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兵庫県の山中に現れた全長７００ｍの巨大な施設。
その名も…その正体はなんと世界一小さいものが見える…どれほど小さなものが見えるかというと実に原子１個まで！これまで想像で描くしかなかった細胞の内部などもその動きまでありありと見る事ができるっていうんです！科学にさまざまな大発見をもたらすかもしれない秘密兵器の誕生です！それを可能にしたのがミクロの世界を照らす強い光！なんと太陽光の１億倍のそのまた１億倍という強烈な光を作り出す事ができるんです！その裏側には世界トップクラスの日本の超ハイテクがてんこ盛り！究極の顕微鏡ＳＡＣＬＡの全貌に「ＺＥＲＯ」が初めて迫ります！今日のセットいいですね。
ね。
ね。
桜ですよ。
ＳＡＣＬＡだけに桜。
今日の主役がＳＡＣＬＡだからですよね。
それにしても太陽の光の１億倍のまた１億倍の光。
うん。
計算ができなくなるほど大きい感じですよね。
もう想像を絶してますね。
このＳＡＣＬＡなんですが２０１２年の３月に運用を開始したばかりなんですよ。
今その猛烈に強い光を使ってこれまで見えなかったミクロの世界が見え始めてるんですよ。
原子のレベルまで見えるようになるって言ってましたけどそのためには強い光が必要なんですか？そうですね。
例えば顕微鏡なんかで拡大して倍率を上げていきますよね。
そうするとですね暗くなっちゃうんですね画像が。
どうしてかと言うと見たいもののサイズがちっちゃいとそこに当たって反射して目に入る光の量も減っちゃうからなんですよ。
そっか。
そういう事なんですね。
しかもＳＡＣＬＡはその動きまで見えるという事なんですよね。
例えばどんなものですか？例えばですが今僕はちょっと花粉症でヘロヘロなんですけどもそれも突き詰めて考えればこの体の免疫システムと関係するたんぱく質の働きですよね。
という事はそのたんぱく質が花粉に対してどう反応するか。
その動きを逐一見る事ができればもしかして花粉症の特効薬につながるかもしれないと。
それはすごいですね。
すばらしいですよね。
とことん小さいものを観察するという分野が科学の世界でホット熱いんです。
このような研究でも重要な成果が現れ始めています。
ここに究極の顕微鏡ＳＡＣＬＡがあります。
そのすぐ隣にある円形の施設は１７年前に稼動した…実はこれも強い光でミクロの世界を捉える施設です。
ＳＰｒｉｎｇ−８も太陽光の１億倍という強烈な光を発生し原子レベルで物質の姿を捉える事ができます。
この装置を使って画期的な発見をした研究者の一人岡山大学の…沈さんたちは植物が行うあの光合成の謎を解明しようと挑んでいます。
光合成といえば植物が水と二酸化炭素から光のエネルギーを使って酸素と炭水化物を作り出す反応ですよね。
実はこの反応効率よく行うためには何か触媒の働きをする物質が必要だと考えられています。
しかしその物質の正体は２００年以上にわたって謎とされてきました。
ところが沈さんたちは触媒として働く部分の詳細を世界で初めて突き止めたのです。
ＳＰｒｉｎｇ−８で捉えたその触媒の構造はこんな椅子のような形でした。
ついに２００年の謎が解明された！科学雑誌「サイエンス」に２０１１年の画期的な１０大成果の一つとして取り上げられた大発見でした。
その後も研究を続けた沈さんは自分が突き止めた触媒の構造に疑問を抱くようになったというのです。
えっ？損傷するってどういう事？問題の触媒の構造をこんな椅子の形に例えてみます。
ＳＰｒｉｎｇ−８は太陽光の１億倍もの強い光で観察しますが構造が浮かび上がるまでには１秒間かかります。
そのため実際には光のエネルギーで椅子がゆがんでしまう事があるんです。
つまりせっかく捉えた構造はもともとの形とは違う可能性があるという訳。
