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2011 年度 実績報告書

新機能マルチ走査プローブによる神経細胞網および類似人工無機構造の並列信号伝達解析

研究課題

研究課題/領域番号 22241030
研究機関独立行政法人物質・材料研究機構

研究代表者

中山 知信  独立行政法人物質・材料研究機構, 国際ナノアーキテクトニクス研究拠点, 主任研究者 (30354343)

研究分担者 新ヶ谷 義隆  独立行政法人物質・材料研究機構, ナノ機能集積ユニット, MANA研究者 (40354344)
徐 建勲  独立行政法人物質・材料研究機構, 国際ナノアーキテクトニクス研究拠点, MANAリサーチアソシエイト (40534798)
久保 理  独立行政法人物質・材料研究機構, ナノ機能集積ユニット, MANA研究者 (70370301)
キーワード多探針走査プローブ顕微鏡 / 神経細胞計測技術 / 神経細胞模倣人工無機構造 / 単分子識別検出ナノプローブ / 増強ラマン散乱分光 / カーボンナノホーン凝集体 / チューニングフォークセンサー / イオン伝導計測
研究概要

本研究では、我々が保有する多探針走査プローブ顕微鏡技術と高機能ナノプローブ技術を駆使して神経細胞網の刺激と応答、すなわち信号伝達を計測する手法の確立と、神経細胞網を模倣した人工無機構造の構築を目指している。平成23年度は、前年度にAFM化された多探針走査プローブ顕微鏡のさらなる改良を進めて、刺激・応答計測に備えるだけでなく、神経細胞模倣の人工無機構造に関連して大きな進展があった。特に、その形状が神経細胞の樹状突起と類似するカーボンナノホーン(CNHs)凝集体に金属化合物を内包させ、光や熱によるエネルギー付与を行うと、金属原子がCNHsの外側に凝集するという現象を発見した。透過電子顕微鏡によれば、この金属化合物の分解と金属原子の凝集の過程では、金属原子がCNH間を移動するほどの拡散が起こっている可能性がある。この特徴を利用すれば、CNHs凝集体からなるネットワーク型伝導材料に学習効果を持たせ得ると考え、フォトリソグラフィーを用いて用意した2つの金属電極間をこのネットワーク型伝導材料によって架橋する材料調整法を開発した。具体的には、電気泳動法を用いて、目的の金属電極周辺に溶媒中に分散しているCNHs凝集体を集めた。その後、光の照射に応じて、CNHs凝集体ネットワーク全体の電気抵抗が小さくなること、その変化量は光の波長に応じて変化することなどを見出した。しかしながら、このネットワーク型伝導材料には、光照射条件を変化させても、基本的には電気抵抗が小さくなるのみで、逆反応が生じなかった。そこで、我々は、CNHs凝集体同士の接点の伝導性を優先的に制御するために、ジュール熱の利用を試みた。予備的な実験では、電流量の制御によって、全体の電気抵抗が減少する条件と逆に増大する条件が存在することを確認し、このような電気抵抗の増減は繰り返し行う事が可能であった。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

重要な技術として、3年計画でプロトタイプ化を進めようと計画した多探針走査プローブ顕微鏡に関しては、ほぼ必要なプロトタイプ技術が完成し、2年目にして概ね計画した内容を終わらせている。そのため、複数のプローブの位置決め精度を高めるだけではなく、この作業がより一般の研究者にも利用しやすくなるように、計画には無かった走査電子顕微鏡装置への組み込みを開始した。細胞計測に関しては、細胞を適切に取り扱うための人員確保が困難となり、基本的な技術の確立のみを行なっている。特に予想外の進展を見せているのが、人工無機構造による神経模倣材料の開発である。当初想定した方式での学習効果発現は困難であったが、より簡便で効果的な手法を発見し、神経を模倣した機能を持つ材料の開発へと進展しつつある。

今後の研究の推進方策

今後は、神経模倣型人工無機構造の構築とその機能制御のメカニズムを重視して研究を推進する。特に、カーボンナノホーンを用いた神経模倣型ネットワーク材料は、比較的簡便な手法でスケールアップでき、その機能には学習効果が認められるため、大変興味深い。生きた細胞を利用した計測研究は、予想以上に時間とマンパワーが必要な実験となり、研究代表者の判断で、必要とされる技術の開発に注力することとした。具体的には、単分子識別検出ナノプローブの最適化とそれを用いた顕微手法をマルチプローブへ組み込むための技術開発である。これが完成させた上で効率的な計測研究を再開したい。

