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» 2014年12月03日 10時00分 公開

5分で分かる最新キーワード解説:世界初の技術で透明マントにも手が届くか、「3次元メタマテリアル」とは? (1/3)

立体的なナノ構造で光の屈折率を変えることで透明マント実現に近づく「3次元メタマテリアル」技術が登場した。詳細に解説する。

[土肥正弘,ドキュメント工房]

 今回のテーマは原材料の物性ではなく、立体的なナノ構造=カタチで光の屈折率を変える「3次元メタマテリアル」だ。背後や前方からの光を迂回(うかい)させるマントを作れば、まるで映画『プレデター』の怪物がまとった光学迷彩のような「透明マント」が出来上がるかもしれない。光通信を高速化する可能性も秘めた、自然界にはない「疑似物質」が、現実の世界に誕生した。

「3次元メタマテリアル」とは?

 メタは「超越」、マテリアルは「物質」を意味する言葉で、「メタマテリアル」といえば人工的に作り出した、いわば「超物質」、あるいは「疑似物質」といった意味になる。つまり、自然界の物質にはない性質を備えた人工の「物質のようなもの」だ。

 自然界の元素や化合物はそれぞれ固有の性質を持ち、その性質を変えるならば化学的組成を変える必要があるが、メタマテリアル研究は、新しい化合物を作成するのではなく、原材料の物性はそのままに、超微細な形状パターン、つまりカタチによって性質を変化させようとする。

 最先端の研究成果の1つが、2014年10月、理化学研究所 田中メタマテリアル研究室の田中拓男准主任研究員らの国際共同研究チームが世界に先駆けて作製に成功した、立体的な形状を持つ「3次元メタマテリアル」(図1)だ。これは、自然界にはあり得ない、真空を進む光の屈折率(1.0)よりも低い屈折率(0.35)を持つ新しい人工物質だ。

 これまで2次元のパターン形成によって同様の特徴を持つメタマテリアルは作られていたものの、ある特定方向からの光に対してのみ作用するものでしかなかった。同研究チームは、光の波長よりも小さい3次元素子を一定のパターンでたくさん並べ、どの方向からの光に対しても同じように作用する(等方性を持つ)メタマテリアルの作製に成功した。

真空の屈折率よりも低い屈折率を示す3次元メタマテリアル 図1 真空の屈折率よりも低い屈折率を示す3次元メタマテリアル。(右)微細構造の集合パターン(左)拡大写真(出典:理化学研究所田中メタマテリアル研究室)

光の屈折率をカタチでコントロールすれば「透明マント」が実現?

 このような微細なカタチを作り込むことで、何が実現できるのだろうか。そもそもメタマテリアル研究が一般に注目される1つの契機になったのは、2006年に英国のジョン・ペンドリー教授らが発表した論文だ。

 そこには「光の進行方向を思うままにコントロールできる『覆い』で物体をくるめば、その物体は見えなくなる」ことが示されていた。その覆いとして想定されたのがメタマテリアルだった。

 論文はマスコミにも大きく取り上げられセンセーションをもたらした。何しろ、ドラえもんの「透明マント」や昔話の「てんぐの隠れみの」が現実のものになるかもしれないのだ。SFやアニメファンの心が踊らないはずがない。マンガ「攻殻機動隊」読者なら「やっと光学迷彩ができるのか」とワクワクしたことだろう。

 実際、軍事に応用すれば、迎撃困難な「見えない戦隊」ができるはず。軍事機関のDARPA(米国防高等研究計画局)もこれに触発されてか、2007年に、マントの内側からは相手が見えるが外側からはマントとその内部が見えない「非対称マテリアル」を開発すると大風呂敷を広げた。

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