固液界面ナノバブル周辺の分子間力分布計測を基盤とする新たな界面工学への挑戦

基于固液界面纳米气泡周围分子间力分布测量的界面工程新挑战

基本信息

批准号：
18J11880
负责人：
手嶋秀彰
金额：
$ 1.22万
依托单位：
Kyushu University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2018
资助国家：
日本
起止时间：
2018-04-25 至 2020-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

本年度は昨年度に引き続き、従来の方式よりはるかに高感度な周波数変調型原子間力顕微鏡(FM-AFM)を用いて高配向性グラファイト(HOPG)－純水界面に存在する気相の高分解能イメージングを行った。探針の濡れ性や振動振幅を最適化することで、マイクロパンケーキと呼ばれる数 nmの均一な厚みを持つ気相に加えて、従来の計測手法では観察できなかった気体分子の吸着層を観察することができた。また、気体分子の吸着層には基板表面の結晶構造に影響を受けて整列する整列層とその上を覆うように存在する非整列層の2種類が存在することが明らかになった。非整列層の上に現れたマイクロパンケーキは探針の動きに沿って移動するが、その可動性は非整列層の縁で制限されることがわかった。この結果は、吸着気体分子層がHOPG表面にナノスケールの凹凸を作ることでピニングを引き起こし、現行の安定性理論の鍵であるにも関わらず未だ全く解明されていない界面ナノバブルの強いピニングの起源となり得ることを示す重要な知見である。並行して、微小振動するAFM探針をｚ・ｘ方向に走査した際の共振周波数の変化を記録する分子間力分布計測を行うことで、固液界面近傍の2次元周波数シフトカーブを得た。吸着気体分子層がない界面では水和構造(固体表面近傍にのみ現れる水分子密度が垂直方向へ周期的に変化する構造)の水分子密度に由来する周波数シフトが観察された一方、吸着気体分子層がある場合はその気体分子密度に由来する周波数シフトが観察された。得られた周波数シフトカーブを比較した結果、吸着気体分子層の各層は水和構造内の水分子が疎な領域に位置し、水分子が密な領域(水和層)に挟まれるように存在していることが示唆された。これらの研究成果は界面ナノバブルの物理のみならず疎水性相互作用に代表されるナノスケールの界面現象の根本的理解に資すると考えられる。

今年，与去年一样，我们使用频率调节的原子力显微镜（FM-AFM）对高度定向的石墨（HOPG）粘液水界面进行了高分辨率成像，该成像比常规方法更敏感。通过优化探针的润湿性和振动幅度，除了气相均匀厚度为几个NM（称为微晶法），还可以观察到气体分子吸附的层，无法使用常规测量方法观察到。还揭示了存在两种类型的吸附气体分子：由底物表面的晶体结构和存在的非对齐层对齐的对齐层，以覆盖层。发现在未对准的层上出现的微蛋白会沿探针的运动移动，但是它们的活动性受到未对齐层的边缘的限制。这个结果是一个重要发现，即吸附的气体分子层可以通过在HOPG表面造成纳米级不平衡来引起固定，并且可以成为界面纳米泡的强钉的起源，尽管界面纳米泡是尚未阐明的，尽管这是当前稳定理论的关键。同时，当对Z/X方向扫描小振动AFM探针时，进行分子间力分布测量以记录共振频率的变化，从而导致固定液体界面附近的二维频移曲线。从水合结构的水分子密度得出的频移（其中在固体表面附近出现的水分子密度在垂直方向上周期性变化）在没有吸附的气体分子层的界面上观察到，而频率转移是从频率转移衍生而来的，而频率转移是从附着层气体分子层的气体分子密度观察到的。比较获得的频移曲线表明，吸附气体分子层的每个层都位于水合结构中的水分子稀疏的区域，并且水分子夹在密集区域（水合层）之间。这些研究结果被认为有助于对纳米级界面现象的基本了解，例如疏水相互作用，而不仅仅是界面纳米泡的物理学。