 識

presented with the same consideration as BRAGG's in academic papers (Terada T., Nature, 91, 135-136 (2013);

や素質がなくともよいのである。しかしこのように自然現象を自分の眼で見る人には、やがてTerada T., Nature, 91, 213 (1913)).

その科学的説明を求める気持ちが出て来るであろう。
寺田寅彦

Torahiko TERADA―中谷宇吉郎博士 「雪」
より。

結晶を透過したX線の回折現象

Diﬀraction phenomenon of X-rays transmitted through crystals
Cdang, CC BY-SA 3.0, via Wikimedia Commons

X線回折像 X-ray diﬀraction image

Jeﬀ Dahl, CC BY-SA 3.0, via Wikimedia Commons

結晶内部におけるX線と原子との相互作用
Interaction between X-rays and atoms inside crystal
The.ever.kidGregors, CC BY-SA 3.0, via Wikimedia Commons

Chapter 3タンパク質の結晶構造解明への挑戦

結晶研究のさらなる発展へ

Challenge to elucidate the crystal structure of proteins

Further development of crystal studies

X線結晶学は、さらなる展開として、生命の謎に関わるタンパク質の結晶構造を明らかにしていきます。

タンパク質が結晶化することを発見
1926年、サムナーはウレアーゼ（尿素を加水分解により二酸化炭素とアンモニアに分解する酵素）が結晶

ジェームズ・バチェラー・サムナー
James Batcheller SUMNER

1946年ノーベル化学賞受賞

Received the 1946 Nobel Prize in Chemistry

化することを発表し、続いてノースロップは、1929年に、消化酵素ペプシンが結晶になることを発見しましcrystals could not be obtained, and the crystal structure was left unknown.

のデータ解析には時間がかかり、また結晶によって限界があったため、統計学的手法を取り入れることにより、直接的に結晶構造を決定できるようになりました。

ための有用な材料だとして見るようになるでしょう。
ハーバート・アーロン・ハウプトマン
Herbert Aaron HAUPTMAN
1985年ノーベル化学賞受賞

いざ各ブースへ、

ジョン・ハワード・ノースロップ
John Howard NORTHROP

1946年ノーベル化学賞受賞

Received the 1946 Nobel Prize in Chemistry

ラフェンの発見でノーベル物理学賞を受賞、2011年にシェヒトマンが準結晶の発見でノーベル化学賞を受賞、2012年には、レフコウィッツとコビルカが、人体のほぼすべて

Here, we show partially but a wide range of crystal studies that have been carried out at Nagoya University:体）の構造解明でノーベル化学賞を受賞しています。

ジェローム・カール
Jerome KARLE

1985年ノーベル化学賞受賞

Received the 1985 Nobel Prize in Chemistry

も、
窒化ガリウムの結晶づくりが、その成功のカギを握っていたのです。

られていますが、タンパク質結晶は、容積の30~70%（平均50%）を結晶化溶媒が占めています。このため、結ジョン・デスモンド・バナール
John Desmond BERNAL

X線回折像が明らかになりました。

From around 1950, HAUPTMAN and KARLE worked on the phase problem of X-ray crystallography by integrating
mathematics with physical chemistry, and developed a new method for crystal struc ture analysis. Because

新田州吾先生は、青色LEDの材料である窒化ガリウム（GaN）の次なる挑戦として、次世代パワー半導体として法の開発に、AI技術を導入し、実用化に向け研究を進のGaNデバイスが実現する未来社会の創造に向け、めています。映像コーナー（プロジェクションマッピング）

研究を進めています。そのためには、GaNのきれいなにて、研究の様子をどうぞご覧ください。

結晶作りのための技術開発が伴うのです。

Dr. Toru UJIHAR A and Dr. Kohei ISHIK AWA

D r. S h u g o N I T TA h a s b e e n c o n d u c t i n ghave introduced AI technology to theresearch, as the next challenge for gallium nitride

development of a cr ys tal grow th method for(GaN), a material for blue LEDs, toward a futuresilicon carbide (SiC), a next-generation powersociety in which GaN devices as next-generation

semiconductor, toward its practical application.

powe r se miconduc to r s w ill b e rea lize d. T his
accompanies the technological development inproducing high quality GaN crystals.

mapping at the Video Exhibit.

direct determination of crystal structures has become possible.

SEM image of GaN crystal after a defect evaluation method (etch-pit method)

SEM image of SiC crystal surface

As a result, more and more substances have been produced.

In 1934, BERNAL and his student, HODGKIN (formerly CROWFOOT), observed pepsin crystals grew to 2 mm in length to seea difference if the crystals were kept in crystallization mother liquor or exposed to air. As is now known, protein crystals are

For instance, GEIM and NOVOSELOV received the Nobel Prize in Physics in 2010 for the discovery of thecomposed of 30-70% (50% on average) of crystallization solvent in volume. Therefore, by encapsulating the crystal in a glass

two-dimensional crystalline substance, graphene. SHECHTMAN received the Nobel Prize in Chemistry in 2011 forcapillary so as not to expose it to air, they succeeded in obtaining the X-ray diffraction image of the protein crystal for the first
ドロシー・クローフット・ホジキン
Dorothy Crowfoot HODGKIN
1946年ノーベル化学賞受賞

Received the 1946 Nobel Prize in Chemistry

the discovery of quasicrystals. In 2012, LEFKOWITZ and KOBILK A won the Nobel Prize in Chemistry for theirstudies of G-protein-coupled receptors, which are the largest family of membrane proteins in the human genome.
In addition, the 2014 Nobel Prize in Physics, which delighted Nagoya, was presented to Professor Isamu AKASAKI,
Professor Hiroshi AMANO, and Professor Shuji NAK AMURA, for the invention of efficient blue light emitting

To announce the structure of DNA

宇治原徹先生と石川晃平先生は、次世代パワー半導体として期待されている炭化ケイ素（SiC）の結晶成長

Please experience their research in the projection

conventional data analysis had taken time and had only applied for limited crystals, by adopting statistics, theObtaining X-ray diffraction image of protein crystal for the first time

diodes (blue LEDs). Here again, the crystallization of gallium nitride was a key to its success.

天野浩 Hiroshi AMANO

赤﨑勇 Isamu AKASAKI

2014年ノーベル物理学賞受賞
Received the 2014 Nobel Prize in Physics

松田亮太郎先生と日下心平先生は、多孔性金属錯体

杉本泰伸先生と永江峰幸先生は、名古屋大学が運用（MOF）の結晶を研究しています。その魅力は、柔軟なするシンクロトロン放射光ビームラインの新しい測定

結晶構造にあります。結晶構造が変形するとどんなこ

Rosalind Elsie FRANKLIN

医学、薬学、物質科学など多岐に渡っています。

Dr. Ryotaro MATSUDA and Dr. Shinpei KUSAKA

Dr. Yasunobu SUGIMOTO and Dr. Mineyuki

have been studying porous crystals of

N AGA E a re p roce e d ing wi th p ro tein c r ys tal

m e t a l - o rg a nic fra m ewo rk s (M OFs). W i th th es tr u c tu re a n a l y s i s th ro u g h re s e a rc h o n n e w

flexible crystal struc tures that MOFs show as ameasurement methods and equipment

unique property, their functions have been born

development for synchrotron radiation beamlines

through well-thought-out design.

operated by Nagoya University. The researchだと予測しました。1953年、ワトソンとクリックは、このDNA繊維のX線データと模型製作
により、DNAを理論的に説明した立体構造「DNA二重らせん構造」
を発表しました。
その後、1981年にDNAの単結晶が単離され、X線解析により、DNA二重らせん構造が証明されました。

Received the 1962 Nobel Prize in Physiology or Medicine

It is often stated as "DNA carries the genetic information for making proteins" because DNA contains allt h e i n f o r m a t i o n n e c e s s a r y f o r p r o t e i n s y n t h e s i s , s u c h a s t h e t y p e, q u a n t i t y, s e q u e n c e, a n dthree-dimensional structure of amino acids.

In 1952, FRANKLIN obtained an X-ray diffraction image from DNA fibers. From this diffraction image, thestructure of DNA was predicted as something like a helical structure, having the basic physical properties( p h o s p h o r i c a c i d ) o u t s i d e o f t h e D N A s t r a n d . I n 19 5 3 , WAT S O N a n d C R I C K d i s c o v e r e d t h ethree-dimensional struc ture of DNA double helix, theoretically explained using the X-ray data of DNA
fibers and its modeling.