  • 研究成果

    (21件)

すべて 2012 2011

すべて 雑誌論文 (6件) (うち査読あり 6件) 学会発表 (15件)

  • [雑誌論文] Development and Application of Multiple-Probe Scanning Probe Microscopes2012

    • 著者名/発表者名
      T. Nakayama, O. Kubo, Y. Shingaya, S. Higuchi, T. Hasegawa, C.-S. Jiang, T. Okuda, Y. Kuwahara, K. Takami and M. Aono
    • 雑誌名

      Advanced Materials

      巻: 24 ページ: 1675-1692

    • DOI

      DOI:10.1002/adma.20120257

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Local modification of NaCl thin films on Cu (111) under different bias voltages2012

    • 著者名/発表者名
      Toshiyuki Kakudate, Masato Nakaya, Tomonobu Nakayama
    • 雑誌名

      Thin Solid Films

      巻: 520 ページ: 2004-2008

    • DOI

      10.1016/j.tsf.2011.09.032

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Molecular-Scale Size Tuning of Convalently Bound Assembly of C60 Molecules2011

    • 著者名/発表者名
      M. Nakaya, M. Aono and T. Nakayama
    • 雑誌名

      ACS NANO

      巻: 5,10 ページ: 7830-7837

    • DOI

      DOI:10.1021/nn201869g

    • 査読あり
  • [雑誌論文] A quadruple-scanning-probe force microscope for electrical property measurements of microscopic materials2011

    • 著者名/発表者名
      S. Higuchi, O. Kubo, H. Kuramochi, M. Aono, and T. Nakayama
    • 雑誌名

      Nanotechnology

      巻: 22 ページ: 285205

    • DOI

      DOI:10.1088/0957-4484/22/28/285205

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Macroscopic Superconducting Current through a Silicon Surface Reconstruction with Indium Adatoms : Si(111)-(√<7>×√<3>)-In2011

    • 著者名/発表者名
      Takashi Uchihashi, Puneet Mishra, Masakazu Aono, Tomonobu Nakayama
    • 雑誌名

      Physical Review Letters

      巻: 107 ページ: "207001-1"-"207001-4"

    • DOI

      10.1103/PhysRevLett.107.207001

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Encapsulated Inorganic Nanostructures : a Route to Sizable Modulated, Nanocovalent, On-Tube Potentials in Carbon Nanotubes2011

    • 著者名/発表者名
      Adelina Ilie, James S.Bendall, Katsumi Nagaoka, Stefan Egger, Tomonobu Nakayama, Simon Crampin
    • 雑誌名

      ACS NANO

      巻: 5 ページ: 2559-2569

    • DOI

      10.1021/nn102189w

    • 査読あり
  • [学会発表] Scanning tunneling microscopy investigation of surface-states on Au (111) with stacking-fault arrays2012

    • 著者名/発表者名
      Mishra Puneet, 内橋隆、中山知信
    • 学会等名
      日本物理学会第67回年次大会
    • 発表場所
      関西学院大学、兵庫
    • 年月日
      2012-03-24
  • [学会発表] Electron transport of graphene measured by multiple-probe atomic force microscopes2012

    • 著者名/発表者名
      久保理、倉持宏実、樋口誠司、森田康平、田中悟、塚越一仁、青野正和、中山知信
    • 学会等名
      MANA International Symposium 2012
    • 発表場所
      つくば国際会議場、つくば市
    • 年月日
      2012-02-29
  • [学会発表] Single-molecule-level ultrahigh density data storage using fullerene molecules2011

    • 著者名/発表者名
      中山知信
    • 学会等名
      METALEX Nano Forum
    • 発表場所
      Bangkok, Thailnad(招待講演)
    • 年月日
      2011-12-22
  • [学会発表] Supercurrent flowing through a discontinuous In-induced layer on Si(111)2011

    • 著者名/発表者名
      内橋隆、Mishra Puneet、中山知信、青野正和
    • 学会等名
      ICSPM (International Conference on Scanning Probe Microscopy) 19
    • 発表場所
      洞爺湖万世閣、北海道
    • 年月日
      2011-12-19
  • [学会発表] Nonwetting and Optical Properties of Hexagonal Boron Nitride Films2011

