壊れやすい結晶を「液体で守る」――東京理科大、MOFの室温微細加工に道

「穴だらけの結晶」を壊さず削る

電子回路を作るには、材料を必要な形に削り、狙った場所だけを残さなければならない。ところが、規則正しい無数の穴を持つ金属有機構造体（MOF）は、加工のための粒子ビームを浴びると、肝心の骨格が傷む。材料として優れた機能があっても、製品の形に仕立てられなければ、半導体チップやセンサーに組み込む道は遠い。

東京理科大学先進工学部物理工学科の鄭 雨萌（てい・うぼう）助教と木下 健太郎教授らは、MOFの微細孔にイオン液体を含ませ、室温の集束イオンビームで微細加工する手法を実証した。成果は2026年11月10日、査読付き学術誌「Communications Materials」に掲載された。大学の日本語発表の表題は「壊れやすい金属有機構造体（MOF）の微細加工に成功」である。

突破口は、より強いビームではない。加工中だけ、壊れやすい結晶の内部から支えるという発想だ。

一次資料：Communications Materials (2026) · 東京理科大学

MOFとは何か――空隙を設計する化学

MOFは金属イオンや金属クラスターと、有機分子からなる配位子を組み合わせた多孔性の結晶である。骨格の隙間に分子を取り込めるため、ガスの吸着・分離、触媒、化学センサーなどへの応用が研究されてきた。孔の大きさや化学的性質を設計しやすいことが魅力だ。

電子デバイスへの応用には、結晶の吸着能力だけでは足りない。電極に接続できる位置、光を当てる位置、流体が通る微細な溝などを再現性よく作り込む必要がある。マイクロメートル以下の加工で骨格が崩れることが、研究室から製造工程への移行を阻んできた。

1970年代の発想から今日の機能材料へ

多孔性の配位結晶を構想する研究史には、1970年代に分子を建築部材のように組み上げる可能性を考えたリチャード・ロブソンの仕事がある。その後、金属と有機分子の組み合わせを制御して、機能を持つ孔を設計する研究が発展した。MOFという名称は一つの物質の商標ではなく、多様な結晶群の総称だ。

ただ、気体を大量に吸着できる結晶が、そのまま丈夫な電子部品になるわけではない。電子線で観察するだけでも変質し、イオンビームで削れば亀裂や空洞が生じ得る。材料の発見と加工法の開発が、別々の研究課題として積み重なってきた。

イオン液体を「内部の保護材」に

研究チームが選んだ試料は、銅を含むCu₃(BTC)₂というMOFの単結晶。BTCはベンゼン-1,3,5-トリカルボン酸由来の有機成分を示す。研究ではイミダゾリウム系のイオン液体４種類を比較し、真空含浸により孔の容積の約50～60％を満たした。

イオン液体は、陽イオンと陰イオンからなり、室温付近でも液体である塩の一群だ。蒸発しにくく、熱や電荷の局所的な集中を緩和できる可能性がある。Ｘ線回折の結果は、液体導入後も結晶骨格が概ね維持されたことを示した。材料を外から厚く覆うのではなく、内部の空隙を利用したことが重要である。

小さな「理」の字を削り出した

加工にはガリウムの集束イオンビーム（FIB）を用い、加速電圧は30キロボルト。研究者らは５×５マイクロメートルの正方形だけでなく、柱状構造や「理」の字も彫り込んだ。論文では「理」の線幅は約130～300ナノメートル、薄い壁の厚さは240ナノメートルと報告している。

未処理の結晶では同じような加工で大きな空洞や端部の損傷が生じたが、イオン液体を含ませた試料では、一定の照射条件下で形状を維持した。ここで注意したいのは「100ナノメートル未満の精度」という加工精度の表現と、実際に観察された線幅が同じ値ではないことだ。微細な形を作れたことは事実だが、商用回路の最小線幅を実現したという報告ではない。

