水銀―サファイア界面における前駆濡れ臨界揺らぎの直接観測

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ガラス板上に水銀をのせると球形の液滴になる。この現象は、水銀がガラスなどセラミクスに濡れないことを端的に示すものである。ところが最近、液体-気体臨界点近傍では水銀がサファイアに濡れることが我々の研究グループにおいて見出され、しかも、この濡れ現象はprewetting, transition(前駆濡れ転移)と呼ばれる一次相転移として起こることが明らかになった。前駆濡れ転移固有の臨界点はバルク水銀の臨界点より低温・低圧の1468℃・159MPaにある。本研究では上記の研究の更なる発展として、水銀-サファイア系の前駆濡れ臨界点近傍における界面のゆらぎに着目した。界面のゆらぎを直接に検出する手段として、試料からの熱輻射強度の測定を用いた。これは、物体からの熱輻射強度に散漫散乱項が含まれていることに着目して本研究代表者自らが考案した方法である。さらに、コリメーター系を工夫して試料セル各部からの熱輻射を空間的に分解することにより、より高精度のデータを得た。この測定により、前駆濡れ転移の超臨界相において、熱輻射強度に臨界揺らぎに対応するシャープな谷が現れることが見出される。熱輻射強度に含まれる散漫散乱の断面積は、界面揺らぎの2点相関関数で表されるが、本研究では散乱の波長依存性を測定することにより、界面揺らぎの面内方向への波数依存性を求めた。これにOrnstein-Zernike型の波数依存性を仮定することにより、ゆらぎの相関長や界面の粗さ等を求めた。その結果、臨界ゆらぎが最も大きくなる領域で、面内方向の相関長が数百ナノメートルのオーダーに達することがわかった。これは、濡れ層の厚み(数十ナノメートル)よりもはるかに大きい値である。さらに、水銀濡れ層にレーザーを照射したときに散乱される光強度の時間変動を調べる動的光散乱法の装置を開発した。これにより、濡れ層の表面張力波などのダイナミクスを高精度で調べることが可能となった。