固-液ぬれ現象における接触角のアトムスケール計測と分子動力学的検討

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固-液界面における接触角はミクロ(アトミック)サイズで見た場合とマクロサイズ(SEM以上でみた場合で異なるという考え方があるが,それを具体的に明らかにした例はない.ミクロ接触角の実験的な計測が難しいためである.しかし近年,原子間力顕微鏡の登場により,表面原子配列の観察が可能になってきた.そこで本研究では,超高真空-原子間力顕微鏡(UHV-AFM,すでに保有している)を用いて,固-液接触角のアトムスケール計測を行うことにした.超高真空-原子間力顕微鏡を用いて,固-液接触角のアトムスケールにおける計測を行う.このAFMは表面の原子配置を計測できる.但し,その装置の性能をフルに発揮するためには除振システムを現状よりも強力にする必要がある事が分かった.本研究では除振システムの組み込みにも力をさいた.表面酸化などの汚染による影響を避けるため,基板の上にろう材を乗せた試料を超高真空・原子間力顕微鏡(AFM)チャンバー内で加熱・溶解させ,分析する試料を用意する.温度分布は熱電対や赤外線センサーで測定する.試料は超高真空容器内から出さず,超高真空マニュピレーターで操作し,アトムスケールの接触角を計測する.表面の汚染の影響を除くことができる.界面の化学結合状態に関しては,透過電子顕微鏡(現有)もしくはマイクロオージェ電子分光装置(現有)で情報を得る.異なるぬれ形態を示す材料の組み合わせに対しAFM計測を行い,電子状態の観点からそれを分類する予定であった.このうち,AFM計測は予想よりはるかに困難である事がわかった.AFMチップと試料の相互作用をよく理解した上で,計測結果にフィルター処理を施す必要があることがわかった.そのための準備として,弾性接触論に界面および表面同士の原子間相互作用を考慮に入れたモデルをつくり、接触状況の把握につとめた.その結果,上記の計測では少なくとも十原子以上の接触半径を保ちながら計測されることが示唆された.原子レベルの分解能を得るには,何らかのフィルタリングが必要であることがわかったが,実際にそのフィルタをつくるにはいたらなかった.今後の研究が期待される.一方,ぬれの駆動力の大きさを統計力学的に検討した.アイリングの絶対反応速度論から導かれる速度で計測結果を矛盾無く説明できた.従来の粘性がぬれ速度を律速するモデルは無意味である可能性が出てきた.