タンパク質やアミノ酸などの生体分子は光学異性体であり、キラリティー（物体の鏡像が元の物体と重ね合わせられない性質） を有しています。不思議なことに自然界に存在する生体分子のキラリティーは偏っており、片方の光学異性体しか存在しません。 この現象は「ホモキラリティー」と呼ばれ、未だ解き明かされていない生命科学の謎の１つです。 この謎の解明を目指して、我々は、ナノスケールにおけるキラル構造と光学活性の評価に取り組んでいます。 もしも、単一キラル分子の電子構造と光学活性を直接観察することが出来れば、キラリティー発生の起源に迫ることが出来ると考えています。 現在我々は以下の２つの測定手法を用いて本研究に取り組んでいます。

1. STM誘起発光分析(STM-LE)

走査トンネル顕微鏡におけるトンネル電流によって誘起された原子・分子から放出される発光を分析します。 通常の光学測定では観測不可能なナノスケール領域からの発光現象を捉えることが可能です。

2. 探針増強ラマン分光分析(STM-TERS)

ラマン分光法はレーザー照射により分子に特徴的な振動スペクトルを検出する方法です。 このラマン散乱は、金属ナノ構造体に光を照射した際に発生する局在表面プラズモンによって散乱強度が著しく増大します。 探針増強ラマン分光法は、STMによる形状分析と、金属探針による局所的に増強したラマン分光分析を組み合わせた手法であり、 ナノスケールでのより豊富な物理化学的情報を同時に取得することができます。

数GeVのエネルギーを持つ電子や陽電子を加速すると、広範囲の波長を持ち高強度かつ指向性の高い「シンクロトロン放射（SR）」が接線方向に放出されます。 このSRを探索ツールとして、原子レベルで様々な材料の物性・機能評価が可能となります。 私たちのグループでは大型放射光施設SPring-8を利用し、内核電子励起による表面の電子状態密度の変化を、 走査型トンネル顕微鏡(STM)を用いて実空間かつ原子スケールで観察できる実験手法を開発しました。 これまで、Ge/Si(111), Co/Au(111), Cu/Ge(111)表面におけるナノスケール元素識別に成功しており、 現在はその元素コントラスト発生原理の追求や、X線照射に伴う表面原子移動の観察を行っています。 さらに、実験室系の微小・高輝度X線源を開発・評価し、様々な計測を行っています。

生物のもつ優れた機能を人工的に模倣・再現する、バイオミメティクス（生体模倣技術）という研究分野に注目が集まっています。 中でも、コガネムシや孔雀、モルフォ蝶などに代表される「構造色」発現は、微細なナノ構造と光の相互作用で生じ、 色素による発色とは異なる鮮やかな色彩を放ちます。南米に生息するモルフォ蝶（図 (a)）は美しい青色を持つことで知られ、 この発色は「秩序」と「乱雑さ」の精巧な組み合わせにより、干渉色ながら視野角に依存しない（どこから見ても青い）、一見矛盾した性質を示します。 我々の研究グループは、この「秩序」と「乱雑さ」を併せ持つナノ構造を人工的に再現し、発色原理を実証してきました（図 (b)）。 この人工発色体は、広視野角で鮮やかな青色を呈し、色素不要のため環境負荷が少なく色褪せもないため、装飾品や化粧品、 ディスプレイといった視覚に訴える各種産業への応用が期待されています。最近ではシミュレーションによる「乱雑さ」の光学研究や、 大面積・高速作製技術の開発など本発色の実用に向けた研究（図 (c)）に加え、新たな応用や別の生物を模倣する技術の開拓に取り組んでいます。