化学合成（ナノテクノロジー）

Process in molecular nanotechnology

分子ナノテクノロジーにおいて、化学合成とは、ランダムな熱運動によって反応が起こるあらゆる化学合成を指し、現代の合成化学のほぼすべてを包含する分野です。したがって、人間が生み出した化学工学のプロセスは、上記の自然現象の生体模倣として表現され、複雑な分子を構築する非光合成鎖のクラス全体が化学合成と呼ばれます。

化学合成は、分子の位置的組み立てを含む、様々な研究分野に応用できます。これは、分子構成要素を用いて特定の種類の化学合成を行うために、分子を特定の位置で組み立てるものです。この場合、結合量の少ない分子構成要素を用いることで、合成は最も効率的に行われます。また、分子が受ける外部応力が最小限に抑えられ、分子の内部エネルギーが低くなるため、歪みのない分子も好ましいとされています。合成には、加法合成と減法合成の2つの主要な種類があります。加法合成では、構造は何も無い状態から始まり、必要な構造が形成されるまで徐々に分子構成要素が追加されます。減法合成では、大きな分子から始めて、必要な構造が完成するまで構成要素を一つずつ取り除きます。^[1]

この形態の工学は、個々の分子を機械的に操作して人間の仕様に合わせて反応を制御するという仮説上のプロセスであるメカノシンセシスと対比される。光合成やその他の自然プロセスでは、 RNAに含まれる仕様に合わせて極めて複雑な分子が作られ、 DNAの形で長期保存される。そのため、分子工学の支持者は、人工プロセスでも同様に、細胞内のものと似た長期保存、短期保存、酵素のような複製メカニズムの連鎖を利用して、最終的にタンパク質である必要のない複雑な分子を生成できると主張する。例えば、シート状ダイヤモンドやカーボンナノチューブは、生物学の基本モデルを用いて設計された非生物学的反応の連鎖によって生成できる可能性がある。

化学合成という用語の使用は、複雑なタンパク質や軟体動物や甲殻類の鉱物殻などを作成するためのいくつかの代替手段が自然に進化しており、それらすべてが光合成とクロロフィルを介した太陽からの食物連鎖に依存しているわけではないことを指摘することで、これが実現可能であるという見解を強化しています。^[2]魚が食べられるタンパク質など、非常に特殊なものであっても、複雑な分子を作成するためのそのような経路が複数存在するため、人類がまったく新しいものを設計できる可能性は（これらの支持者によって）長期的にはほぼ確実であり、1世代以内には可能であると考えられています。^[2]

最新のアプリケーション

ナノスケール化学合成法はいくつか開発されており、その一般的な変種の一つに化学浴堆積法（CBD）がある。このプロセスは、様々な材料の薄膜層の大規模合成を可能にし、特に硫化鉛（PbS）膜を効率的に生成することでオプトエレクトロニクス用薄膜の製造に有用である。CBD法によるこれらの薄膜合成は、コスト効率と精度の両方を兼ね備えたアセンブリを可能にし、ナノ材料の粒子の種類とサイズ、そして光学特性は周囲の浴の特性によって決定される。そのため、このナノスケール化学合成法は、これらの特性が求められる場合にしばしば用いられ、特性を調整できるため、硫化鉛だけでなく幅広いナノ材料に用いることができる。^[3]

前述のように、化学浴堆積法を使用すると、低コストで大量のナノフィルム層の合成が可能になり、これは硫化カドミウムの大量生産に重要である。化学堆積法によるCdSの合成はコストが低いため、CdSナノ粒子は半導体増感太陽電池に応用されており、CdSナノ粒子で処理すると、バンドギャップエネルギーが減少して半導体材料の性能が向上する。^[4]特に化学堆積法を使用すると、CdSの微結晶配向がより有利になるが、このプロセスにはかなり時間がかかる。2010年のSA Vanalakarによる研究では、厚さ139 nmの硫化カドミウムナノ粒子膜の製造に成功したが、これは適用された膜に300分間堆積させた後のことであった。^[4]膜の堆積時間が長くなると、膜厚が増加するだけでなく、得られる膜のバンドギャップが減少することがわかった。^[4]

参考文献

^ Merkle, Ralph (2000). 「分子ナノテクノロジーのための分子構成要素と開発戦略」.ナノテクノロジー. 11 (2): 89– 99. doi :10.1088/0957-4484/11/2/309. S2CID 250914545.
^ ab Jannasch, HW; Mottl, MJ (1985-08-23). 「深海熱水噴出孔の地球微生物学」. Science . 229 (4715): 717– 725. Bibcode :1985Sci...229..717J. doi :10.1126/science.229.4715.717. ISSN 0036-8075. PMID 17841485. S2CID 24859537.
^ Pawar, SB; Shaikh, JS; Devan, RS; Ma, YR; Haranath, D.; Bhosale, PN; Patil, PS (2011). 「光学特性を調整可能なナノ構造PBSの簡便かつ低コストな化学合成」.応用表面科学. 258 (5): 1869– 1875. Bibcode :2011ApSS..258.1869P. doi :10.1016/j.apsusc.2011.10.069.
^ abc Vanalakar, SA「化学合成ナノ構造CdS薄膜における量子サイズ効果」ナノマテリアルおよびバイオストラクチャーダイジェストジャーナル。

[1] Merkle, Ralph (2000). 「分子ナノテクノロジーのための分子構成要素と開発戦略」.ナノテクノロジー. 11 (2): 89– 99. doi :10.1088/0957-4484/11/2/309. S2CID 250914545.

[:1-2] Jannasch, HW; Mottl, MJ (1985-08-23). 「深海熱水噴出孔の地球微生物学」. Science . 229 (4715): 717– 725. Bibcode :1985Sci...229..717J. doi :10.1126/science.229.4715.717. ISSN 0036-8075. PMID 17841485. S2CID 24859537.

[3] Pawar, SB; Shaikh, JS; Devan, RS; Ma, YR; Haranath, D.; Bhosale, PN; Patil, PS (2011). 「光学特性を調整可能なナノ構造PBSの簡便かつ低コストな化学合成」.応用表面科学. 258 (5): 1869– 1875. Bibcode :2011ApSS..258.1869P. doi :10.1016/j.apsusc.2011.10.069.

[:0-4] Vanalakar, SA「化学合成ナノ構造CdS薄膜における量子サイズ効果」ナノマテリアルおよびバイオストラクチャーダイジェストジャーナル。