広報活動

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2017年4月26日

理化学研究所

アルミニウムのナノ構造体で「色」を作る

-半永久的に失われず塗料より軽い「メタマテリアル・カラー」-

開発したメタマテリアルで作製した理研のロゴマークと電子顕微鏡像の写真

図 開発したメタマテリアルで作製した理研のロゴマーク
左:元画像,中央:メタマテリアルで作製したロゴ,右:電子顕微鏡像

私たちの世界は無限の色に溢れています。ヒトの目に見える可視光(波長400~800nm)の色は、波長の短い方から順に紫・藍・青・緑・黄・橙・赤というように分かれています。虹の七色ですね。太陽光にはこれら全ての色が含まれており、白色光と呼ばれます。白色光が物質に当たると、その物質に特有の波長の光が吸収され、吸収されずに反射・透過された波長の光の色が私たちの目には見えることになります。つまり、私たちが多様な色を見ることができるのは、吸収される光の波長が異なるさまざまな物質が身の回りにあるからです。

一方、物体に色をつけるには絵の具・インク・ペンキなどを使います。しかし、これらの塗装材料は強い光・高温・酸化などの影響を受けて、徐々に退色してしまいます。半永久的に色を保つ方法はないでしょうか?その解決策の一つが「メタマテリアル」という物質です。メタには「超越する」という意味があります。その名の通り、メタマテリアルは、自然界の常識を超えて光を自由自在に操ることができる人工物質で、光の波長よりも小さなナノメートルサイズの構造(ナノ構造)を大量に集積することで作製されます。このナノ構造の大きさや形を変えることで、吸収される光の波長を制御することができ、一つの物質からさまざまな色を作り出すことができます。これまでも、同様のメタマテリアルの研究はありましたが、いくつかの理由で任意の色を自在に作るところまでは至っていませんでした。

今回、理研の研究チームはスピンコーティング法、電子ビームリソグラフィー法、真空蒸着法などを駆使して、シリコン基板上の薄いレジスト材料の上に厚さ45nmのアルミニウム薄膜を塗布し、座布団形状のナノ構造を大量に作製する微細加工技術を確立しました。その結果、①青と緑の理研のロゴマークの再現(図参照)、②四角形の1辺の長さと四角形同士の間隔の組み合わせを変えることで、可視光全域の色をカバーするカラーチャートの作製、③異なる色を出すナノ構造を混在させることで黒色の発色に成功しました。

本成果の「メタマテリアル・カラー」はアルミニウムの酸化被膜のおかげで半永久的に退色せず、インクよりもはるかに軽いため、高解像度ディスプレイとしての利用、光の散乱を避けたい光学機器(例えば大型望遠鏡)の内壁の黒色塗装などに応用できると期待できます。

理化学研究所
主任研究員研究室 田中メタマテリアル研究室
主任研究員 田中 拓男 (たなか たくお)
(光量子工学研究領域 フォトン操作機能研究チーム チームリーダー)
国際特別研究員 レニルクマール・ムダチャディ(Renilkumar Mudachathi)