この問題を解決してくれるのがＳＰｒｉｎｇ−８の更に１億倍も強い光を発生させるＳＡＣＬＡです。
光を当てる時間は僅か１００兆分の１秒！そのため構造がゆがむ前に本来の姿を正確に捉えられるのです。
沈さんたちは今ＳＡＣＬＡを使ってもう一度光合成を起こす触媒の本当の姿に迫ろうとしています。
まだ解析の途中ですがＳＰｒｉｎｇ−８で捉えた構造ではおよそ０．２ナノメートルだった原子の間の距離が本当は１０％ほど違っている事が分かり始めています。
ＳＡＣＬＡは世界最高レベルの強い光を使って物質の真の姿を捉えるまさに究極の顕微鏡なのです。
あの光合成の話って以前「サイエンスＺＥＲＯ」でも取り上げましたよね。
あの時紹介したその触媒の形が実はゆがんじゃってたかもしれないという事ですか？まあゆがんだといっても０．２ナノメートルの１０％程度ですよ。
ただこの１０％が非常に重要なんですよ。
えっどういう事ですか？
（竹内）椅子の格好した触媒ですが水の分子が４つついてますね。
かなり厳密な世界なんですね。
ですね。
だけどまた更に強い光を当てようとしてる訳ですよね。
そしたらまたゆがんじゃうんじゃないですかね。
最終的にはね実は強い光が当たるので壊れちゃうんですよ。
そうですよね。
でも一瞬パッと当ててそこで見る。
だから見たあとに壊れるという事なんですね。
うわ〜それはすごいですね。
だけどどうやってそんな強い光を出すんですかね？その究極の顕微鏡ＳＡＣＬＡとは一体どのような装置なのか。
出てきました。
全長およそ７００メートル。
大きく分けて３つの部分から出来ています。
まずは電子銃。
ここからですね大量の電子が放出されます。
次に加速器です。
その電子を光のスピードに近い速さにまで加速します。
最後にその加速された電子から強い光を作り出すアンジュレーターです。
その光を見たいものに当てて観察する実験研究棟がここです。
ちょっと待って下さい。
あの電子から光を作り出すってどういう事ですか？そこが今日の肝なんですよ。
今日はこの驚くべき最先端技術をとことん見ていきますから。
おお〜すごい技術がありそうですね。
まずは電子銃から見ていきましょう。
世界最高レベルの強い光の大本はこのようなものなんです。
究極の顕微鏡ＳＡＣＬＡの内部に今回特別にカメラが潜入！現れたのは長〜い通路！最先端の装置が延々と並んでいます。
その最初の部分にあるのが電子銃。
先端部にはセリウムボライドという金属化合物が取り付けられておりこれを加熱すると…大量の電子が飛び出す仕掛けです。
このセリウムボライド非常に耐久性のある優れた物質ですが課題がありました。
１，５００度もの高温に熱しないと安定して電子を放出しないのです。
加熱するために従来よく使われていたのは電球のフィラメントなどに使うタングステンという金属です。
これに電気を流して熱を発生させます。
ところが１，５００度もの熱を発生させると…。
あらら変形しちゃいました！そこで開発に携わった新竹積さんが目をつけたのは…。
鉛筆の芯と同じ炭素の塊…炭素は熱に強いため１，５００度になっても…ほら全く変形しません。
このグラファイトでセリウムボライドを熱する新型の電子銃から強い光のもととなる膨大な量の電子が放出されていくのです。
へえ〜電子を取り出すって結構難しいんですね。
さあ大量の電子が放出されました。
次はこれを光の速さの９９．９９９９％というすごいスピードまで加速させます。
それが加速器なんですね。
加速器はですね長さ４００メートル。
これはＳＡＣＬＡの中でも最も長い部分なんです。
何でそんなに長いんですかね？すごく小さいものを見るための強い光を出すためには…そのための距離が必要なんですよ。
それで４００メートルなんですね。
でもこれね短い方なんですよ実は。
ええ〜っそうなんですか？ＳＡＣＬＡと同じような装置がアメリカにあります。
そこはですね全長２キロ。