    • 著者名/発表者名
      Pakdel Amir, Chunyi Zhi, 板東義雄、渡辺健太郎、関口隆史、中山知信、Dmitir Golberg
    • 学会等名
      Materials Science, Metal & Manufacturing (M3 2011)
    • 発表場所
      Singapore
    • 年月日
      2011-12-12
  • [学会発表] Superhydrophobic Self-Cleaning Boron Nitride Nnaosheet Films2011

    • 著者名/発表者名
      Pakdel Amir, Chunyi Zhi、板東義雄、中山知信、Dmitri Golberg
    • 学会等名
      The 6th International Symposium on Surface Science (ISSS-6)
    • 発表場所
      タワーホール船堀、東京
    • 年月日
      2011-12-11
  • [学会発表] Macroscopic Supercurrent through a Silicon Surface Reconstruction with Indium Adatoms Observed by Transport Measurments2011

    • 著者名/発表者名
      内橋隆、Mishra Puneet, 中山知信
    • 学会等名
      The 6th International Symposium on Surface Science (ISSS-6)
    • 発表場所
      タワーホール船堀、東京(招待講演)
    • 年月日
      2011-12-11
  • [学会発表] Electrical transport in graphene flakes measured by multiple-scanning-probe force microscope2011

    • 著者名/発表者名
      久保理、Xu Jianxun, 樋口誠司、倉持宏実、新ケ谷義隆、青野正和、中山知信
    • 学会等名
      The 6th International Symposium on Surface Science (ISSS-6)
    • 発表場所
      タワーホール船堀、東京
    • 年月日
      2011-12-11
  • [学会発表] シリコン表面単原子金属層における超伝導電流2011

    • 著者名/発表者名
      内橋隆、Mishra Puneet、青野正和、中山知信
    • 学会等名
      第19回渦糸物理国内会議
    • 発表場所
      物質・材料研究機構、つくば市
    • 年月日
      2011-12-07
  • [学会発表] Enhanced spin contrast detection by spin-polarized scanning tunneling microscopy of antiferromagnetic Mn/Fe(100) films2011

    • 著者名/発表者名
      Mishra Puneet, 内橋隆、中山知信
    • 学会等名
      Trends In Nanotechnology 2011 (TNT2011)
    • 発表場所
      Tenerife, Spain
    • 年月日
      2011-11-23
  • [学会発表] Si(111)-(R7×R3)-In表面における超伝導電流の観測2011

    • 著者名/発表者名
      内橋隆、Mishra Puneet、青野正和、中山知信
    • 学会等名
      日本物理学会2011年秋季大会
    • 発表場所
      富山大学、富山市
    • 年月日
      2011-09-21
  • [学会発表] Cu(111)表面に形成されるオリゴチオフェンの鎖状構造と電子状態2011

    • 著者名/発表者名
      角館俊行、塚本茂、中谷真人、中山知信
    • 学会等名
      日本物理学会2011年秋季大会
    • 発表場所
      富山大学、富山市
    • 年月日
      2011-09-21
  • [学会発表] Irreversible and Reversible Structural Deformation and Electromecanical Behavior of Carbon Nanohorns Probed by Conductive AFM2011

    • 著者名/発表者名
      Xu jianxun, 新ケ谷義隆、富本博之、久保理、中山知信
    • 学会等名
      International Confernce on Nanoscience and Technology, China 2011
    • 発表場所
      Beijing, China
    • 年月日
      2011-09-07
  • [学会発表] グラフェン伝導特性の走査4探針原子間力顕微鏡による計測2011

    • 著者名/発表者名
      久保理、倉持宏実、樋口誠司、森田康平、田中悟、塚越一仁、青野正和、中山知信
    • 学会等名
      2011年秋季第72回応用物理学学術講演会
    • 発表場所
      山形大学、山形市
    • 年月日
      2011-08-29
  • [学会発表] Observation of Macroscopic Supercurrents through Single-Atomic-Layer Indium on a Silicon Surface2011

    • 著者名/発表者名
      内橋隆、Mishra Puneet、中山知信
    • 学会等名
      28th European Conference on Sureface Science (ECOOSS-28)
    • 発表場所
      University of Wrocaw, Poland
    • 年月日
      2011-08-28

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公開日: 2013-06-26  

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