量子ドットが瞬かなくなる方法

Problem Of Quantum Dot 'Blinking' Solved
http://www.sciencedaily.com/releases/2008/01/080123173149.htm

  Quantum dots--tiny, intense, tunable sources of colorful light--are
illuminating new opportunities in biomedical research, cryptography
and other fields. But these semiconductor nanocrystals also have a
secret problem, a kind of nervous tic. They mysteriously tend to
"blink" on and off like Christmas tree lights, which can reduce their
usefulness.
	:
  By bathing the dots in a watery solution of an antioxidant chemical
used as a food additive, the JILA team increased photon emission rate
four- to fivefold, a "shocking" result because the rate at which light
radiates is generally considered an immutable property of the dot,
JILA/NIST Fellow David Nesbitt says. The JILA scientists dramatically
reduced the average time delay between excitation of a quantum dot and
resulting photon emission from 21 nanoseconds to 4 nanoseconds while
reducing the probability of blinking up to 100 fold. Nesbitt calls
blinking the "hidden dirty secret" of quantum dots. 
	:
  The quantum dots used in the JILA experiments were made of
cadmium-selenide cores just 4 nanometers wide coated with zinc
sulfide. When a dot is excited by a brief laser pulse, one electron is
separated from the "hole" it normally occupies. A few nanoseconds
later, the electron typically falls back into the hole, sometimes
producing a single photon--always in a color that depends on dot size,
greenish-yellow in this case. But every so often the electron fails to
make it back to its hole and instead is ejected to imperfections on
the dot's surface. The chemical added at JILA apparently attaches to
these imperfections, blocking the electron from being trapped and
thereby preventing the dot from blinking off.

バイオ研究や暗号学などへの応用が期待されている量子ドット
(蛍光を発する小さな粒子)にはまたたく(クリスマスツリーのライトのように
光ったり光らなかったりする)という問題があります。
でもそれをある種の溶液に浸すと光らない度合いが減るというお話。

量子ドットを食品添加物として使われている酸化防止剤の水溶液に浸すと
光励起から光の放出までの時間(蛍光寿命)が21ナノ秒から4ナノ秒に
短くなるそうです(普通はこの時間は不変)。
それでまたたきが100分の1になるそうです。

量子ドットの材質はセレン化カドミウムの直径4ナノメートルのコア(芯)に
硫化亜鉛をコートしたものです。
短い時間幅のレーザー光でこの量子ドットを励起すると電子がホール(正電荷)
から離れます。数ナノ秒後に電子はホールと再結合し、そのときに1個の光子
を放出することが多いです。このときの光の色は量子ドットの大きさで決まる
一定の色です。しかし一定の割合で電子はホールとの再結合しないで量子ドットの
表面の欠陥にトラップされてしまいます。そうすると量子ドットは光らなく
なります。先述の溶液に浸すとその表面欠陥に溶液中の化学物質が吸着して、
電子が表面欠陥にトラップされることを防いで、その結果光らなくなることが
減ります。

化学的な効果でまたたきを抑えたんですね。

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カーボンナノチューブを塗って電気材料に

【nano tech】「カーボン・ナノチューブは塗料の一種です」，島津製作所，
ドイツ研究所，NECが応用例を出展
http://techon.nikkeibp.co.jp/article/NEWS/20080214/147463/?ST=nano

次世代透明電極になるか
	:
　島津製作所などは具体的には，単層CNT（SWNT）や複層CNT（MWNT）といった
さまざまな種類のCNTをそれぞれ溶液に混ぜ，それを透明な樹脂のシートに塗っ
て，その透明度と電気抵抗率を調べた(図1）。 
　しかし現時点では芳しい結果は出ていないようだ。透明度については97〜98
％といった非常に高い値が得られているが，電気抵抗率がまだおよそ107Ω/□
と電極として使える値よりも約3ケタも大きいのである。

発熱体として利用
　ドイツFraunhofer Technology Development Group TEGは，CNTを発熱体とし
て利用する実演を披露している。CNTなどから成る塗料を，紙や金属箔，そし
て透明な樹脂のシート上に塗り，そこに電気を流して発熱する様子を見せてい
る(図2）。紙や金属箔は黒いが，透明シートは透明性を保ったまま発熱してい
た。さらに，この発熱シートを小型のスターリング・エンジンの下部に張り付
け，そのエネルギーでプロペラを回している。発熱の出力は1.5W/cm2が可能と
している。
　想定する用途は「椅子のシートや床の暖房，浴室の鏡の曇り防止など」
（Fraunhofer Technology Development Group）であるという。 