フランシス・ハリー・コンプトン・クリック
Francis Harry Compton CRICK

1962年ノーベル医学生理学賞受賞

Received the 1962 Nobel Prize in Physiology or Medicine

現在地

You are HERE.

fields are diverse, including life science,
medicine, pharmacy, and materials science.

3D image of protein crystal structure

ある、アミノ酸の種類、数、配列、立体構造などの情報がすべてつまっているからです。

折像から、DNA鎖の基本的な物性（リン酸）が、何か「らせん構造」を持つものの外側にあるのJames Dewey WATSON
1962年ノーベル医学生理学賞受賞

構造解析を進めています。その研究分野は生命科学、をご紹介します。

DNAは、タンパク質をつくるための設計図だと言われています。
タンパク質合成に必要で1952年、フランクリンによってDNA繊維からX線回折像が明らかになりました。この回

ジェームズ・デューイ・ワトソン法の開発や装置開発の研究を通し、タンパク質の結晶とが可能となるか、考え抜かれたデザインとその機能

Conceptual image of MOF trapping gas molecules

ロザリンド・エルシー・フランクリン

and exhibit zone.

の機能に関与している細胞表面の受容体タンパク質ファミリー（Gタンパク質共役受容を実現させた赤﨑勇特別教授、天野浩特別教授、中村修二教授に贈られています。ここで1934年、バナールと彼の下で研究を始めたホジキン（旧姓：クローフット）は、長さ2 mmのペプシン結晶

DNA構造の発表へLetʼs get a glimpse of these

Looking at the characteristic shapes of crystals, “why are crystals so symmetrical?”—if having an inquisitivemind or curiosity, you will start to see the essence of crystals scientifically. Furthermore, if you expect theapplication development of crystals, you will see them as useful materials that will create our future society.

また、名古屋が喜びで湧き上がった2014年のノーベル物理学賞は、高効率な青色LEDを、結晶化母液中と空気にさらした時の様子を観察し、結晶が変化していることを見出しました。今でこそ知time.

研究室を垣間見に。

We hope that you are already familiar with substances that are CRYSTALS!

laboratories at each booth

初めてタンパク質結晶のX線回折像が明らかに晶を空気にさらすことなく、ガラスキャピラリー（毛細管）に封入することにより、初めて、タンパク質結晶のさあここに、名古屋大学で遂行されている多彩な結晶研究のほんの一部をご紹介します。

Received the 1985 Nobel Prize in Chemistry

最近のものを抜粋するなら、2010年に、ガイムとノボセロフが、二次元結晶性物質グ

Discovering that proteins crystallize
In 1926, SUMNER published that urease, an enzyme that hydrolyzes urea into carbon dioxide and ammonia, crystallized.

に結晶の本質を見るようになるでしょう。さらにその応用展開に期待するなら、結晶が私たちの未来社会を創造する

こうした結果、
ますます多くの物質が生み出されています。

線回折像は得られず、どのような結晶構造かは分かりませんでした。

due to lack of knowledge about the chemical properties and molecular structure of proteins, X-ray diffraction images of those

結晶の特徴的な形を見て、「結晶は、なぜこんなに対称的なのだろうか」と探究心をくすぐられるなら、やがて科学的

X線結晶構造解析の位相問題に取り組み、新しい結晶構造解析法を開発しました。従来た。ただ、その時点では、タンパク質の化学的性質や分子構造に関する知見が乏しかったため、それら結晶のX

Subsequently in 1929, the crystallization of pepsin, a digestive enzyme, was discovered by NORTHROP. However, at that time,

もう皆さんは、「これも結晶かしら」「あれも結晶かしら」なんて見方をお持ちでしょう。

1950年ごろから、ハウプトマンとカールは、数学と物理化学を組み合わせることで、

As a further development, X-ray crystallography will reveal the crystal structure of proteins involved in the mystery of life.

Exhibition digest: Crystal Studies in Nagoya University

Then, in 1981, a single crystal of DNA was isolated, and the X-ray analysis proved the DNA double helix

structure.

瀬川泰知先生と坂本裕俊先生は、炭素物質である

吉田英一先生は、化石を包むタイムカプセル「球状コ

ナノカーボン（グラフェンやカーボンナノチューブなど）

ンクリーション」の形成メカニズムを解明し、さらなるの部分構造である「分子ナノカーボン」を生み出してい応用展開として、炭酸カルシウムのコンクリーションます。
複雑な幾何学構造は、数学的なパズルのようなおもしろさがあります。
また、そのパーツが組み合わされば、
知られざる新機能の発現へとつながります。

化という技術開発を進めています。自然の産物である
炭酸カルシウムの結晶に、未知なる可能性を見出しています。

D r. Ya s u t o m o S E G AWA a n d D r. H i r o t o s h i

D r. H i d e ka zu YOS H I DA h a s e l u c i d a te d th e

SA K A M OTO h ave p ro d u c e d "m o l e c u l a rformation mechanism of "spherical concretion"n a n o c a r b o n s ," t h e p a r t i a l s t r u c t u r e s o fthat wraps fossils just like a time capsule, and is

nanocarbons (graphene, carbon nanotubes, etc.).

advancing the tec hnologic al development ofComplex topological structures are as interesting

calcium carbonate concretion. This will lead us toas mathematical puzzles. In addition, thethe discovery of unknown potential in the calcium

assembling of the molecular nanocarbons will
expectedly lead to unknown new functions.

carbonate, a nature made crystal.
Molecular structures of carbon nanobelt (left) and carbon trefoil knot (right)

SEM image of the concretion of calcium carbonate artificially reproduced

K>*L}~jÄÅOQRSTUC-VQRSDLYOSHIDA Hidekazu Professor

吉田英一 教授

天然鉱物の結晶「方解石」「球状コンクリーション」の成分も炭酸カルシウム！

“Calcite,” a natural mineral crystal

The component of "spherical concretions" is also calcium carbonate!

方 解 石（ c a l c i t e 、カ ル サ イ ト ）は 、炭 酸 カ ル シ ウ ム

炭酸カルシウムの電子顕微鏡写真 （画像提供：白石工業株式会社）
SEM image of calcium carbonate (Courtesy of Shiraishi Kogyo Kaisha, Ltd.)

名古屋大学博物館 資料基盤研究系
大学院環境学研究科兼任︵環境地質学︶

生物遺骸からの有機炭素と海水中のカルシウムイオ

うな平行六面体の形です。そのほかに、板状、柱状、犬牙（けンが反応して生成した炭酸カルシウムが、周囲に堆んが）状などがあります。結晶の色は、一般に無色透明ですいます。

ニュージーランド

モエラキボールダー

方解石

こともあります。

CalciteCalciteンクリーションは世界中から発見されており、それらの成因に関する研究が進められています。

Calcite is a type of carbonate mineral, made of calcium carbonate(CaCO 3). When limestone, formed by the aggregation and depositionof very fine calcite grains and crystals, is metamorphosed due to highoverburden pressure and geothermal heat after deeply buried, it
becomes marble, commonly used for sculpture and as a building
material.
Naturally found calcite crystals come in a variety of shapes, the mostwell-known of which is the crushed-like parallelepiped shape of am a tc h b ox . A l s o, p l a te - s h a p e d , c o l u m n a r, a n d s c a l e n o h e d r a lspine-like calcite crystals can be seen. The colors of the crystals are
generally colorless and transparent, but they may be pink or purple
to yellow, depending on the elements contained.

リーション化の応用技術が開発されています。地下空間をション化による、地下空洞の長期シーリング技術が実用化
秋田クジラコンクリーション

Whale concretions seen in Akita, Japan

ツノガイコンクリーション（富山） Tusk-shell concretion (Toyama, Japan)

Industrially, calcium carbonate as a crystalline material is used as araw material for cement, food additives, and others. Due to its
usefulness, research on the crystal growth of synthesized calcium
carbonate has progressed, controlling its size and shape suitable for
their purposes.

