ナノメートル（ナノは１０億分の１）サイズの車を金基板の上で組み立て、走らせ、測るレースが存在する。フランス・トゥールーズの仏国立科学研究センター（ＣＮＲＳ）で３月末に開れた国際レース「ナノカーレースⅡ」だ。６カ国・８チームが参戦し、物資・材料研究機構が同率優勝を果たした。レースには科学の未踏域を開拓する意義がある。一つの分子を操作して特性を調べたり、基板と分子の相互作用を使いこなす技術を育てる場になっている。

ナノカーレースⅡには日本からは物材機構と奈良先端科学技術大学院大学が参加した。同レースは金基板上に車を模した分子を置き、走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）の探針で車分子を操り走らせる。結果は１０５４ナノメートルを走った物材機構と６７８ナノメートルを走ったスペインとスウェーデンの合同チームが同率優勝した。

車分子を走らせるには二つの原理がある。一つ目はＳＴＭ探針と金基板の間を流れるトンネル電流で車分子を励起し分子の振動を利用する。二つ目は、分子の極性を利用しＳＴＭ探針が作る電界で反発したり引き寄せたりする。この二つの効果が混ざって車分子の移動がおきる。物材機構の場合は電界をかけると探針に引き寄せられて数ナノメートル滑る。

よく滑るように分子の形を設計した。車分子は中央にポルフィリンの環状構造をもち、この前後にベンゼン環が三つ並んだアントラセンをもつ。後部に一つ、前部に二つつなげて剛直な平面構造を作製した。この炭素の並び方が金の格子とずれるため、車分子が金基板に吸着せず超潤滑現象が起こる。

この分子は有機合成では直接作れない。そこで川井茂樹グループリーダーは「金基板上で反応させて組み立てた」と振り返る。ＳＴＭ探針で刺激して脱水素環化反応を起こす。アントラセンとポルフィリンやアントラセンとアントラセンの隙間をつないで１枚の平面分子を製作した。

基板上では溶液中では起きない化学反応を起こせる。ＳＴＭで分子構造を測り、狙った箇所を励起して化学反応を起こす。グラフェンなど炭素材料を組み立てられる。

レースでは２ナノメートル強の車分子を１０５４ナノメートル走らせて優勝した。分子を基板上で並べて組み立て計測する。これら基本技術が高いレベルにあったことが好成績につながった。

こうした技術は科学の最先端だ。川井リーダーは「表面合成の研究論文が急激に増えている」と説明する。分子からハロゲン原子を引き抜いたり、脱水素環化を起こしたりと反応開発が進む。触媒性能や力学特性を１分子レベルで測ることも可能だ。レースチームの監督役を務めた中山知信グローバル中核部門部門長は「人工細胞膜などでは、１分子の変化が全体のシステムを変える。この起点を解き明かせるだろう」と期待する。分子を並べて重ねてから変形させるなど、多数の分子が相互作用する様子を捉えられると期待される。レースの先にはフロンティアが広がっている。