表面電荷密度マッピングが切り拓く相界面ナノフルイディクス

相界面や接触線は、固体―液体―気体の各相が相互作用しあうため実験的調査が困難であり、その工学的重要性にもかかわらず多くの物理が未解明である。特に固液界面・接触線の帯電現象は流動発電といったグリーンエネルギーと密接にかかわるが、どういった条件で・どのような帯電状態になるか、何もわかっていないと言っても過言ではない。本研究では、表面電位を計測できるケルビンプローブフォース顕微鏡(KPFM)を基軸として、ナノスケールの流体現象の物理を解明することを目的としている。本年度は、液滴近傍の固気界面の帯電状態の観察を行った。具体的には、厚さ300nmの熱酸化シリコン膜がついたシリコン基板上にグリセロール液滴を滴下し、その接触線近傍をKPFM計測すると、周囲100マイクロメートルにわたって最大1.0Vほど負に帯電する領域があることがわかった。これは平行平板間コンデンサモデルで表面電荷密度に変換するとおよそ-56μC/m2で、電子数密度では350個/μm2である。液滴を動かすと帯電領域も一緒に移動することから、単純な固液摩擦帯電とは異なる物理が働いていることが推測される。さらに、三相接触線をまたいだ固液界面・固気界面の同時電位計測を可能にする架橋グラフェンセルの実験準備も行った。当初はマイクロポーラスTEMグリッドにグラフェンを転写する予定であったが、実験手順の簡素化のために市販の単層グラフェンフィルムTEMグリッドで代用した。厚み0.335nmの極めて薄い架橋グラフェン膜でありながら、計測パラメータを慎重に調整することで、探針で貫くことなく計測できる技術を確立した。

相界面や接触線は、固体―液体―気体の各相が相互作用しあうため実験的調査が困難であり、その工学的重要性にもかかわらず多くの物理が未解明である。特に固液界面・接触線の帯電現象は流動発電といったグリーンエネルギーと密接にかかわるが、どういった条件で・どのような帯電状態になるか、何もわかっていないと言っても過言ではない。本研究では、表面電位を計測できるケルビンプローブフォース顕微鏡(KPFM)を基軸として、ナノスケールの流体現象の物理を解明することを目的としている。本年度は、液滴近傍の固気界面の帯電状態の観察を行った。具体的には、厚さ300nmの熱酸化シリコン膜がついたシリコン基板上にグリセロール液滴を滴下し、その接触線近傍をKPFM計測すると、周囲100マイクロメートルにわたって最大1.0Vほど負に帯電する領域があることがわかった。これは平行平板間コンデンサモデルで表面電荷密度に変換するとおよそ-56μC/m2で、電子数密度では350個/μm2である。液滴を動かすと帯電領域も一緒に移動することから、単純な固液摩擦帯電とは異なる物理が働いていることが推測される。さらに、三相接触線をまたいだ固液界面・固気界面の同時電位計測を可能にする架橋グラフェンセルの実験準備も行った。当初はマイクロポーラスTEMグリッドにグラフェンを転写する予定であったが、実験手順の簡素化のために市販の単層グラフェンフィルムTEMグリッドで代用した。厚み0.335nmの極めて薄い架橋グラフェン膜でありながら、計測パラメータを慎重に調整することで、探針で貫くことなく計測できる技術を確立した。