アンモナイトコンクリーション（ネパール） Ammonite concretion (Nepal)

されれば、二酸化炭素地下貯留のためのボーリング孔のシーリング、放射性廃棄物の長期地下隔離や、長期エネル

宮崎県都城市のコンクリーション

Spherical concretions found in Miyakono-jo-shi, Miyazaki, Japan

The "round s tones" – paleontologis t and fossil
researchers are always looking for – whose main
component is calcium carbonate. They are called"spherical concretions" because they are so strong
enough to protect fossils inside the stones for moret h a n m i l l i o n s o f y e a r s , l i k e "u l t i m a t e n a t u r a lconcrete."
カニコンクリーション（ニュージーランド） Crab concretion（New Zealand）

C20180126

をシーリングしなければなりません。ここに、コンクリー

耐久性に富む性質を持っています。これらの球状コ
方解石

特許出願中

クリートの耐久性以上の強度で、地下岩盤中の亀裂・隙間

したコンクリーションは、コンクリートよりも硬く用性から、炭酸カルシウムの結晶成長についての研究が進

寒天マトリクス中で、炭酸カルシウムの塊の生成を再現 （約1週間）
Reproduction of the spherical formation of calcium carbonate in the agar matrix (about a week)
Patent pending: C20180126

流出を防ぐことが必要ですが、それには、セメントやコン

く割れやすいですが、砂や泥を含む地層の中で成長の原料や食品添加物などにも使われています。こうした有Reproduction experiment of concretion

利用するには、地下岩盤中の割れ目や隙間から、地下水の固まったものです。
炭酸カルシウムの結晶だけでは、劈開によって脆

産業的にも、炭酸カルシウムは結晶材料として、セメント

コンクリーション化の再現実験

さらに、最新の研究では、地下空間の活用に向け、コンク
Moeraki boulders in New Zealand

積した砂や泥の隙間を急速に埋めて、球状に成長しが、含まれる元素によって、ピンクや紫、黄色などを呈する

SEM image of synthetic calcium carbonate crystals

ンクリート建造物の亀裂修復技術への活用が期待されてとして「球状コンクリーション」と呼ばれています。
球状コンクリーションは、コンクリーション中のその中でもよく知られるのは、マッチ箱を押しつぶしたよ

合成炭酸カルシウム結晶の電子顕微鏡写真

進められています。例えば、トンネルなどのセメントやコほどに丈夫であるため、言わば“天然のコンクリート”

天然に見られる方解石の結晶は様々な形がありますが、結晶が合成されています。

コンクリーション化を人工的に再現しよう、と現在研究が年以上もの間、生きていた当時の状態のままに遺す

れると、結晶質石灰岩（石材名：大理石）となり、彫刻や建材

められており、目的に合った大きさや形の炭酸カルシウムよりも硬く耐久性に富む性質」に学び、炭酸カルシウムのムです。炭酸カルシウムの丸い岩塊は、化石を数百万きますが、それが地中に埋没し圧力や高熱によって変成さとして用いられています。

然が作り出した“タイムカプセル”です。その「コンクリート“丸い石”、その主成分も、方解石と同じ炭酸カルシウに細かな方解石の結晶が集合し堆積することで石灰岩がで

Future perspectives: Toward the utilization of underground space by concretion

球状コンクリーションは、化石をきれいに保管する、自古生物学者、化石研究者が地質調査で探し求める（CaCO₃）でできている鉱物（炭酸塩鉱物）の一種です。非常

未来へ：地下空間活用への応用

Spherical concretions are formed in phases: firstly,
carbon was produced from the organic matter ofburied organisms af ter the decomposition, thencalcium carbonate precipitated very rapidly by thereac tion wi th the c arbon (bic arbona te ion) andcalcium ion contained in the sea water. Further, thecalcium carbonate fills the grain pores between sanda n d m u d d e p o s i t s t o c e m e n t a n d g r o w, a n deventually solidify into a spherical shape.
Calcium carbonate crystals alone are brittle andfragile due to cleavage, while concretions grown inthe sedimentary formation containing sand and mud
grains make themselves quite harder and more
durable than concrete. These spherical concretions
have been found all over the world and research into
their origin and formation process has been
underway.

放射性廃棄物の地下隔離施設（概念図）
地下300mよりも深い地下環境に、
放射性廃棄物を数万年以上隔離する
The conceptual view of the underground isolation facility for radioactive waste:This facility is expected to isolate radioactive waste for more than tens of thousands of years in theunderground environment deeper than 300 m.

ギー地下備蓄なども可能になっていくだろうと期待されています。

Spherical concretions are nature-created "time capsules" that keep fossils as it was. Researchers have currently been trying
to reproduce the concretion of calcium carbonate artificially, learning from its “harder and more durable properties thansynthetic concrete." For example, they expect the technology to be used for repairing cracks in cement or concrete buildings.
Furthermore, in the latest research, the concretion technology has progressed, developing for the utilization of theunderground space. In order to use the underground space, it is necessary to prevent the outflow of groundwater from cracks
and pores in the underground bedrock; however, the strength should be stronger than the durability of man-made cement
and concrete to seal the cracks and pores in the underground for more than thousands of years. Here, by the concretion
technology, we expect that practical approaches, such as long-term sealing technology for deep boring holes to store carbon
dioxide, to isolate radioactive waste, and to preserve energy in the underground, will become possible.

K>QLÇgÉÑÄÅ_ÖÜáàÄÅOQRSTUC-VQRSDLSHUGIMOTO Yasunobu, Associate Professor/

杉本泰伸准教授・永江峰幸助教

X線結晶構造解析を行うための「名古屋大学ビームライン」

生き物の体をつくる「タンパク質」

Nagoya University Beamline for X-ray crystal structure analysis"Proteins" that make the body of living organisms

タンパク質の構造研究

Structural analysis of proteins

考える
Think

タンパク質は、生き物の体をつくるもとであり、体の中でいろいろな働きをします。筋肉が動く、食べ物を消

アクチンの繊維化の仕組みを解明

X線結晶構造解析を行うためのX線発生装置にはいくつかの種

運動する類がありますが、タンパク質の結晶構造解析には、「シンクロトロWork化する、脳が働く、これらはすべてタンパク質が働いて

食べ物を
消化する
Digestいるからこそできることです。

アクチンは、細胞の形状や動態の制御に重要な「細胞骨格」の主要な構成タンパク質です。球状アクチンモノ

ン放射光」がしばしば使われます。

マーは、二重らせん状につながり、繊維状のアクチンフィラメントを形成します。アクチンフィラメントは、重合と脱重合を繰り返しながら長さを変えるため、細胞の形状をダイナミックに変えることができます。しかしシンクロトロン光とは、高速の電子が電磁石によって進行方向タンパク質は、アミノ酸が連なった「ひも」状の高分子

タンパク質は体をつくる必要な要素

Proteins are a necessary element to build the human body.

そしてX線までの広い波長領域の電磁波を含んでいます。

です。一見「長いひも」ですが、“まっすぐ”ではなく、”折りたたまれて”います。同じ種類のタンパク質ならば、そNAGAE Takayuki, Assistant Professor

造解析によりタンパク質の構造を調べていきます。

を決定しました。これをモノマー型結晶構造と比較することで、アクチンの機能を理解する上で重要となる、瀬戸市）」には、X線結晶構造解析を行うための「名古屋大学ビーム

タンパク質の分子構造
Protein structures

繊維化の仕組みの一端が解明されました。

ライン（BL2S1）」があります。名古屋大学が建設したBL2S1は、

まれ方、すなわち、タンパク質の構造を知ることが不可欠です。“乱れのない”きれいな結晶を作成し、X線結晶構

そこで、名古屋大学の武田修一博士（現岡山大学）らは、アクチンを繊維状に固定する特殊な"仕掛け"を利用することで、繊維型アクチンの結晶を得ることに成功し、名古屋大学ビームラインにより、そのX線結晶構造

2013年に完成した「あいちシンクロトロン光センター（愛知県の折りたたまれ方（＝構造）は同じです。つまり、タンパ
ク質の機能を正確に理解するためには、正しい折りたた

この特徴（長さがバラバラ）のため、これまで繊維状アクチンの結晶を作成することはできませんでした。

を変えられた際に発生する光のことで、赤外線、可視光線、紫外線、

この立体パズルは、折りたたむと立方体の形に収まります。
タンパク質にも固有の折りたたまれ方があり、正しく折りたたまれたときに、This 3D puzzle fits 機能を発揮しますin the shape of a cube when folded.
Proteins also have their own way of folding, and whenfolded correctly, they fulfill their function.

タンパク質や有機・無機化合物などの構造解析により、生命科学、

タンパク質結晶の X 線回折像 X-ray diffraction image of protein crystal

医学、薬学、物質科学などの様々な分野で、大学・企業の幅広い研究

Revealing the mechanism of actin polymerization

者に利用されています。

Ac tin is a major component of the "cy toskeletal" proteins, which are essential forcontrolling cell shape and motility. Spherical ac tin monomers polymerize into adouble-stranded actin filament. Actin filaments change their length through repeatedpolymerization and depolymerization, which allows them to change the cell shape
dynamically. However, due to this characteristic (varying length), it has not been able tocrystalize the filamentous actin.

