Experimental Study of Solid-Liquid Interface at the Nanoscale

固液界面での水の安定構造と固気液三相界線の動特性を固体面から数ナノメートルオーダーの領域において解明する。特に、理論的研究で解決できていない吸着気体分子や不純物および固体表面の不完全性の影響について、原子間力顕微鏡(AFM)と透過電子顕微鏡(TEM)を併用して実験的に探求する。最終的には応用製品へと繋がるような体系的知見を得ることを目指している。今年度は、TEMホルダーにDENS solutionsのWildfire Chipを装着し、試料を1000度Cまで加熱する実験系を構築した。これを用いて、グラフェン同士で挟まれた厚さ10nm程度の水（グラフェンウォーターポケット(GWP)）を300度Cまで加熱したところ蒸気泡の生成は起こらず、電子線照射で生成した水素気泡についても膨張する様子はほとんど見られなかった。このことからGWP内は高圧状態になっていることが推定されたが、サイズがミクロンオーダーであることから圧力計測は容易でなく、今後の重要な検討課題となった。一方、常温でこの水素気泡にあえて外力を加えて動的挙動をTEM観察することで、固気液三相界線（接触線）をナノスケール観察し、ピニングに関する新しい知見を得ることができた。具体的には、マクロスケールで考えられている固体面に接触した三相接触線以外にも、数nm程度の液膜が保持された「接触しない」接触線があるという実験結果であった。また、AFMを用いたナノバブルの加熱実験で得られた特異な気泡形状については、マイクロパンケーキがナノバブルへ気体分子を供給しているというモデルで説明することができた。

固液界面での水の安定構造と固気液三相界線の動特性を固体面から数ナノメートルオーダーの領域において解明する。特に、理論的研究で解決できていない吸着気体分子や不純物および固体表面の不完全性の影響について、原子間力顕微鏡(AFM)と透過電子顕微鏡(TEM)を併用して実験的に探求する。最終的には応用製品へと繋がるような体系的知見を得ることを目指している。今年度は、TEMホルダーにDENS solutionsのWildfire Chipを装着し、試料を1000度Cまで加熱する実験系を構築した。これを用いて、グラフェン同士で挟まれた厚さ10nm程度の水（グラフェンウォーターポケット(GWP)）を300度Cまで加熱したところ蒸気泡の生成は起こらず、電子線照射で生成した水素気泡についても膨張する様子はほとんど見られなかった。このことからGWP内は高圧状態になっていることが推定されたが、サイズがミクロンオーダーであることから圧力計測は容易でなく、今後の重要な検討課題となった。一方、常温でこの水素気泡にあえて外力を加えて動的挙動をTEM観察することで、固気液三相界線（接触線）をナノスケール観察し、ピニングに関する新しい知見を得ることができた。具体的には、マクロスケールで考えられている固体面に接触した三相接触線以外にも、数nm程度の液膜が保持された「接触しない」接触線があるという実験結果であった。また、AFMを用いたナノバブルの加熱実験で得られた特異な気泡形状については、マイクロパンケーキがナノバブルへ気体分子を供給しているというモデルで説明することができた。