Innovation in atomic-resolution AFM probes in liquid: An approach based on molecular precision design and single molecule analysis

Research Project

Project/Area Number	21K18871
Research Category	Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
Allocation Type	Multi-year Fund
Review Section	Medium-sized Section 28:Nano/micro science and related fields
Research Institution	Kanazawa University
Principal Investigator	Asakawa Hitoshi 金沢大学, ナノマテリアル研究所, 准教授 (90509605)
Co-Investigator(Kenkyū-buntansha)	古山渓行金沢大学, 物質化学系, 准教授 (30584528) 雲林院宏北海道大学, 電子科学研究所, 教授 (40519352)
Project Period (FY)	2021-07-09 – 2023-03-31
Project Status	Completed (Fiscal Year 2022)
Budget Amount *help	¥6,500,000 (Direct Cost: ¥5,000,000、Indirect Cost: ¥1,500,000) Fiscal Year 2022: ¥2,990,000 (Direct Cost: ¥2,300,000、Indirect Cost: ¥690,000) Fiscal Year 2021: ¥3,510,000 (Direct Cost: ¥2,700,000、Indirect Cost: ¥810,000)
Keywords	原子間力顕微鏡 / 液中原子間力顕微鏡 / AFM探針 / defocused imaging / 精密分子設計
Outline of Research at the Start	液中原子分解能を有する原子間力顕微鏡(AFM)の発展により、固液界面現象(触媒反応、分子吸着、結晶成長など)の微視的理解が大幅に進展することが期待される。本研究では、AFM探針の終端構造を単原子レベルで精密設計することで、液中原子分解能AFM像の解釈を「推測」から「原子・分子スケールで理解する」ことへ進化させる。この探針先端の精密設計により先端構造が一意に決まるため、再現性を大幅な向上や近年急速に進展している計算機シミュレーションとの連携もより強固になると期待される。
Outline of Final Research Achievements	We have synthesized candidate molecules with rigid frameworks for molecular tips and investigated their coupling reactions for fixing the molecular tips to the AFM tip apex. We demonstrated that the properties of fluctuation and deformation, which are important for using rigid skeletons as molecular tips, can be evaluated on a single molecule level using frequency-modulated AFM and three-dimensional scanning AFM. In the coupling reactions for immobilization on Si tips apex, cross-coupling reactions of silanol and phosphate groups with Si surfaces and immobilization of thiol molecules on the deposited Au layer were investigated. In addition, we demonstrated that rigid molecules could be reproducibly immobilized by cross-coupling reactions reported in the field of click chemistry, such as the Huisgen cycloaddition, and visualized by frequency-modulated AFM.
Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements	本研究で得られた成果は、液中原子分解能を有する周波数変調AFMや3D-AFMの再現性の大幅な向上に加えて、得られたAFM像に基づく界面構造・界面現象の微視的理解を深めることに繋がる。界面構造・界面現象の微視的理解が進展することで、固体触媒で反応が生じる界面の精密設計・精密制御やエネルギー関連物質の貯蔵・放出や環境浄化に使用できる高機能吸着材料の新規開発や高機能化に貢献することができると期待される。