Proteins are the building blocks of the human body, andthey perform various functions in the body. For example,
muscle movement, food digestion, and brain response are
all proteins’ work.

名古屋大学
シンクロトロン光研究センター

A protein is a macromolecule that consists of a long chainof amino acid residues. It appears like a long string: it is notstraight but typically “folded.” Because the same type ofproteins shows the same type of fold, in order to accurately
understand the function of proteins, it is essential to know
the folded conformation, or the structure of proteins bymeans of X-ray crystallography.

Thus, Dr. Shuichi TAKEDA (currently at Okayama University) and co-researchers at
Nagoya University succeeded in obtaining the filamentous form of actin crystals byusing a special "device" that fixes actin in the form and determining the X-ray crystal
struc ture by means of the Nagoya University Beamline. By comparing the crystals truc ture of monomeric ac tin, the mechanism of ac tin polymerization, which isimportant for understanding the function of actin, was revealed.

あいちシンクロトロン光センター全体図
あいちシンクロトロン光センターは、リングの 1 周が 72 m の小型放射光施設です。

重合Polymerization

モノマー
Monomer

ポリマー

脱重合

Polymer

Depolymerization

アクチンフィラメントの形成

Formation of actin filaments

画像提供：名古屋大学（現岡山大学）武田修一先生

Image: Courtesy of Dr. TAKEDA Shuichi at Nagoya University (currently at Okayama University)

12 台の電磁石を使ってシンクロトロン光を発生させ、様々な実験を行っています。

Overview of Aichi Synchrotron Radiation Center
Aichi Synchrotron Radiation Center is a small synchrotron radiation facility with a ring
circumference of 72 m. Various experiments have been conducted by generating synchrotron
radiation using 12 electromagnets.

シアノバクテリアの光受容タンパク質の構造解析

あいちシンクロトロン光センター Aichi Synchrotron Radiation Center
名古屋大学ビームライン BL2S1 の 実験ハッチ外観
Nagoya University Beamline (BL2S1)

ある種のシアノバクテリア（原核光合成生物）は、周囲に緑色光が多いときは、緑色光を吸収する光合成色素
タンパク質をつくります。逆に、周囲に赤色光が多いときは、赤色光を吸収する光合成タンパク質をつくります。このような巧みな戦略によってシアノバクテリアは効率よく光合成を行っています（これを補色順化と呼タンパク質結晶ギャラリー

Protein Crystal Gallery

タンパク質は結晶を作り、そこから構造を調べることができます。
Proteins can form crystals which can apply for X-ray crystal structure analysis.

There are several types of X-ray source for X-ray crystallography. One of them is thesynchrotron radiation, often used for protein crystal structure analysis.
Synchrotron light is emitted with a wide range of electromagnetic radiations from
infrared rays to x-rays when electrons, moving at high velocity, are forced to change
the direction under the action of a magnetic field.
Aichi Synchrotron Radiation Center (Seto, Aichi Prefecture) established in 2013 hasoperated the Nagoya University Beamline (BL2S1) constructed by Nagoya University
for X-ray crystal structure analysis. Using BL2S1, research in various fields, such as life
science, medicine, pharmac y, and materials science, has been c arried out via
structural analysis of proteins, organic and inorganic compounds by academic andcorporate researchers.

びます）。この補色順化という現象は100年以上前から知られており、いくつかの光受容タンパク質によってコントロールされることが分かっています。しかし、その詳しいメカニズムは未だ謎に包まれています。
シンクロトロン光研究センターでは、共同研究者である豊橋技術科学大学の広瀬侑博士らとともに、この光受容タンパク質の仕組みを解き明かすため、構造研究を進めています。そして最近、光受容タンパク質が緑色
光を感知したときの構造を観測することが出来ました。得られた構造情報を、他の実験方法（変異体実験・
NMR分光法・ラマン分光法・シミュレーションなど）と組み合わせて、シアノバクテリアが持つ巧みな戦略“補色順化” のメカニズム解明に挑戦しています。
Structural analysis of cyanobacterial photoreceptive proteins
Certain cyanobacteria (prokaryotic photosynthetic organisms) perform photosynthesis
ef ficiently (i.e., complementar y color acclimation) by producing photosynthetic
chromoproteins to absorb green light when there is mainly green light around them,also for red light in the same manner. This phenomenon, controlled by several
photoreceptive proteins, has been known for over 100 years. However, the detailed
mechanism is still a mystery.
To elucidate the mechanism of this photoreceptive protein, the structural study has
been conducted through the collaborative research with Dr. Yuu HIROSE at Toyohashi
University of Technology conducted at the Synchrotron Radiation Research Center.
Recently, the structure of the photoreceptive protein when it senses green light has
been identified. With the obtained struc tural information, we have been trying to
combine other experimental methods (e.g., variant experiment, NMR spectroscopy,
Raman spectroscopy, simulation) to reveal the mechanism.

赤色光培養

Cultured under red light

緑色光培養

Cultured under green light

シアノバクテリアの補色順化

Complementary color acclimation of cyanobacteria
補色順化：緑・赤色光に応じた光合成アンテナの調節

Complementary color acclimation: Adjustment of photosynthetic antenna according to green/red light

画像提供：豊橋技術科学大学 広瀬侑先生 Image: Courtesy of Dr. HIROSE Yuu at Toyohashi University of Technology

K>LLâ~äãÄÅOQRSTUC-VQRSDLNITTA Shugo, Designated Associate Professor (AMANO Lab.)新田州吾 特任准教授 ︵天野浩 研究室︶ 未名来古材屋料大・学システム研究所

ちっか

青色LEDの半導体材料「窒化ガリウム（GaN）」“Gallium nitride (GaN),” the blue LED semiconductor material

GaNパワー半導体実現に向けた挑戦

GaNの“きれいな”結晶をつくる

Challenge toward the realization of GaN power devices

Making “high quality” GaN crystals

パワー半導体とは、発電所で電力エネルギーが生み出されてGaNは、自然界には存在しない材料です。基板となる結晶上

赤﨑勇特別教授と天野浩特別教授は、名古屋大学にて、サファ

イア基板上に高品質なGaN結晶の作製に世界で初めて成功しま

から、各家庭や身の回りの機器で使用されるまでの電力変換にで、GaとNの原料ガスを1000℃以上の高温で混ぜることで、した（1985年）。このGaN結晶を基板として「青色発光ダイオー使用される半導体部品を指します。従来のシリコン半導体を縦無色透明で、堅く、安定な結晶ができます。しかし、パワー半導ド（青色LED）」を開発（1989年）、そして実用化へと導き、2014

型GaNパワー半導体に置き換える場合、国内全消費電力に対体に求められる高品質な“きれいな”結晶を作るのは容易なこ

年のノーベル物理学賞受賞に輝きました。

とではありません。その技術開発が今進められています。

高品質なGaN種結晶を基板として成長した厚い膜（2 mm）「半導体」とは、金属のように電気を流す「導体」と電気を全く

これまでは、サファイア(Al₂O₃)などの異種基板上に数μm流さない「絶縁体」の中間的な性質を持つ物質のことです。小さA slight difference in growth conditions produces a variety of crystals in shape.

青色発光ダイオード（青色LED）
Blue light emitting diode (blue LED)GaNに関する研究は、青色・白色LEDに代表される可視発光素

子分野のほか、最近では、よりエネルギーの大きい光を発生させることで、殺菌や物の加工に有用な紫外線LEDやレーザーの開発も活発に行われています。

A "semiconduc tor" is a substance that has intermediate properties between a "conduc tor" that conduc ts
electricity like metal and an "insulator" that does not conduct electricity. It is an indispensable item for optics,
high frequency communications, and power control because it can perform various optical and elec tronic
functions with a small chip.
In addition to the field of optical applications represented by blue and white LEDs, by emitting light with higher
energy, research on GaN has recently been actively developing ultraviolet LEDs and lasers diodes that are usefulfor sterilization and processing of objects.

ら、10000分の1以下に抑えなければなりません。特に重要な質結晶ができるようになれば、パワー半導体の性能とコストのは、「キラー欠陥」の特定と排除です。その起源と性質を突きを大幅に改善し、未来社会の実現に向け開発を加速させるこ

止められれば、より効果的にGaNパワー半導体の高品質化ととができます。
一方で、髪の毛の1/100〜1/1000ほどの細さである、ナノ

Dr. AKASAKI Isamu and Dr. AMANO Hiroshi succeeded in development of high-quality GaN crystals on sapphire
substrate for the first time in the world at Nagoya University (1985). Using this GaN crystal as a a substrate, in
1989, they realized the blue light emitting diodes (blue LEDs), which led to its practical application, and won the2014 Nobel Prize in Physics.

