液晶といえば、液晶パネルやディスプレイを思い浮かべる人がほとんどでしょう。携帯電話、薄型テレビ、ゲーム機やパソコン、タブレット端末など、液晶パネルは私達の生活に欠かせないものとなり、大型化・高精細化と、著しい進歩をつづけてきました。一方で、液晶そのものの光・電子物性や機能は、パネル以外の様々なアプリケーション・次世代デバイスに応用できることが示唆されています。液晶パネルに代わる次の用途開発が、手探りながら行われているのです。
液晶の特性に魅せられ、特にその二次元構造に着目して研究を進めているのが、応用物理学科教授の多辺由佳先生です。

「見て分かる」液晶実験の面白さ

液晶という物質自体は古くから知られて利用されてきましたが、磁性などと比べると、その物理研究の歴史は浅いです。そのため未解決の課題が多く残されているという点で研究対象として刺激的です。統一した理論が確立されていないので、研究者各々がモデルを考え検証する、実験からモデル解析まで一貫して取り組めるという面白さがあります。

また、液晶による現象は、多くの場合観測可能な時空間スケールで起こるため、実時間で直接観察できる点もメリットです。代表的な液晶は、長さ約2~3ナノメートル（１ナノメートル＝1/1,000,000ミリメートル）の棒状分子でできており、静的な状態では、分子が結晶のように方向をそろえて並んだ構造をとっています。外力が加えられると、液晶は液体と同じように簡単に動きますが、このとき、液晶特有の「協調性（隣にならって動く性質）」ゆえに、分子の向きを互いに揃えたまま集団で動くのが特徴です。液晶の観察には、分子の方向を光の強度に変換する機能を持つ偏光顕微鏡を用います。自然な状態で互いに同じ方向を向いている液晶分子集団の大きさは可視光の波長（380〜750nm）程度で、この液晶分子の平均の向きを、偏光顕微鏡は明暗の模様として映し出します（図１）。何が起きているかを自分の目で直接見ることができるということは、直観的な理解に役立ちますし、何より見ていて楽しいです。

図1 偏光顕微鏡で観察される液晶の様子

ミクロとマクロの狭間

液晶パネルはだいぶ薄くなったとはいえ、まだマイクロメートル（1マイクロメートル＝１,000ナノメートル＝1/1,000ミリメートル）以上の厚さがあります。一方で、私が主な研究対象としている「単分子膜」あるいは「二次元液晶」は、分子を平面状に1層から数層並べたもので、数ナノメートルの厚みしかありません。液晶は、分子がある程度以上集まらないと液晶としての性質が現われません。二次元液晶は、限りなく薄いけれどもバルク（＝かたまり）としての性質も持つ、ユニークな対象なのです。

私達は日常のほとんどの物質について、マクロな性質のみを見たり使ったりしていますが、その構成要素は分子あるいは原子であり、両者の性質の間には大きなギャップがあります。このギャップを埋めるための研究対象として、分子とバルクの中間の大きさである単分子膜は適したものではないかと考えています。ミクロからマクロへ、分子から物質へ、どのように構造や運動が変換されていくのかに興味を持っています。