これ加速器の部分だけで１キロもあるんです。
へえ〜。
一方ＳＡＣＬＡの加速器は４００メートルですから実に半分以下という事になるんです。
実はこのＳＡＣＬＡという名前はですね……の略なんですよ。
つまりＳＡＣＬＡのＣはコンパクトのＣなんですね。
コンパクト。
あっそうだったんだ。
こうした短い距離で電子を光の速さに近いスピードまで加速させる加速器。
ここにもさまざまな最新技術がつぎ込まれています。
大量の電子を加速させるＳＡＣＬＡの加速器。
銅で出来た加速管がはるか４００メートル先まで続いています。
電子はこの管の中を通る間に光のスピードに近い速さまで加速されます。
その管をよく見ると何やら細かく区切り目が入ってますよね。
実はこの管こんなドーナツ状のディスクを何枚も連ねた構造になっているんです。
管の断面を見るとこんな感じ。
この真ん中の部分を電子が通過します。
電子を加速する際には一枚一枚のディスクにプラスマイナス交互に高い電圧がかかっています。
電子が入ってくるとプラス側に引き寄せられて加速。
するとすかさずプラスとマイナスが入れ代わり電子はまた引き寄せられて更に加速します。
これを超ハイスピードで繰り返しながら電子を次々と加速していく仕組みです。
こうして４００メートルにわたって加速され続けた結果ついには光の速さの９９．９９９９％というスピードに到達。
猛烈なエネルギーを帯びるようになるのです。
ＳＡＣＬＡではこの加速を行うディスクの厚みを従来のおよそ半分にする事に成功。
更に加速管の内部の直径もほぼ半分に縮めました。
これにより電子を急激に加速させられるようになったのです。
そう。
電子を加速させる電気エネルギーを狭い空間に凝縮させる事で効率のよい加速を実現したんです。
しかしそれだけ高いエネルギーがかかる通路の内部は僅かでも凹凸があるとそこにエネルギーが集中し電子の動きを乱してしまいます。
そこで必要となるのが金属を超精密に削る加工技術です。
実際に加速器の部品を削る作業を見せてもらいました。
油を吹きつけながら１ミクロンの精度で金属を削ります。
出来上がった部品の表面を見ると…。
すごいきれい。
ここまで精密に削ったディスクを１３，０００枚以上もつなぎ合わせて４００メートルに及ぶＳＡＣＬＡの加速器がつくり上げられたのです。
あの磨き上がりすごかったですねぴっかぴかで。
芸術作品ですよね。
でもあれを１３，０００枚ぐらいやらなきゃいけないって結構手間がかかった装置なんですね。
そのＳＡＣＬＡにつぎ込まれた最先端の技術の数々。
ここからは専門家の方と一緒に掘り下げていきたいと思います。
理化学研究所放射光科学総合研究センターの矢橋牧名さんです。
（一同）よろしくお願いします。
あの加速器つくるのにかなり細かくて大変そうな作業ばかりだったんですけどそこまでして加速器を短くする必要があるんですか？そうですね。
まず日本は国土が狭いのでやはりコンパクトにするというのは非常に重要なんですね。
なるほど。
次に安定に運転するためには小さい方が制御がしやすいです。
最終的にはどれぐらいの量の電子が管の中を通るんですか？そうですね。
それがものすごい速さできれいにそろって飛んでいくんですね。
ＳＡＣＬＡをつくり上げるために大勢の技術者の方がやっぱり関わってるんですか？
（矢橋）そうですね。
日本のメーカー４００社以上の最新鋭の技術を投入しましてつくられています。
へえ〜すごい。
さあいよいよ最終段階です。
高いエネルギーの電子から強い光を生み出すアンジュレーターです。
一体どうやって電子から光を生み出すんですか？だから光を生み出すには高速で飛んでいる電子の向きを曲げてやったらいいんです。
ええっ曲げる？どうやって曲げるんですか？こちらで説明して頂きましょう。
え〜っこの磁石を使うんですか？ええ電子は磁石の力を受けて曲がる性質があるんです。