する必要があります。例えば、LED向けGaN結晶と比較するな作ることが出来るようになりました。より厚くて大きな高品

スケールの（小さな）結晶を作る技術も研究されています。この技術が応用できれば、例えば、マイクロLEDディスプレイの

100万個

1億個

100 million defects＜1万個

1 million defects

欠陥

GaN
バッファ層

Defects< 10 thousand defects

GaN

GaN

GaN基板
（既存）

GaN基板
（高品質）

Buffer layer

サファイア基板

GaN substrate (existing)

Sapphire substrate

LED、
横型高周波デバイス用

GaN基板の断面図

レーザーダイオード用
For laser diodes

GaN substrate (high quality)

縦型パワーデバイス用
For vertical power devices

Cross-sectional schematic of GaN substrate

GaNの用途により、
1 cm2 あたりの欠陥（貫通転位）
密度の許容範囲が異なります。

Different GaN applications have different tolerances for defect (threading dislocation) density per
cm 2.

ワー半導体においては、その結晶中の転位密度を十分に小さく向上により、そのおよそ1000倍である数mmの厚みの結晶を

ける、
光、
通信、
パワー制御の必須アイテムとなっています。

Defect density per cm 2

For LED / horizontal high frequency devices

一方で、GaN結晶には数種類の「転位（原子数個分(数nm)のズレ）」と呼ばれる欠陥が存在しますが、大きな電力を扱うパほどの薄いGaN層しか作れませんでした。しかし近年、技術のなチップで、様々な電気的機能を発揮できるため、現代社会におして約10%もの損失低減効果があると言われています。

Thick film (2 mm) grown on a high-quality GaN seed crystal as a substrate
わずかな条件の違いによって、様々な形状となります。

1cm2 あたりの欠陥密度

高信頼性を達成できます。
GaNの成長炉

Crystal growth reactor for GaN

GaNは、
1050℃に加熱したウエハ上に、
Ga原料（Ga(CH₃)₃やGaCl）とアンモニア（NH₃）のガスを供給することで、きれいな結晶が成長します。
In order to make high-quality GaN crystals, the gases of Ga raw materials, such as Ga (CH 3) 3 or GaCl, and ammonia (NH 3)>ÀiÃÕ««i`>Ü>viÀ i>Ìi`Ì£äxäƟ°転位・欠陥があるかを調べるため、結晶表面を水酸化カリウム

ことができるのです。

発光部分は、デバイスの電流が漏れている部分＝欠陥がある部
分として、その場所で欠陥の種類を調べることで、キラー欠陥を特定することができます。

EMS image to confirm the leakage current at defects
The light emitting spots indicate the current-leakage where thedefec ts exist, which is useful to specif y the killer defec ts byexamining their types.

S. Usami, et al., “Correlation between dislocations and leakage current of p-n diodes on a free-standing GaN substrate.” Appl. Phys.
Lett. 112, 182106 (2018)

研究室では、電流が流れないオフ（逆バイアス）状態のパワー
半導体をエミッション顕微鏡で観察し、欠陥部分での“漏れ電流”による発光を確認しています。この発光部分にどのようなような、次世代の超高精細ディスプレイ等の開発につなげる

欠陥部分での“漏れ電流”を確認（エミッション顕微鏡写真）(KOH)融液で溶かすと、転位を起点としたエッチピットが形

エッチピット後のGaN結晶表面（電子顕微鏡写真）
結晶の表面をKOHなどで溶かすと形成されるエッチピット
転位の種類によって大きさや形状が異なります。

SEM image of GaN crystal surface after the defectevaluation method (etch-pit method)
The size and shape of etch-pits, formed using molten KOH, on the
crystal surface differ depending on the origin of dislocation types.

成され、位置と大まかな種類が特定できるようになります。さGaN is a material that does not exist in nature. By mixing the raw material gases of Ga and N on a substrate crystal at a highÌi«iÀ>ÌÕÀiv£äääƟÀ } iÀ]VÀiÃÃ>`ÌÀ>Ã«>ÀiÌ] >À`>`ÃÌ>LiVÀÞÃÌ>ÃV>LivÀi`°ÜiÛiÀ]ÌÃÌi>ÃÞÌ
grow high quality crystals that are related to the quality of applications: the technological development is currently underway.
"Þ>viÜïvÌ > >ÞiÀ >`LiivÀi`>Ã>«« Ài­č 2O 3) or foreign substrate. Recently, as the improvement oftechnology, the crystals with a thickness of several millimeters, which is about 1000 times more, have been produced. This will
significantly improve the performance and cost of power semiconductors and accelerate the realization of a future society.
On the other hand, research for making nanoscale (small) crystals, which are about 1/100 to 1/1000 the size of hair, has also
been progressed. If this is achieved, it will lead to the development of next-generation super high-performance displays, suchas micro LED displays.

らに、透過型電子顕微鏡（STEM）や3次元アトムプローブ（3DAP）などを用いて、詳細な解析を行っています。
A power device is an electronic device used for power transmission from the power energy generated at power plants to thepower for light and devices in homes. Replacing conventional silicon semiconductors to GaN power devices is expected to haveapproximately 10% of electric energy-loss reduction for the total domestic consumption.
On the other hand, GaN crystals have several types of defects called "dislocations (misalignment of several atoms [a few nm insize])": in power semiconductors that handle large amounts of electric power, the density of dislocations in the crystal should besignificantly reduced. For example, compared to GaN crystals for LEDs, it must be less concentration than 1/10000. Of particularimportance is the identification and elimination of "killer defects." If the origin and properties are revealed, the quality andreliability of GaN power devices will be achieved more effectively.
In the laboratory, the power semiconductors in the off (reverse biased) state where no current flows have been observed bymeans of emission microscopy, to check the light emission due to the "leakage current" occurred at defec ts. In order toinvestigate what kind of dislocations/defects are present in the light emitting parts, etch-pit method using molten potassiumhydroxide (KOH) can specify the position and dislocation types. In addition, detailed analysis for the specified defec ts is
performed using a transmission electron microscope (STEM) and a three-dimensional atom probe (3DAP).

鉛筆型のGaN微結晶（電子顕微鏡写真）

GaNウエハの上に、微細な穴が並ぶマスクを被せ、穴の部分だけにGaN結晶を成長させると、鉛筆型のGaN微結晶が整然と並びます。これら一つ一つをLEDにすれば、超小型・高密度LED
アレイが作製できます。

SEM image of pencil-shaped GaN microcrystals

GaN結晶でできたナノワイヤー（電子顕微鏡写真）
TEM image of nanowires made of GaN crystals

金属を触媒にして、GaN結晶がニョキニョキ育ちます（~数10 μm）。
> VÀÞÃÌ>Ã}ÀÜi>vÌiÀ>Ì iÀiL>LÃ ÌÃ]ÕÃ}iÌ>>Ã>V>Ì>ÞÃÌ­ÃiÛiÀ>ÌiÃvïi}Ì ®°GaN デバイスが実現する未来社会の概念図
Future society realized by GaN devices.

GaNは、5G、ポスト5Gの高速モバイル通信に欠かせない材料のみならず、パワー半導体としてSiを置き換えることにより、省エネルギー、脱炭素さらにはエネルギーのインターネット化(IoE)による新しい社会のスタイル(Society5.0)を実現する為のキーマテリアルとしても期待されています。

GaN is not only an indispensable material for high-speed mobile communication (i.e., 5G and post 5G), but also expected as a key material tobuild a new social style (i.e., Society 5) with energy saving, decarbonization, and further, the internet of energy (IoE) as a replacement of Si
semiconductor devices.

本研究は文部科学省「省エネルギー社会の実現に資する次世代半導体研究開発」事業JPJ005357の助成を受けたものです。
This work was supported by MEXT “Research and development of next-generation semiconductor to realize energy-saving society” Program Grant Number JPJ005357.

共同研究者

本田 善央 HONDA Yoshio

田中 敦之 TANAKA Atsushi

出来 真斗 DEKI Manato

久志本 真希 KUSHIMOTO Maki

天野 浩 AMANO Hiroshi

On the GaN wafer covered with a mask in which aligned fine holes, pencil-shaped GaN microcrystals
grow on the holes and line up in an orderly manner. If each of these is made into an LED, anultra-compact high-density LED array can be manufactured.

K>RLFGHåÄÅ_çéèêÄÅOQRSTUC-VQRSDLUJIHARA Toru, Professor/ ISHIKAWA Kohei, Researcher.