塗れる半導体として「印刷エレクトロニクス」に
　NECは，CNTを塗布工程で作製する半導体材料として利用した，試作品を出展
した（第一報）(図3）。同社は既に2007年春に塗布型のCNT製半導体で移動度
100cm2/Vsを達成したことを明らかにしている。

塗るというプロセスだと大量に簡単に作成できるので良いですね。
この方法だと透明性が高いということですが、

光を99.9％吸収する「極めて暗黒な素材」
http://wiredvision.jp/news/200801/2008011722.html

同じカーボンナノチューブを用いてもこちらは配列の違い
(カーボンナノチューブが縦に密集している)で黒くなるんですね。

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DNA の電気伝導性を測る

Wiring Up DNA
Measuring the conductivity of DNA could provide a way to detect mutations.
http://www.technologyreview.com/Nanotech/20205/

  By wiring up DNA between two carbon nanotubes, researchers have
measured the molecule's ability to conduct electricity. Introducing
just a single letter change can drastically alter the DNA's
resistance, the researchers found, a phenomenon that they plan to
exploit with a device that can rapidly screen DNA for disease-linked
mutations.
	:
  But in the new study, Colin Nuckolls, a professor of chemistry at
Columbia University, in New York, teamed up with Jacqueline Barton, a
professor of chemistry at Caltech, in Pasadena, CA, who's an expert in
DNA charge transport.
	:
  The researchers used an etching process to slice a gap in a carbon
nanotube; they created a carboxylic acid group on the nanotube at each
end of the gap. They then reacted these groups with DNA strands whose
ends had been tagged with amine groups, creating tough chemical amide
links that bond together the nanotubes and DNA. The amide linkages are
robust enough to withstand enormous electrical fields.
  The team estimated that DNA strands of around 15 base pairs (around
6 nanometers) in length had a resistance roughly equivalent to that of
a similar-sized piece of graphite. This is a finding that the
researchers might have expected since the chemical base pairs that
constitute DNA create a stack of aromatic rings similar to those in
graphite.
  Barton and Nuckolls performed two tricks with their wired-up
DNA. For their first, they introduced a restriction enzyme that bound
and cut the DNA at a specific sequence. When severed, the current
running through the DNA vanished. "It's a way of biochemically blowing
a fuse," Nuckolls says. It also demonstratesthat the DNA keeps its
native structure in the circuit; if it had not, the enzyme would not
recognize and cut the molecule. 

DNA を二つのカーボンナノチューブの間につないで DNA の電気伝導性を
測るというお話。1つの塩基の違いだけで抵抗ががらっと変わります
(1つのミスマッチで抵抗が300倍に増える)。これを使って病気につながる DNA
の変異を見分ける装置を作ろうとしています。

電極との間のつなぎかたが重要で、ナノチューブを切って切れ目に
カルボン酸基をつけ、端にアミノ基をつけた DNA と反応させたそうです。
共有結合なので丈夫なんですね。

6nmの DNA 鎖が同程度の大きさのグラファイトと抵抗がだいたい同じだそうです。
たしかに芳香族分子がスタックしてるからそうなんでしょうか。

特定の配列で DNA を切る酵素を使うことによって、DNA が自然のままの構造
をしていることが示せるし、生化学的なヒューズとしても使えるとのこと。

DNA が自然のままの構造ということは水中での測定でしょうか?
DNA は水和している水の数によって電気伝導性が違うと聞いたことがあるし。
あと DNA って中にもたくさんアミノ基があるけどそれは水素結合しているから
カーボンナノチューブとはくっつかないのかな。
DNA につなぐ方と反対側のカーボンナノチューブはどうやって回路の他の
部分とつないでいるのかな?

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セルフクリーニングする繊維

Nanotechnology-based self-cleaning fabrics
http://blogs.zdnet.com/emergingtech/?p=832

A recent American Chemical Society’s Weekly PressPac briefly
describes how Australian researchers have used nanotechnology to
develop ’self-cleaning’ wool and silk fabrics (scroll to article #4
in the PressPac). The researchers ‘prepared wool fabrics with and
without a nanoparticle coating composed of anatase titanium dioxide, a
substance that is known to destroy stains, dirt, and harmful
microorganisms upon exposure to sunlight.’ In one of their
experiments, they poured red wine upon pristine and
nanotechnology-coated wool. After 20 hours, their coated fabric ’
showed almost no signs of the red stain, whereas the untreated fabric
remained deeply stained.’
	:
“The coating, which is non-toxic, can be permanently bonded to the
fibre and does not alter its texture and feel, they note, so a silk
tie would still feel silky. The tricky part of the research was
finding a way to bind the keratin to the titanium dioxide, says Daoud.
	:
For more information, this research has been published online by
Chemistry of Materials, an American Chemical Society publications
under the title “Self-Cleaning Keratins” on January 23, 2008.
	:
“In this contribution, self-cleaning keratin fibers have been
realized following a bottom-up nanotechnology approach in which
anatase nanocrystals of titanium dioxide are formulated and carefully
applied to the fibers via a near room temperature sol?gel process in
order to maintain their intrinsic properties while conferring
self-cleaning properties and self-protection against UV
degradation. This may enable wider utilization of these natural
fibers.”

