高速３次元走査型力顕微鏡の開発と固液界面現象の時間発展計測への応用

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本研究では、液中において試料表面を高速かつ原子分解能で観察できる高速周波数変調原子間力顕微鏡（高速ＦＭ－ＡＦＭ）による応用計測と、試料表面の水和構造を直接可視化できる３次元走査型力顕微鏡（３Ｄ－ＳＦＭ）の高速化に取り組んできた。本年度は、高速ＦＭ－ＡＦＭを用いたカルサイト（ＣａＣＯ３）の結晶溶解メカニズムの解析及び高速３Ｄ－ＳＦＭシステムの開発を行った。これまでにもカルサイトの表面は、様々な顕微鏡法や分光法によって計測が行われてきたが、従来の計測技術では空間分解能もしくは時間分解能が不足しており、溶液中におけるステップの挙動を原子スケールでその場観察することが難しかった。本研究では、液中おいて原子分解能観察が可能なＦＭ－ＡＦＭについて、全ての要素を高速化・広帯域化することで、純水中におけるカルサイトの溶解過程を１フレーム２秒で観察することに成功した。また、原子ステップに沿って、数ナノメートル程度の幅のテラスとは異なる構造を持つ遷移領域が存在することを初めて確認した。この遷移領域についてＭＤシミュレーションによる解析を行った結果、水分子がＣａイオンに対して解離吸着することで生成されるＣａ（ＯＨ）２の可能性が極めて高いことが明らかとなった。このように、高速ＦＭ－ＡＦＭを用いた固液界面における原子分解能その場観察によって、結晶溶解に関する新たな知見が得られることを示した。加えて、本研究では高速３Ｄ－ＳＦＭの開発も行った。ＦＭ－ＡＦＭは水平走査によって表面構造を計測する技術であるが、３Ｄ－ＳＦＭは水平走査に加えて垂直走査を行い、固液界面を３次元的に観察する技術である。本研究では高速ＦＭ－ＡＦＭのコントローラを改良することで高速３Ｄ－ＳＦＭを実現した。この技術を用いて結晶溶解など固液界面現象における水和構造変化を可視化することで、メカニズムの解明に貢献できると考えられる。