宇治原徹教授・石川晃平研究員

SiCの結晶成長方法

次世代パワー半導体「炭化ケイ素 (SiC)」“Silicon carbide,” a next-generation power semiconductor

AI 技術を利用：溶液成長法の実用化に向けて

Utilizing AI technology: Toward the practical application of the solution growth method

Crystal growth methods of SiC

金属のように電気をよく通すものを「導体」、電気をほとんど通さないものを「絶縁体」とSiCは、常圧で融点を持たず、高温で昇華分解します。そのSiC溶液成長法の実用化に向け、研究室レベルの実験を産業

言いますが、「半導体」は導体と絶縁体の中間的な性質を持つ物質のことを言います。例を挙ため、SiC結晶は、その原料粉末をおよそ2400℃の高温で昇レベルに展開するためには、結晶成長に必要となる炉や部材

げると、パソコンなどの「0」と「1」のデジタルデータは、半導体が電気を通したり、通さな

華させ、低温部のSiCの種結晶上に結晶化させる手法(昇華も大型化（大口径化）する必要があります。しかし、実験のコス

かったりする性質を利用しています。

法)によって生産されています。一方で、この種結晶中の結晶トが大きく上昇するほか、結晶成長における実験パラメー

構造に乱れ（欠陥）があると、SiCの品質に影響してしまう、

ターは、その膨大な組み合わせを検討しなければなりません。

このように半導体は私たちの身の回りで不可欠な材料ですが、中でも、炭化ケイ素（SiC）という難しさがあります。
最新の研究では、SiCの溶液成長法の大口径化に向け、よりは、次世代パワー半導体として注目を集めています。現在主流のシリコン（Si）半導体と比較するなら、SiC半導体は高温・高電圧下でも有効のため、例えば、電気自動車などに用いられる直流交流変換装置(インバータ) への利用が期待されています。さらに、SiCインバータをそこで、より欠陥が少ない高品質なSiCを得るため、溶液成長法(溶液法)の研究が進められています。

実験を組み立て、SiCの結晶成長における実験パラメーターをAIが予測し、数値シミュレーションによる実験を繰り返し行

利用するなら、Siインバータと比較して70%の電力損失低減が可能であるため、省エネ効果

溶液法は、ケイ素(融点1414℃)の融液に炭素を溶解させにもつながるのです。

た後、低温にすることで、SiCとして析出する方法です。昇華
A substance that conducts electricity well, such as metal, is called a conductor, while a substance that
conducts almost no electricity is called an insulator. A semiconductor is a substance that has intermediate
properties between a conduc tor and an insulator. For example, "0" and "1" digital data expressed incomputers use the semiconductor’s property of conducting or not-conducting electricity.

法と比べて低温で行えるのみならず、これまでにも、高品質

Silicon carbide (SiC), among semiconductors, is now expected as a next-generation power semiconductor. For
instance, compared to the current mainstream silicon (Si) semiconductors, SiC semiconductors are effective evenat high temperature or high voltage: the demand for DC/AC converters (inverters) used in electric vehicles isincreasing. Furthermore, SiC inverters can reduce power loss by 70% compared to Si inverters, expected to savethe energy.

SiC does not have a melting point at ordinary pressure and sublimatesand decomposes at high temperature. Therefore, SiC crystals are
仮画像
usually produced by a sublimation method in which the raw material«Ü`iÀÃÃÕL>Ìi`>Ì> } Ìi«iÀ>ÌÕÀiv>LÕÌÓ{ä äƟ>`
crystallized on the SiC seed crystals under low temperature. On theother hand, if there is a disorder (defect) in the crystal structure in theseed crystal, it affects the quality of SiC applications.

名古屋大学
未来材料・システム研究所

産業用モーター
Industrial motor

風力発電

データセンター

ビジネス機器Data center

Wind-power generation

鉄道
火力・原子力・水力
Thermal power, Nuclear power,
Hydraulic power

発電

Power generation

変換

Power conversion

変換

変換

Power conversion

Business devices

Railway

変換Power conversion

Power conversion

消費Power consumption

スイッチング電源

Switched-mode power supply

ハイブリッドカー Hybrid car
電気自動車 Electric car

現状課題
Current issue

太陽光発電
Solar power generation

変換時に電力が約5〜10%損失
Approximately 5-10% of power loss in the transmission

燃料電池

貯蔵

大規模サーバ
Large-scale server

Power storage

Fuel cell

無停電電源

Uninterruptible power supply

リチウム電池 Lithium battery

います。
高周波加熱型SiC結晶成長炉(小型)High frequency induction heating furnace for SiC solution growth (small type)

これまでに、AIはシミュレーションの結果を驚くほどに正確に予測したほか、数値シミュレーションには平均3800秒

なSiC結晶を得ることに成功しています。

In order to obtain highly pure SiC crystals with fewer defects, researchon the solution grow th method has been underway. In the solution
method, carbon is dissolved in the silicon melt (the melting point of SiÃ£{£{Ɵ®>`Ì iÌÃVi`ÌÜÌi«iÀ>ÌÕÀiÌ«ÀiV«Ì>Ìi>Ã
SiC. Unlike the sublimation method, high-quality SiC crystals havesuccessfully been obtained even performed at lower temperature.

Toward the innovation and introduction of next-generation power converters (inverters) using SiC power semiconductors(およそ1時間)ほどかかるのに対し、機械学習による予測時間

種結晶保持部材

昇華は平均で0.0003秒であり、非常に高速に炉内の温度・流速分

結晶

布を予測することができました。

原料
黒鉛るつぼ

コイル

黒鉛部材
断熱材

昇華法

溶液法

solution growth method

sublimation method

約3 inch (約76 ㎜)

約6 inch (約152 ㎜)

溶液法で作成した、高品質なSiC結晶の画像
Images of high-quality SiC crystals grown in solution

In order to develop laboratory-level experiments toward the practicalapplications of the SiC solution growth method at the industrial-level, it isnecessary to increase the size of diameter of the furnaces and to makelarger components for the cr ystal grow th. However, the cost of theexperiments increase dynamically, and the experimental parameters forthe crystal growth must be considered in a number of the combinations.
The latest research uses ar tificial intelligence (AI) to conduc t more
efficient experiments for the SiC solution growth method with the sizel a rg e r i n d ia m e te r. T h e ex p e ri m e n t s by n u m e ri c a l s i m u l a ti o n a rerepea tedly per formed: a vir tual experiment is assembled, then AI
predicts the experimental parameters in the crystal growth of SiC.

白い部分は炉から結晶を引き上げた時に成長結晶中に残留したSi溶媒が固化したもので、その下には同じくSiC結晶が存在します。

The high-quality SiC crystal lies even beneath the silver-color droplets which are the residual Si solvent.

SiCパワー半導体による次世代の電力変換器（インバータ）の革新と導入に向けて

高周波加熱型SiC結晶成長炉(大型)High frequency induction heating furnace for SiC solution growth (large type).

効率的な実験を行うため、人工知能(AI) を用いています。仮想

So fa r, AI ha s p re dic te d su rp risingly a cc u ra te simula tio n resul t s.
Fur thermore, while numerical simulations took an average of 380 0
seconds (about 1 hour) for calculation, machine learning resulted within
0.0003 seconds on average, leading to the prediction of the temperatureand flow velocity distribution in the furnace at extremely high speed.

AIを用いた仮想実験の様子

A scene of virtual experiment with AI

Tsunooka, Yosuke, et al. "High-speed prediction of computational fluid dynamics simulation in crystal growth."
CrystEngComm 20.41 (2018): 6546-6550.)

K>MLë~íìîÄÅ_ïñóêÄÅOQRSTUC-VQRSDLきんぞく さくたい

“Metal organic framework,” the transformative crystal structure

MOFの研究：光反応による酸素の分離

MOFの研究：ガスの貯蔵と分離

MOF function in research: Separation of oxygen by photoreaction

MOF function in research: Gas storage and separation

水の中には酸素が溶けています。水中の酸素は魚がアセチレンガスの貯蔵
Mn2+

原料などに使われています。一方、アセチレンガスは、空気や酸

Zr4
Co

金属イオン
Metal ions

2

素の混入がなくても、圧力をはじめ、発火エネルギーが加わる

有機配位子と爆発してしまうため、貯蔵や運搬の際は、規則を守り、細心のOrganic ligands

Fe 2+

Cu 2+
Zn

Metal ions

H-C C-Hている酸素はボイラーの配管を錆びさせるなど私たち

アセチレン分子溶けている酸素を直接見ることはできませんし、それの生活に害をもたらすこともあります。しかし、水中にAcetylene moleculeを取り除くことはさらに困難です。そのため、水中から注意を払って行う必要があります。

金属イオン
2+

生きていくために非常に重要です。一方で、水中に溶けアセチレンガスは、溶接用バーナーの燃料やプラスチックの

Cr 3+
O
!