毛や絹の繊維に酸化チタンのナノ粒子(光触媒: 光をあてると汚れや細菌を
分解するので有名)をコーティングした繊維を作ったとのことです。
赤ワインをこぼして20時間後にはしみがほとんど目立たなくなっています。
このコーティングは無毒で繊維からはずれず、風合いも変えないとのことです。

記事にも書かれていますが、光触媒は有機物を分解するから、
繊維自身がどうやって分解されないようになっているんだろう。
繊維を何かでコートしてさらにその上に酸化チタンナノ粒子を
つけているのかな?

もう洗濯機は必要なし？ 自己洗浄機能を持つ繊維が開発
http://www.technobahn.com/news/2008/200802261139.html

日本語の解説はこちらです。

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電子の「動画」を撮影

スウェーデンの研究グループ、「電子」の動画映像の撮影に世界で初めて成功
http://www.technobahn.com/news/2008/200802231903.html

  スウェーデンのルンド大学（Lund University）の研究グループが「電子
（Electron）」の動画映像の撮影に世界で初めて成功していたことが22日、学
術専門誌「Physical Review Letters」に掲載された論文により明らかとなっ
た。
　電子を映像に撮影する試みは過去にも実施され成功していたが、電子の周囲
には非常に高い電荷がかかっており動画として電子の動きを撮影することはこ
れまでは不可能だと考えられてきたこともあり、今回のルンド大学の研究グルー
プの成果は大きな注目を集めている。
　今回撮影に成功したこの画像は原子核の周囲を回る電子の動きを150アト秒
（1アト秒＝10^-18秒＝1/1000000000000000000秒）間に渡って撮影したものの
視覚化可能な範囲でスローモーションとして再現したもの。
　ルンド大学の研究グループではこういった形で実際の電子の動きを視覚化す
ることにより原子物理学の研究が飛躍的に向上することを期待している。

より詳しい解説は以下にあります。

Electron Stroboscope
http://focus.aps.org/story/v21/st7

  Now a team led by Anne L’Huillier and Johan Mauritsson of Lund
University in Sweden has combined this laser technique with precisely
timed trains of ultrashort light pulses to cleanly image electron
motion. The pulses in the train were just three hundred attoseconds
(10-18 seconds) long. The researchers synchronized the pulse train
with the oscillations of a relatively weak infrared laser, so that
their cloud of helium atoms received a strong, ionizing "kick" at a
precise time during each laser cycle. Each attosecond pulse released a
few electrons, some of which were thrown back against their atoms
before being pushed sideways and detected. 
  Accumulating data from many ionization events, the team created
clean images of the quantum state of electrons ionized at a single
moment in the laser oscillation cycle. The images are the first of
their kind that show such controlled electron-atom scattering. The
team calls their system a stroboscope, after another device that uses
periodic flashes of light to capture a still image of a hummingbird's
wings, for example. 
  Each experiment generated a "bullseye" pattern showing the locations
in which electrons struck the detector plate. To demonstrate that each
image represented precisely one moment during the laser cycle--rather
than a range of ionization times--the team shifted the timing of the
attosecond pulses with respect to the laser field cycle. If electrons
were ionized at a time when the laser field gave them an extra boost
upward, the pattern shifted upward; if the ionizing pulse came a
half-cycle later, the bullseye shifted downward. This pattern shifting
wouldn't have been possible with longer-lasting ionization periods.
  The next step will be further controlling and studying electron-atom
interaction in more detail, says team member Kenneth Schafer of
Louisiana State University in Baton Rouge. He also hopes researchers
will use electrons scattered off their atoms to observe the unsettled
state of atoms immediately after ionization. 

弱い光をあててヘリウム原子の電子を揺らして、そこにタイミングを合わせて
300アト秒の時間幅のパルス光をあてています。そうするとパルス光のあたって
いる間だけ電子が外に飛び出してくるのでその飛び出た電子を観測します。(注1)
パルス光のタイミングが、弱い方の光の電場(光は電場が振動している)が
電子に上向きの力を与えているときだったら画像は上の方にシフトするし、
半サイクル後なら下の方にシフトします。そうやって撮った画像を
パラパラ漫画のように連続再生しています。(注2)

この手法で原子がイオン化された直後の不安定な状態も観測できるそうです。

300アト秒というと3x10^-16秒(3/10000000000000000秒)です。
最近はそんな短いレーザーパルス光も作れるんですね。それを使うと
化学反応よりもっと速い現象をとらえられてすごいですね。

