透過電子顕微鏡を用いた水溶液直接観察に基づく、氷核生成ダイナミクスの解明

本研究では、透過電子顕微鏡を用いて水中における氷核生成ダイナミクスを解明する事を目的とする。透過電子顕微鏡を用いて液体を直接観察するには、電子ビームを透過する薄膜を用いて液体の蒸発を防ぐ溶液セルを用意する必要がある。従来は窒化ケイ素薄膜が用いられてきたが、厚みの制約により本研究の達成に足る空間分解能を得る事は難しい。そこで、グラフェンを薄膜として用いた溶液セルの作製を行った。グラフェンを転写した観察用グリッドを二つ用意した。片方のグリッドに水を滴下し、グラフェンを向かい合わせる形で水を挟み込んだ。本方法で作製した場合は包摂した水に高い圧力がかかることが知られており、冷却時における結晶化の有無やその構造について議論が続けられている。作製した溶液セルを実際に冷却したところ、氷の結晶化を示す回折は確認されなかった。一方、より大容量の溶液セルを偶発的に作製できることがあった。溶液セルが大容量になることでセル内部の圧力が緩和されることが期待される。そこでまずグラフェンの転写方法を改善し、液面に浮遊しているグラフェンを、予めグラフェンを支持させたグリッドですくうことでグラフェン溶液セルを作製した。グラフェン転写時に必須となるエッチング水溶液を直接包摂した場合には、大容量の溶液セルを再現できた。類似する組成の水溶液を包摂した場合にも同様の結果が得られ、グラフェン溶液セルの設計には包摂する液体に着目することが重要であることがわかった。

本研究では、透過電子顕微鏡を用いて水中における氷核生成ダイナミクスを解明する事を目的とする。透過電子顕微鏡を用いて液体を直接観察するには、電子ビームを透過する薄膜を用いて液体の蒸発を防ぐ溶液セルを用意する必要がある。従来は窒化ケイ素薄膜が用いられてきたが、厚みの制約により本研究の達成に足る空間分解能を得る事は難しい。そこで、グラフェンを薄膜として用いた溶液セルの作製を行った。グラフェンを転写した観察用グリッドを二つ用意した。片方のグリッドに水を滴下し、グラフェンを向かい合わせる形で水を挟み込んだ。本方法で作製した場合は包摂した水に高い圧力がかかることが知られており、冷却時における結晶化の有無やその構造について議論が続けられている。作製した溶液セルを実際に冷却したところ、氷の結晶化を示す回折は確認されなかった。一方、より大容量の溶液セルを偶発的に作製できることがあった。溶液セルが大容量になることでセル内部の圧力が緩和されることが期待される。そこでまずグラフェンの転写方法を改善し、液面に浮遊しているグラフェンを、予めグラフェンを支持させたグリッドですくうことでグラフェン溶液セルを作製した。グラフェン転写時に必須となるエッチング水溶液を直接包摂した場合には、大容量の溶液セルを再現できた。類似する組成の水溶液を包摂した場合にも同様の結果が得られ、グラフェン溶液セルの設計には包摂する液体に着目することが重要であることがわかった。