一次資料：Communications Materials (2026) · 東京理科大学

守られた理由は一つではない

研究チームは、ナノインデンテーションによる硬さの評価、熱分析、赤外分光、Ｘ線光電子分光などを用いて保護効果を検証した。イオン液体を入れると硬さが向上し、熱分解に関連する温度も上がった。一方、弾性率は大きく変わらなかったと大学は説明する。

論文では、照射に伴う熱の局在、電荷の蓄積、銅の酸化状態の変化、銅―酸素結合の損傷などを論じる。イオン液体が熱的・電気的な緩衝材として作用するという説明は実験結果に整合するが、各寄与の大きさが完全に確定したわけではない。「液を入れれば絶対に壊れない」という単純な話ではない。

高い照射量では、なお壊れる

この成果の限界も論文には明記されている。イオン照射量を増やすと、保護した試料でも加工底面から約１マイクロメートル規模の空洞が生じ、さらに照射量が高くなると損傷が広がった。側壁の保持と底面の破壊は両立し得るため、写真の見た目だけで「無損傷」とは断定できない。

しかも、実証された主な材料は銅系MOFのCu₃(BTC)₂である。あらゆるMOF、すべてのイオン液体、任意の加工条件へ適用できることはまだ確認されていない。量産工程では加工速度、繰り返し性、残留イオン液体の除去や封止、電極との相性、長期安定性まで問われる。

一次資料：Communications Materials (2026) · 東京理科大学

冷却加工と比べ、何が変わるのか

電子線やイオンビームに弱い試料を扱う方法として、液体窒素などを使う低温FIBが利用されてきた。冷却装置と試料準備の複雑さは、装置を頻繁に切り替える工程にとって負担となる。今回の手法は、試料の孔を保護材に使い、室温で加工できる点が強みだ。

とはいえ、集束イオンビームは精密加工に適する一方、広い面積を高速処理する一般的な半導体量産法そのものではない。低温工程を省けたことと、量産ライン全体のコストが下がることは別の主張である。研究の射程を正確に捉える必要がある。

センサー、分離膜、触媒――有望な用途と現実の距離

研究者らが想定するのは高感度センサー、分離・分析装置、触媒デバイスなどだ。孔の中に目的分子を取り込み、その濃度や反応を電気信号で読み取る仕組みが成立すれば、選択性と微細加工性を両立する新たな設計が可能になる。

しかし本研究は、完成したセンサーの検出限界や長期の誤差、量産歩留まりを示したものではない。電気的な機能を持つMOFでも、結晶の水分耐性、電極との接触抵抗、加工後の孔の有効性などを個別に確かめなければならない。期待される用途を「実用化済み」と取り違えないことが大切だ。

研究を担った人々と次の問い

論文の著者は鄭 雨萌、村岡 桃花、江川 弘樹、木下 健太郎の各氏。研究の一部は日本学術振興会の科学研究費助成事業（課題番号26K00987）の支援を受けた。東京理科大学の研究グループは、以前からイオン液体でMOFの機械的性質を補強する試みに取り組んできた。

次の焦点は、異なる結晶で加工条件を再現できるか、加工した孔が本来の吸着・分離機能を維持するか、デバイスに必要な電極・流路・封止と一体化できるかである。製品化の時期、製造コスト、企業の採用計画は公表資料からは確認できない。

素材の価値を決める「最後の数百ナノメートル」

日本の材料科学は新しい物質を生み出す力に定評がある。しかし産業で使うには、材料を作る技術と、傷めずに切り、つなぎ、測る技術が必要だ。今回の研究が示したのは、結晶内部の空隙を弱点としてだけではなく、加工を助ける場所として使えるという逆転の発想だった。

数百ナノメートルの線を刻むことは、まだ製品の完成ではない。だが、これまで壊れてしまった材料に形を与える手順が見えたことは、次世代のセンサーや電子デバイスを考えるうえで確かな一歩になる。