(注1)
この方法でものすごく速い現象を「止めて」見ることができます。
それはストロボ写真でハチドリのはばたきを見るのと似ています。
肉眼でははばたきが速すぎてハチドリの翼はどこにあるんだか
わからない状態で見えるけれど、ストロボ写真である瞬間だけ
撮影すれば翼は止まって見えるので。

(注2)
動画というと1個の電子の動きをずっと追いつづけるような感じがしますが、
この実験は少し違います。普通の動画では同じ対象物を何秒かおきに撮って
いますが、この実験では「動画」の一瞬一瞬ごとに別の電子が写っています。
1回のパルス光で発生させた電子で1枚の画像を撮り、また次の回のパルス光で
発生させた電子で次の1枚の画像を撮り、、、という感じ。

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1個の原子を動かすのに必要な力の大きさ

IBM、「原子1個の移動に必要な力」の測定に成功
http://www.itmedia.co.jp/news/articles/0802/23/news008.html

  移動に必要な力は、その原子が置かれた表面の材質に大きく左右されるため、
この測定技術は原子スケールの半導体設計などに役立つとしている。
　米IBMは2月21日、個々の原子の移動に必要な力の測定に初めて成功したと発
表した。独レーゲンスブルク大学との共同研究によるもので、この測定技術が
ナノテクノロジーのほか、半導体やストレージが将来原子スケールにまで微小
化した際に役立つと期待している。
　同じ原子でも、移動に必要な力は、その原子が置かれた表面の材質によって
大きく変わるという。コバルト原子の場合、滑らかなプラチナの表面上で原子
を動かすには210ピコニュートンの力が必要だが、銅の表面では17ピコニュー
トンの力で動かすことができる。
　通常の建築などと同様、ナノテクノロジーの世界でも、しっかりとした構造
体を作るには「粘性の高い」原子を活用し、動かしたい部分には、化学的な結
合力の弱い原子を活用することになる。このため、特定の物質の表面上で、あ
る原子を動かすために必要な力を測定することは、微小な構造体の設計や構築
を行う際の鍵となるという。
　この研究では、原子の移動に必要な力の強さや向きの測定に、原子間力顕微
鏡（AFM）を使用した。研究を説明した動画は、YouTubeに掲載されている。

プラチナの表面に比べて銅の表面ではコバルト原子を動かすのに必要な力は
10分の1以下なんですね。複数個の原子が集まった集合体を動かすときに
必要な力も単純な和にはならなそうで面白そうです。

原子間力顕微鏡
http://ja.wikipedia.org/wiki/%E5%8E%9F%E5%AD%90%E9%96%93%E5%8A%9B%E9%A1%95%E5%BE%AE%E9%8F%A1

原子間力顕微鏡の解説はこちらです。

切れてもつながるゴム

切れても、つながる不思議なゴム　仏研究所が開発
http://www.asahi.com/science/update/0221/TKY200802210061.html

　ゴムのような弾性を持つうえ、切ったりちぎったりしても手でしばらく押し
つけるだけでほぼ元通りに戻り、強くひっぱってもちぎれなくなる不思議な新
素材を、仏国立科学研究センター（ＣＮＲＳ）のグループが開発した。ありふ
れた安価な化合物から合成でき、「自己修復」は何度も繰り返せるという。２
１日付の英科学誌ネイチャーに発表した。
　ふつうのゴムは高分子化合物でできているが、この新素材は数種類の低分子
化合物が水素結合という緩やかな結合で複雑につながりあった「超分子」とい
うタイプの物質。破断しても、結合相手がいなくなった水素結合の片割れがし
ばらく表面に残り、自己修復を可能にしているらしい。 
　室温では破断から１２時間以上たっても自己修復できた。約１５分間押しつ
ければ２倍の長さまで伸ばせるようになり、圧着時間を長くするほど破断前の
性能に近づいた。 
　原料は脂肪酸と尿素。すでに２００グラム単位で生産でき、シート状やひも
状など様々な形に加工できる。仏化学企業が製品化に動いているという。 
　傷口がひとりでに治るような自己修復機能は、新素材開発の一大テーマだ。
相田卓三・東京大教授（超分子化学）は「修復剤を入れた微小カプセルを素材
に埋め込むなどの手法はすでにあるが、熱も圧力も化学反応も使わずに繰り返
し自己修復できる素材はなかった。科学的にも実用的にも面白い」といってい
る。

切れてから12時間もたったら表面はかなり汚れそうですが、
それでもつくってすごいですね。
水素結合でつくということですが、表面に水とかついても
大丈夫なのでしょうか。