約 1nm

MOF の構造（概略図） Schematic image of MOF structure

MOF（モフ）は、金属イオンと有機配位子が規則正しく配列することによってできる結晶で、機能性材料として注目を集めています。
特徴は、その結晶構造にあります。
１．金属イオンと有機配位子の骨格構造が、均一なナノサイズの細孔（ナノ空間）を形成します。
この空間で、ねらった分子などの貯蔵やふるい分け（分離）、
またイオン交換などが可能です。

名古屋大学大学院工学研究科
応用物質科学専攻 固体化学講座

２．他の多孔性材料（ゼオライトなど）と異なり、配位結合という結合様式により結晶構造の骨格が柔らかいため、結晶を取り巻く環境の変化に応じて、穴のサイズを変えることができます。
３．求める機能に合わせて、
金属イオンと有機配位子の組み合わせから、構造や性質を自由にデザインすることが可能です。これまでに80,000種類以上のMOFが報告されています。

酸素を取り除くための技術が開発されていますが、有害な物質を使っていたり、使いまわすことができな

このような背景のもと、アセチレンガスを安全に貯蔵するこ

かったり、課題が多く残されています。

とができるMOFが開発されました。
MOFを使うことで、アセチ
レンガスを大気の400倍の圧力に相当する密度にすることがこうした課題を解決すべく、光を当てるだけで、水のできます。

中に溶けている酸素のみを選択的に吸着する新しい

Acetylene storage
Acetylene gas is used as fuel for welding burners and as a raw material forplastics. On the other hand, acetylene explodes when pressure or other ignition

アセチレンを取り込んだMOF

素や二酸化炭素などの気体を吸着することもありませ

R. Matsuda, et al. “Highly controlled acetylene accommodation in a metal–organic
microporous material.” Nature, 436, 238-241 (2005).

ん。気体の分離には、通常、膨大なエネルギーが必要で

MOF incorporating acetylene

Time-course of oxygen concentration in water under light irradiation

酸素
Oxygen

光
Light

熱
Heat

すが、MOFを使うことで、省エネにも貢献できるとしenergy is applied (e.g., by storing or transporting it) even if it is not mixed with airor oxygen.

て、
産業界などから注目されています。

For this proble m, a MOF, w hic h c a n sa fely s tore a ce t yle n e ga s, ha s b e e n

MOFが酸素を吸着および放出する時の構造変化

Structural change of MOF framework in adsorbing or desorbing oxygen
R. Matsuda, et al., “Trapping and Releasing of Oxygen in Liquid by Metal-organic Framework with Light and
Heat." Small (2020), in press.

developed. By using the MOF, it is possible to make acetylene gas a density
equivalent to 400 times of the atmospheric pressure.

一酸化炭素のみを選択的分離

Oxygen dissolved in water is necessar y for fish to
sur vive, while it can cause some problems, such as
ru s ting m e ta l s. O n e of th e di f f ic ul ties is tha t th e
oxygen dissolved in water cannot directly be observedor ra ther removed. Although some technology toremove oxygen from water has been developed, there
are many problems remained, like harmful substancesused or impossibility of reuse.

Selective separation of carbon monoxide only

一酸化炭素は、樹脂などの化学製品を作るために使われています。それには、高い純度の一酸化炭素が必要ですが、一酸化炭
素と窒素ガスは混入してしまうと、互いの分子の大きさがほぼ

Carbon monoxide is an important material required toobtain chemical products, such as resins. High-purity

carbon monoxide is required for its utilization; however,if carbon monoxide and nitrogen gas are mixed in, it isdif ficult to separate these gases because theirmolecular sizes are very similar.

To d e a l w i t h t h i s p r o b l e m , k a g o m é - M O F w a s

1. The framework struc ture of metal ions and organic ligands forms uniform nano -sized pores (i.e.,
nano-spaces).
In this space, i t is pos sible to s tore targe ted molec ules, also to be used for molec ular- sieving(separation) or ion-exchange.

Time [min]MOFを加えた水に光を照射した時の酸素濃度の時間変化

MOFが開発されました。空気中で、酸素と共存する窒同じため、これらガスを分離することは難しいとされています。
Metal-Organic Frameworks (MOFs) are crystals composed of an infinite network of metal ions and organic
ligands. The main feature of MOFs is due to its crystal structure:

Concentration of oxygen dissolved in water [ppm]

MATSUDA Ryotaro, Professor/ KUSAKA Shinpei, Assistant Professor

松田亮太郎教授・日下心平助教

たこうせい

結晶構造が変化する！？
「多孔性金属錯体（MOF）」

これに対し、一酸化炭素と窒素の電気的性質の違いに着目しdeveloped focusing on the dif ference in elec tric alて、kagomé-MOFが開発されました。一酸化炭素の電気化学的

The electrochemical power of carbon monoxide opens

な力があれば、孔への通り道である弁が開かれ、一酸化炭素のみを選択的に取り込むことができます。

2. Unlike other porous materials, such as zeolites, the frameworks of MOF crystals are soft or flexible dueto the coordination bond, which makes the pore-sizes change depending on the environment surrounding
the crystals.

一酸化炭素

Carbon Monoxide

3. The struc tures and properties are freely designed from the combination of metal ions and organic
ligands fordesired function. So far, more than 80,000 types of MOFs have been reported.

properties between carbon monoxide and nitrogen.

“valves” that are the path to the pores, allowing only
carbon monoxide to be selectively accommodated.

窒素 Nitrogen
を持たない

開いた弁

閉じた弁

Open channel

Closed channel

穴の形

Pore structure

kagomé-MOF
R. Matsuda, et al., “Self-Accelerating CO Sorption in a Soft Nanoporous Crystal.” Science, 343, 167-170 (2014).

MOFに一酸化炭素が取り込まれていく様子

Process of CO Insertion into kagomé-MOF

ガス分子を捕捉するMOFのイメージ図

Conceptual image of MOF trapping gas molecules

To solve this problem, a new MOF has been developed
so that it selec tively adsorbs only oxygen in water
simply by exposing it to light. It does not adsorb gases
such as nitrogen and carbon dioxide that co-exist withoxygen in the air. Gas separation usually requires ah u g e a m o u n t o f e n e r g y, b u t t h e u s e o f M O F i s
attracting attention from industry and others as it cancontribute to energy saving.

K>+LòéÉôÄÅ_ögõúÄÅOQRSTUC-VQRSDLSEGAWA Yasutomo, Ph.D. /SAKAMOTO Hirotoshi, Ph.D.

︵現 分: 子科学研究所准教授︶︵現 特: 任講師︶

瀬川泰知 グループリーダー・坂本裕俊 グループリーダー

立体構造がカギを握る「有機化合物」“Organic molecules” and their three-dimensional structures「分子ナノカーボン」の設計、合成、構造決定

分子ナノカーボンが集まって、新しい機能をもつ材料にSynthesis of "molecular nanocarbons" by design and structural analysis

有機化合物には、原油、食物、木材、皮革など、生物を由来とする天然有機化合物と、プラグラフェンやカーボンナノチューブなど、ナノメートルサ

スチック、医薬品、塗料など、人工的に作り出した人工有機化合物があります。どの有機分

イズの周期性をもつ炭素物質を「ナノカーボン」と呼びます。

子もその立体的分子構造に独特な機能が備わっています。

熱や電気を通しやすく、軽量かつ高強度の次世代材料としてNew materials made from molecular nanocarbon assembly

カーボンナノリングの“あな”でつながる
ナノカーボン Nanocarbons

リング状の分子ナノカーボンの"あな"を利用することで、様々な現象を起こすことができます。例えば、この“あな”にヨウ素を取り込み、電圧をかけ続期待されている物質です。
例えば、医薬・農薬・香料などの生理活性物質には、
右手と左手のように、鏡に映した時のフラーレン Fullerene

カーボンナノチューブ Carbon nanotube

カーボンナノトーラス Carbon nanotorus!

