日本仙台新落成的「奈米露台」,有望用於半導體與電動車材料方面,明年將正式啟用。此案雖是政府主推,但民間積極參與使得該案草擬迄完工僅費時8年,目前已有不少企業登記使用。
日本文部科學省與量子科學技術研究開發機構(下稱量研機構)、東北大學青葉山校區、一般財團法人光科學創新中心合作,斥資360億日圓(約81億台幣)打造出次世代同步輻射設施「奈米露台」。它利用比陽光強10億倍的光源,可以看見原子大小的物質,因此又稱「巨大顯微鏡」,預料對於往後的半導體與電池材料開發會有所貢獻。
以環狀呈現的「奈米露台」周長349公尺,其作動方式為把與光速近乎等速的「電子光波」令其與磁力產生振動反應,接著放射出的同步輻射可讓0.1奈米(1奈米=10億分之1公尺)大小的原子物質現形。預計2024年就會正式啟用,每年營運費用約30億日圓。
目前登記使用的企業,有生活用品製造商愛麗思歐雅瑪、日本電信業龍頭NTT、化學醫藥品公司長瀨產業、化工藥水公司日本高純度化學、化妝品公司POLA化成工業等等。
一般光學顯微鏡的可視光反應,大多只能看見200奈米左右的物體,若想看見更微小的原子物質,就必須透過電子顯微鏡才行。但,受限於電子顯微鏡內部裝置須保持真空狀態,在沒有水份的情況下,很難觀察到物質在自然環境中產生的量變或質變。
不需真空構造 也能看見原子物質
奈米露台能夠在非真空狀態下,觀察極微細物質在自然環境中產生的變化。目前具備發出3吉(Giga)伏特高能量電子光束的能力,實證過程順利,年底之前會持續驗證同步輻射放出的穩定性。
設施正式啟動後,可運用在半導體、磁鐵、催化劑、食品等多項領域。例如,若是可以了解電子的狀態或質變情況,除了能夠促進次世代半導體的研發效率與精度外,在電動車電池與馬達、橡膠與塑膠等高分子材料、醫藥品方面的發展也有幫助。
日本此前較有名的同步輻射設施「SPring8」建於1997年,地點於兵庫縣佐用町。當時就利用該設施發出短波長光,光線穿過物質之後就能對物質構造進行解析,特別在金屬等重元素的研究上面特別有效。
奈米露台將波長較長的光透過高輝度顯影,就能觀察碳素、氮等輕元素以及物質表面變化,連電子的狀態都能一目瞭然。相較於SPring8,奈米露台可以發出比SPring8強100倍的長波長光,能夠觀察更加細微的物質,是全球首屈一指的次世代同步輻射設施。
量研機構次世代同步輻射設施整備開發中心,加速器團隊主管西森信行表示:「(奈米露台)有助於高性能催化劑、低耗電電子裝置的研發。」
產官學共同籌建研究 投入先進設備開發
奈米露台的建設結合了日本政府、仙台本地企業、地方政府、東北大學等產官學界的力量,透過各界的出資、集思廣益、實證作業等,分別為奈米露台這樣的大規模科學研究設施貢獻一己之力。
傳統上,大規模科學研究設施的建設基本上都是政府主導,當然也是政府出資。例如前述的SPring8,當初立案時就以學術研究目的為由,由政府負擔1100億日圓的工程費用。
但,此次打造奈米露台的360億日圓資金,政府只負擔170億日圓與建築物、工程用地提供等,其餘款項全由民間贊助分攤。
民間會如此積極參與的理由,在於2011年東日本大震災後仙台受創嚴重,因此地方政府與民間企業希望透過次世代同步輻射設施的建立,來促進地方產業振興。該案自2016年開始研擬可行方案,2018年就由東北大學選定施工地點。
量研機構理事長小安重夫表示:「為了增加民間使用奈米露台的意願,我們會持續展示奈米露台的具體成果。」
大規模科學研究設施若僅由政府擔綱建設,效率通常不高,因此會需要民間的力量,若是產官學能一併合作,就能有效提升效率。對於企業來說,若是設施的技術可促進產品研發與改良,他們就會願意共同出資參與;對於學界來說,若是設施有效促進科學研究,對科研有所貢獻與突破,學界參與實證的意願也會提高。