だから飛んでいる電子を磁石で挟むとこのように動きが向きが変わります。
それでこう変わったところでこのように光が前方に出るんですね。
ホントだ。
光が出てきた。
え〜っこうなってるんだ。
だけどＳＡＣＬＡの形ってまっすぐですよね。
電子の動きが曲がらないから光が出ないんじゃないですかね？不思議に思いますよね。
でも実はこのアンジュレーターという装置にこのような仕掛けがあるんです。
加速器の先にある扉を開けると…そこには強い光を生み出すＳＡＣＬＡの心臓部アンジュレーターがあります。
高エネルギーの電子から光を生み出す仕掛けがこの金属の筒の中にあります。
実は管の内部には電子を曲げる強力な磁石がずらりと並んでいるのです。
しかも磁石はＮ極とＳ極が交互になるように並べられています。
そのため電子が進む道筋はＮとＳが入れ替わる度に曲がり結果的に蛇行しながら進む事になります。
それで電子が曲がる度に光が放出されるのです。
実際にはたくさんの電子が次々と飛んできて断続的に光を放出します。
ところが磁石の間を進むうちに不思議な事が起こります。
なぜか電子が次第に寄り集まってきます。
すると複数の電子がタイミングをそろえて光を放出するようになり光が折り重なってどんどん強くなっていくのです。
いや〜不思議ですね。
何でああやって電子が寄り集まってくるんですか？そこがポイントなんですけども先ほど電子を曲げると光が出るという説明をしましたけども逆に光を受けると電子の動きに影響を与えるんですね。
電子はとても早く動いてるんですけどもやはりそれでも光よりは遅いんですね。
そうすると…そうなんですね。
これが原理なんです。
光がそろって強くなる訳ですか。
（矢橋）そうです。
こうして光の波をそろえる事で強い光を発生させている。
このようなもの実は私たちの身近にもあるんですが…。
何ですかそれ？それはレーザー光線です。
コンサートの会場などで使われていますよね。
レーザー光線というのは光の波をそろえてすごく強くしたものなんですね。
でＳＡＣＬＡのＬＡ。
これはレーザーの頭文字なんですよ。
ただこのＳＡＣＬＡのレーザーは普通の光ではないんですよね。
そうですね。
目に見えないほど波長の短いＸ線を出すんです。
Ｘ線ってあのレントゲンとかのＸ線ですか？ＳＡＣＬＡの場合は最短で波長が０．０６ナノメートル。
とっても短いんです。
これで原子を見分けるような波長になるんですね。
そっか。
原子１個が見えるほど波長が短いＸ線をどのようにして生み出すのか。
そこにはですね日本独自のこんな斬新な発想が生かされているんです。
より波長の短い光を生み出すにはどうすればよいのか。
そのためには磁石の幅を狭くしてより短い間隔で電子を小刻みに蛇行させる必要があります。
ところが幅が狭くなる分磁石の力が弱まってしまいます。
磁力を強くするには上下の磁石同士をできる限り近づけなければなりません。
ところが従来は磁石の間に電子が通る真空チューブがあったためそれ以上磁石を近づける事ができませんでした。
そこで磁石をもっと近づけられる斬新な方法を考え出したのが理化学研究所の北村英男さんです。
なるほど。
さっき筒の中に磁石がたくさん並んでいましたよね。
真空チューブの外にあった磁石をチューブの中に入れちゃったって事なんです。
難しいのは従来より何倍も太くなったチューブの中を真空にするという作業です。
しかもチューブに組み込んだ金属部品には僅かに水分が含まれています。
そのため真空にする際にはチューブ全体を加熱して蒸発させなければなりません。
しかし磁石にとって熱は大敵なんです。
試しに鉄板に磁石をくっつけて加熱してみます。
温度が１８０度くらいになると…あっ落ちちゃった！磁石って熱すると磁力を失ってしまうのです。
そこで北村さんたちは熱に強い特殊な加工をした磁石を開発しました。
