走査型トンネル顕微鏡（Scanning Tunneling Microscope:ＳＴＭ）は、個々の原子を実空間において直接観察することのできる、極めて有力な表面観察法である。 ＳＴＭは金属や半導体の表面構造１）、有機分子の配列構造の観察２）など、広い分野にわたって活用されている。
有機分子を対象としたＳＴＭ研究の中で、比較的早く試料作成法が確立したシアノビフェニル系液晶（ｎＣＢ）（図１）はＳＴＭによる研究が多くの研究者によってなされてきた。 そして、スミス等３）や岩壁等４）は、配列の観察やその形成要因の議論をしているが、未だ配列の要因については完全な解明には至っていない。 我々の研究室においても、ｎＣＢ系液晶分子のＳＴＭ観察を行い、これまでに観察例のない７ＣＢと９CBのＳＴＭ像を加え、６ＣＢから１２ＣＢまでの一連のＳＴＭ像を得た。 その結果、ＨＯＰＧ基板上において、７ＣＢ（図２）と９ＣＢはシングルロー構造（１分子１列）の配列を、８ＣＢ（図３），１０ＣＢ，１２ＣＢは、ダブルロー構造（２分子１列）の配列をとることが分かった5)。 また、ｎが６、１１の場合はどちらにも属さない奇妙な配列であった。大別すると、ｎＣＢにおいて、シングルロー構造はｎが奇数で、ダブルロー構造はｎが偶数で観察されており、アルキル鎖の炭素数の偶奇性が重要な要因となっていることが推測される。 我々は、この配列要因は分子自身の持つ電気双極子モーメントと基板・アルキル鎖間相互作用によって決まり、基板との相互作用は、アルキル鎖の末端の運動性がｎが偶数か奇数かで変わることが大きな要因と考えている。 ただし末端以外に長さも影響し、鎖長が短い６ＣＢではシングルロー、鎖長が長い１１ＣＢではダブルローの構造を含む例外的な配列になったのではないかと推測される。 しかし、ＳＴＭ観察からは、配列過程や吸着状態における液晶分子の運動、配列要因に大きく関与すると考えられているアルキル鎖部の挙動を観察することは不可能であり、このような直接の観察が困難な対象に、コンピュータシミュレーションは有効な観察手段となりうる。 これまでにＨＯＰＧ基板上の８ＣＢ液晶分子に対して、ＳＴＭ像を元にあらかじめ分子を配置し、詳細な最安定状態を求めるモンテカルロ法６）や分子動力学法７）による計算が行われている。 しかし、基板への吸着過程を含めた分子動力学シミュレーションは報告例が少ない。そこで、吸着過程を含めた分子動力学法による計算機実験を試み、実際の観測から得られたＳＴＭ像と、その計算から得られた配列構造との比較検討を行った。
２．コンピュータシミュレーション
今回、我々は自発吸着から配列に至るような、より実験に近い状態を再現することを試みた。まず最初の試みとして、ＳＴＭ観察例の多い8CBと、配列状態の比較のため7CBを対象とした。 計算には古典的分子動力学法を用いた表面状態解析用分子動力学シミュレータMASPHYC-SP（富士通）を使い、九州大学大型計算機センター内のベクトルプロセッサＶＰＰ７００で計算を行った。
計算は、基本セルの大きさを配列内の１ユニット分（図２,図３）とし、水平方向の２次元周期境界条件のもとで、１２０Ｋの等温ＭＤで行う。HOPG基板の厚さは、３層の温度制御層、２層の固定層の計５層に設定した。 1stepあたりの時間を0.5fsとし、最大で３０万step、１５０ｐｓ行った。分子発生頻度は２万step（１０ps）に１つの割合とし、５から８個降らせて様子を見た。（図４参照）。各原子の電荷は文献値6）を使い、非結合性の相互作用にはDRIDING8）ポテンシャルを適用した。
３．結果と考察
３-１ ７ＣＢのシミュレーション
図５は１２０Ｋ、時間刻み0.5ｆｓで３０万Step、１５０ｐｓ分を計算した結果である。ＶＰＰ７００のプロセッサを１６基並列で使用し、計算に費やした時間は約２０時間である。図５では吸着状態を分かりやすく表示する為、HOPG基板は非表示にし、視点を基板上方に設定している。
吸着直後、分子は基板上を移動しており、アルキル鎖も柔軟性をもって動き回る。１０万Stepを越え、吸着分子数が２個、３個と増えるにつれて、それらは会合を始め、それと同時にアルキル鎖の平面方向の自由度も制限され、分子は直線状になり、徐々に列を形成していった。 これらは固まりとなって基板上を移動しており、完全には一カ所に留まってはいない。これは発生分子数が少ない為であり、密度が大きくなると分子の移動は収まると考えられる。
7ＣＢのＨＯＰＧ基板上ＳＴＭ像を図２に示す。白く明るい部分がビフェニル基であり、やや暗い部分がアルキル鎖である。ＳＴＭ像とシミュレーションの結果を比較すると、列内において隣り合う分子が交互に向きを変えており、基板上配置の様子は一致している。