分子ナノカーボン Molecular nanocarbons

自身の鏡像を重ね合わせることができない性質（キラリティ）が存在します。
こうした立体ナノカーボンは、その分子構造により電子的・機械的性質に大的な構造の違いは、香りや味、薬効や毒性・副作用として生物に影響を与えるのです。

きな違いがあるため、望みの性質をもつ構造を狙い、精密に合成する必要があります。そのため、ナノカーボンの部分構造としたがって、有機分子を望み通りに設計し合成する際には、結晶として精製し、X線結晶なる分子（分子ナノカーボン）に着目し、複雑な幾何学構造（ト

構造解析によってその立体構造を明らかにしていきます。有機分子の立体構造が分かれポロジー）をもつ「トポロジカル分子ナノカーボン」を生み出ば、「なぜこのような性質をもつのか」という疑問の解決につながり、また「次はもっとこうすべく、研究が進められています。

このリングとヨウ素の複合体は、電気刺激により、電気伝導性をもつよう
コラニュレン Corannulene

シクロパラフェニレン Cycloparaphenylene

オールベンゼンノット All-benzene trefoil knot

代表的なナノカーボンとそれらの部分構造である分子ナノカーボン
Typical nanocarbons and their partial structures, molecular nanocarbons

ボールの色： 赤色＝酸素（O） 灰色＝炭素（C） 白色＝水素（H）
Colored balls：

Red＝Oxygen（O）(-)-メントール（左手型）ハッカ香味(-)-Menthol (Left-handed) Mint flavor

Gray＝Carbon（C）

White＝Hydrogen（H）(+)-メントール（右手型）不快臭(+)-Menthol (Right-handed) Unpleasant odor

メントールの立体構造とそれらの香味の違い
Differences in the three-dimensional structures of menthol and their flavors

For bioac tive subs tances, for example, somepharmaceuticals, agricultural chemicals, and fragrances
are known to have the proper ty (chirality) that theycannot superimpose their own mirror image in the same
ma n n e r of th e rig h t ha nd a nd th e l e f t ha nd. T h ese
differences in three-dimensional structures affect livingorganisms, appearing as aroma or flavor, and medicinal
properties or toxicity/side effects.

名古屋大学 ERATO
伊丹分子
ナノカーボンプロジェクト 2014-2019

Therefore, when artificially designing and synthesizingorganic molecules as expec ted, researchers obtain
crystals and identify their three-dimensional structures
by X-ray crystal structure analysis. If thethree-dimensional structure of an organic molecule isrevealed, it will lead to the answer of the question: "whydoes it have such properties?" Then, a new research will
begin to synthesize a molecule with desired properties!

ヨウ素の複合体（イメージ図）
Conceptual image of the carbon nanoring-iodine complex
that emits white light when stimulated by electricity

注目を集めています。

Various phenomena can be happened, for example, by using the empty space of ring-shaped
molecular nanocarbons. If iodines are taken into the holes and a voltage is continuously applied,
the iodine inside will form a wire structure.

状の分子ナノカーボンの合成、単離、そして、X線結晶構造解It was found that the ring-iodine complex became electrically conductive by electrical stimulation
and at the same time emitted white light. Such a stimulus response function is attracting industrial
attention as unprecedented phenomena due to the integrated structure of molecular nanocarbons.

析を用いた構造決定に成功しています。さらに、3次元的に入り組んだ構造として、結び目（ノット）や絡み目（カテナン）を析により、その構造が明らかとなりました。

電気刺激を受けて白色発光する、カーボンナノリングとConnecting the holes of ring-shaped molecular nanocarbons

これまでに、カーボンナノチューブの部分構造分子である筒もつ分子ナノカーボンを合成し、単離、そしてX線結晶構造解になり、同時に白色発光することが分かりました。分子ナノカーボンの集積構造により、これまでにない刺激応答による機能発現が見出されたとしていう性質をもつ分子をつくろう」という新たな研究がスタートできるのです。

Organic compounds include natural ones derived fromliving organisms, such as crude oil, food, wood, andl e a th e r, a n d a r ti f i c ia ll y c re a te d o n e s li ke p la s ti c s,
pharmaceuticals, and paints. Every organic molecule has
unique functions due to its three-dimensional molecular
structure.

けると、中のヨウ素がつながったワイヤー状の物質を形成します。

カーボンナノリングとヨウ素の複合体の結晶構造
Crystal structure of carbon nanoring-iodine complex

N. Ozaki, et al. “Electrically Activated Conductivity and White Light Emission of a Hydrocarbon Nanoring–Iodine Assembly.”
Angew. Chem. Int. Ed., 56, 11196-11202 (2017)「アームチェア型」の分子ナノカーボン
Armchair carbon nanobelt

分子の凹凸で二重らせんが組み上がる
C a rb o n su b s t a n c e s w i th na n o m e te r- size d p e rio d ic i t y, su c h a sgraphene and carbon nanotubes, are called nanocarbons. They are
expected as next generation materials as they easily conduct heat andelectricity with light-weight and high-strength characteristics.

Si = ケイ素原子 Silicon

オールベンゼンカテナン All-benzene catenane

オールベンゼンノット All-benzene catenane

Since nanocarbons have large dif ferences in elec tronic andmechanical proper ties depending on the molecular struc ture, it isnecessar y to synthesize a par ticular one with desired proper ties.
Therefore, the synthesis of “molecular nanoc arbons,” the par tial
structures of nanocarbons, are the key to progress research. Further, tohandle multiple struc tural aspec ts, the generation of "topologicalm o l e c u la r na n o c a rb o n s" ha s b e e n a c hi eve d fo r th e s y n th e sis o f
long-sought nanocarbons.
So far, researchers have succeeded in synthesizing and isolating
tubular molecular nanocarbons, which are partial structural molecules ofcarbon nanotubes, and determining the structure using X-ray crystal
struc ture analysis. Furthermore, they synthesized and revealed thethree-dimensionally intricate structures of molecular nanocarbons withknots and links (catenane) by means of X-ray crystallography.

炭素のシートを積み重ねるといろいろな機能が発現しますが、大きく曲がった炭素シート（湾曲分子ナノカーボン）同士を積み重ねることは難しいとされていました。

透過型電子顕微鏡で観測したナノファイバー
TEM image of the carbon nanofibers obtained

オールベンゼンカテナンとオールベンゼンノットの合成戦略
ケイ素原子(Si)が仮留め部位となる。
Siは、フッ素と反応させることで除去できる。

Strategy for the synthesis of all-benzene catenane and the trefoil knot.
The silicon atom (Si) serves as the temporary fastening site. Si can be removed by reacting with fluoride in ethanol.

Y. Segawa, et al. “Topological molecular nanocarbons: All-benzene catenane and trefoil knot.” Science, 365, 272-276 (2019)

湾曲ナノグラフェンが集積した二重らせん
ナノファイバー（イメージ図）
Conceptual image of a double-helix nanofiber
assembled by curved nanographenes.

そこで、凹凸がお互いにキレイに組み上がるような湾曲分子ナノカーボンを設計し合成したところ、分子同士が自発的に積み重なりナノワイヤーを形成しました。ナノワイヤーはとても細いためX線測定では構造が分かりませんでしたが、電子回折結晶構造解析という新しい手法によって、隙間な
く組み上がった美しい二重らせん構造であることが明らかになりました。
凹凸で分子を整列させるブロック遊びのような方法は、繰り返し利用可
能な導電ワイヤーなど様々な分野での応用が期待されています。

湾曲ナノグラフェンが集積した二重らせんナノファイバーの構造
Side and top views of the structure of double-helix nanofiber assembled by curved nanographenes

K. Kato, et al. “Double-helix supramolecular nanofibers assembled from negatively curved nanographenes.”
J. Am. Chem. Soc.,DOI: 10.1021/jacs.1c00863 (2021)

Stacking curved molecular nanocarbons into double-helix nanofibers
While stacking carbon sheets produces various functions, it was considered difficult if the sheets
were curved (i.e., curved molecular nanocarbons).
To cope with this problem, a new curved molecular nanocarbon, in which the convex/concave pairof molecules align with each other to assemble, was designed and synthesized, resulting in forming
nanowires via piling up the molecules spontaneously. Since nanowires are too thin to analyze thestruc ture by means of X-ray measurement, a new method called elec tron diffrac tion crystal
structure analysis revealed that the nanowire forms a perfect double-helix structure without gaps.
By using the method that align the convex/concave pair of molecules like building blocks, functions
may vary, for example, reusable conductive wires are expected for application use.

K>NLùû4Oü†[°¢£=¢§bô§•=¶m_^
CßPt®vr[01©™´C¨D^xyDL

K>SLùû4Oü†[≠h<£=ÆØb°¢§<¢£=m_^
CßPt®vr[01©™´C¨D^xyDL