反射率1％以下、薄膜光吸収メタマテリアルを作製：ハスの葉のマカロニ状ナノ構造が光をトラップ

　東京工業大学（東工大）大学院総合理工学研究科の梶川浩太郎教授らによる研究グループは2015年11月、ハスの葉表面に存在するマカロニ状のナノ構造を鋳型に用いて、高効率で大面積の「超薄膜光吸収メタマテリアル」を作製することに成功したと発表した。研究成果を、太陽電池や光熱変換素子に応用することで、更なる効率の改善が可能になると期待されている。

　東工大の梶川氏、及び修士課程2年の海老原佑亮氏、芝浦工業大学工学部教授の下条雅幸氏らによる研究グループは、走査型電子顕微を用いてハスの葉を観察した。そうしたところ、葉の表面にはミクロな凹凸のこぶ構造とは別に、こぶ表面に直径100nm程度のマカロニ状のナノ構造が多数分布していることが分かった。

ハスの葉の表面イメージ。ミクロな凹凸のこぶ構造に加えて、こぶ表面に直径100nm程度のマカロニ状のナノ構造が多数分布していることが分かった 出典：東工大

　光メタマテリアル作製に向けて、ハスの葉の表面に膜厚10〜30nmの金を被覆した。そうしたところ、照射された光をトラップして外部に逃がさない、光メタマテリアル構造を作製することができた。しかも、この光メタマテリアルは、全ての可視光領域で反射率が1％以下を示すなど、良好な光吸収構造であることが分かった。

　研究グループは、ハスの葉以外でも同じように葉を金で被覆して確認した。ところが、ドクダミやヨモギ、サンショウなどの葉では、光をトラップする現象は観測されなかった。このことから、ハスの葉に多数分布するマカロニ状のナノ構造が、光のトラップに重要な役割を果たしていることが分かった。

左上はハスの葉を厚み30nmの金で被覆したメタマテリアル。中央部分は光を吸収し黒くなった。金色に光るのは固定のために使ったテープの表面。右上はハスの葉の電子顕微鏡写真。左下はドクダミの葉を厚み30nmの金で被覆した試料。右下はドクダミの葉の電子顕微鏡写真 出典：東工大

　光メタマテリアルの多くは、これまで微細加工技術を用いて作製されてきた。そのため、高コストとなり大面積の光メタマテリアルを作製することは困難といわれてきた。今回の研究では、自然界に存在するナノ構造を利用して、特異な光学的性質を持つ人工材料を作製することができた。これにより多様な性質を持つ、大面積の光メタマテリアルを低コストで作製できる可能性が高まったとみている。