使われたその磁石の数は２万個以上！こうして完成したのが日本独自の「真空封止型アンジュレーター」なんです。
最新技術を結集して作られた太陽光の１億倍の１億倍というＸ線レーザーが針先のサンプルに当てられます。
こうしてこれまで見えなかった超ミクロの世界が見えるようになったのです。
磁石ごと真空のチューブに入れちゃうって結構大胆な発想ですよね。
（竹内）ですよね。
でもそのおかげで世界最高レベルの短い波長が作り出せたって訳ですよね。
ええそうですね。
さまざまな最先端の技術がそろってついに世界で一番小さいものが見える究極の顕微鏡が出来たという訳なんですね。
ついに。
来ましたね。
でもこれだけすごい装置が出来ると今後どんな事が期待できますか？１つが…生きてる状態で。
ＳＡＣＬＡで捉えられた生きた微生物の姿がこちらです。
（矢橋）これは牛乳の中にいる１ミクロンぐらいの微生物なんです。
これは北海道大学の西野吉則さんがＳＡＣＬＡで解析したものなんですね。
へえ〜。
このサイズだと電子顕微鏡でも見えませんか？
（矢橋）ええ。
電子顕微鏡でも見えるサイズなんですけども…なるほど。
この微生物の画像は何が見えてるんですか？
（矢橋）下側に白いところや赤いところが光ってると思うんですけどもここがＤＮＡなどの中身が詰まっているところなんですね。
あと濃いところ黄色の部分が２か所に分かれてるように見えますがこれはもしかしたら細胞分裂をしている途中を捉えているかもしれないといわれています。
それはホントに生きてるからこそ見える現象ですよね。
もっともっと拡大して見れるんですか？これもっと倍率を上げて微生物を構成するたんぱく質そのものまで見えるような技術を開発しています。
もしそこまで見えたら何が分かるんですか？例えばこの微生物は非常に熱に強い性質を持つんですね。
なぜそういった熱に強い性質を持ってるかというのがたんぱく質の働きなど直接見ると解明できる可能性もあるといわれています。
まあ結局突き詰めると生命現象というのも生命体を形づくってるたんぱく質の原子とか分子レベルでの機能の事ですよね。
それが実際に目で見えるってすごい事ですよね。
そういう新しい科学の可能性がＳＡＣＬＡによって切り開かれていくって感じですか？そのとおりですね。
矢橋さんどうもありがとうございました。
（一同）どうもありがとうございました。
それでは「サイエンスＺＥＲＯ」。
次回もお楽しみに！2014/06/29(日) 23:30〜00:00
ＮＨＫＥテレ１大阪
サイエンスＺＥＲＯ「原子の動きが見える！？究極の“顕微鏡”ＳＡＣＬＡ」[字]

「原子の動きまで見える」という究極の“顕微鏡”ＳＡＣＬＡが兵庫県に誕生する。太陽光の１億倍のそのまた１億倍という強烈な光でミクロの世界を捉える驚異の技術に迫る。

詳細情報
番組内容
「原子の動きまで見える」という究極の“顕微鏡”が兵庫県に誕生する。その名もＸ線分析施設「ＳＡＣＬＡ」。太陽光の１億倍のそのまた１億倍という強烈な光を発生させ、生きた細胞などを原子レベルで観察できるという。これまで想像で描くしかなかったミクロレベルの生命の営みなどが実際にとらえられるとあって、熱い注目を集めている。全長７百メートルに達する世界最高レベルの“顕微鏡”を実現した驚異の技術力に迫る。
出演者
【ゲスト】理化学研究所グループ・ディレクター…矢橋牧名，【司会】南沢奈央，竹内薫，【キャスター】江崎史恵，【語り】中山準之助

ジャンル :
ドキュメンタリー／教養 – 自然・動物・環境
ドキュメンタリー／教養 – 宇宙・科学・医学
ドキュメンタリー／教養 – 社会・時事

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音声 : 2/0モード（ステレオ）
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