ナノシステム解析学研究室

バックグラウンド

トライボロジーの世界

 まずは,トライボロジー(Tribology)とは何かということから始めたい.その専門用語としての定義は,経済開発協力機構(OECD)によれば,「トライボロジーとは相対運動下で相互作用を及ぼしあう表面およびそれに関連する諸問題と実地応用の科学技術である」(Tribology is the science and technology of interacting surfaces in relative motion and of related subjects and practices)となっている.もっと狭く具体的に言うと摩擦や摩耗・潤滑についての科学技術である.
 我々は日常生活においても摩擦・摩耗・潤滑に深く関わっている.例えば,摩擦がないと車は走れないし,人が歩くこともできない.タイヤや靴は使っているうちに擦り減って(摩耗して)くる.摩擦や摩耗は時に人にとって都合よく働き,時に悪さをする.この悪さをする部分を何とかして改善しようというのが潤滑である.
 摩擦を減らし,動きをよくする方法は紀元前にすでに考案されていた.例えば古代エジプトでは,大きな石や像を引きずって運ぶのに何か液体を使用している(図1).これは,いわゆる潤滑油である.現代では身近なものとして自動車に使用するエンジンオイルなどがある(自動車はトライボ ロジーの宝庫である).また,アッシリア人は,動かしたいものと地面の間に丸い棒(丸太?)を入れ,この棒を転がすことによって摩擦を減らした(図2).これは物体と物体の間に転がり要素を入れて動きやすくするもので,現代では転がり軸受などに使用されている(図3).
 このようにトライボロジーは古くから考えられ,取り入れられてはいるもののこれを体系的・学問的に 研究するとなると一筋縄ではいかない.相対運動する物体が何でできているのかという材料の問題,その運動が滑りなのか転がりなのかという運動形態の問題,物体の形が平面か球か棒かという幾何学的な形状の問題,どんな潤滑剤がどう働くのかという問題などなど問題が散在しているのである.加えて有名な物理学者Wolfgang Pauliが「神が物体を作り,悪魔が表面を作った」 (God made solids, but surfaces were made by the Devil.)と言ったほどの”表面”を扱うのであるから これはもう相手に不足はない,という感じである.この難解な現象を相手にトライボロジスト (トライボロジーの研究者)は数学,物理学,化学,材料学,弾塑性学,流体力学,分子動力学,果ては医学,生物学等を駆使して日夜研究に励んでいるのである.トライボロジストの分野も理学・工学を問わず多分野から構成されている.このように,トライボロジーはあらゆる分野にまたがる広大な学際的学問であり,トライボロジストの活躍するフィールドもまた広大な領域となっている.

エジプト石像の運搬画像

図1 石像の運搬(紀元前約1880年,エジプト)
潤滑剤を利用した滑り摩擦の低減
ソリの先端に何かの液体を注いでいる人がいる.

アッシリア石像の運搬画像

図2 石像の運搬(紀元前約700年,アッシリア)
丸太による転がり摩擦の利用
ソリの下に丸太を入れることによって摩擦を減らしている.

転がり軸受の画像

図3 転がり軸受の写真(NSKホームページより)
転がり要素を取り入れることによって摩擦を減らしている.



ナノテクノロジー

 普段なにげなく目にする物理現象は,もとを正せば原子や分子の動きに起因している.さまざまな原子や分子の相互作用を解明し,それを制御・応用することによって社会に役立つものを作ろうとするのがナノテクノロジーである.
 例えば図4のように,原子1個1個を操作し,大容量の記憶装置を実現するアイデアが提案されている.このためには,欠陥のない材料を生成する技術,原子を操作するための針(プローブ)を加工する技術,このプローブを狙った原子の位置に精確に合わせる技術,原子間の微小な力や電流などを計測・制御する技術などなど,ナノの世界を取り扱う多くのハイテクを駆使する必要がある.
 また,人間の体の中に入り込み,病気の箇所を的確に治す微小機械も考案されている(図5).これは映画にもなっており,「ミクロの決死圏」(R. フライシャー監督,スティーブン・ボイド,アーサー・ケネディ,1966)や「インナースペース」(S. スピルバーグ監督,デニス・クエイド,メグ・ライアン,1987)などが有名である.発想自体は古いものであるが,このようなSF映画の中で夢見た世界がナノテクノロジーによって現実のものになろうとしているのである.ただし,技術的な課題は山積みされており,そこが研究者を駆り立てる.
 このような微小な機械(マイクロマシン)にも,図5に示すように,腕の関節など動く部分がたくさんある.このような部分では当然のごとく摩擦が問題になるのである.ここがうまくいかないと,何の機能も果たさない小さいだけの模型になってしまう.つまり,ナノテクノロジーの恩恵を受けるには,微小な領域での摩擦や摩耗,潤滑,言い換えればトライボロジーが必要不可欠となる.このような小さな領域,あるいは原子・分子の領域を扱うトライボロジーを,マイクロトライボロジーあるいはナノトライボロジーと呼んでいる.これらは,摩擦や摩耗,潤滑の根源を解明しようとする学問であり,上に述べたような夢を実現するための技術でもある.


原子操作の画像

図4 原子操作のイメージ(「Newton 2001.1号」より)  

 原子1個1個操作して、データを読み書きするメモリの想像イラスト。原子1個を1ビットとして利用することができれば、莫大な量のデータを非常に小さなチップに保存する事ができるようになる.

免疫機械の画像

図5 免疫機械 (日経サイエンス1996年6月号より)  

 ナノ科学者の未来像の中では、免疫機械が血液中を巡回し、ウイルスを破壊する事ができる。この遊泳ロボットは、タンパク質分子よりも小さいギアを持っている。ギアの原子は上の図の黄色ボールに相当する。一方、現在の研究者は、上図の写真のように、原子を使って「原子」と描くことができるようになっている。