2018 Fiscal Year Annual Research Report
Atomic force microscopy characterization of hydrogen bonding at the single atomic level
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17K19024
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
塩足 亮隼 東京大学, 大学院新領域創成科学研究科, 助教 (50755717)
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| Project Period (FY) |
2017-06-30 – 2019-03-31
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| Keywords | 原子間力顕微鏡 / 走査トンネル顕微鏡 / 水素結合 / 表面・界面物性 / 単原子力学計測 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、個々の水素結合の力の大きさと分布を高空間分解能で定量測定する手法の確立を目的とした。２つの原子間にはたらく微小な力を検出することができる非接触式原子間力顕微鏡（AFM）を用いて、表面上に吸着した分子と探針先端原子との間に働く個々の水素結合力の検出を試みた。
昨年度作製した様々な分子修飾探針を用いて、金属表面の水分子をはじめとする様々な分子吸着系を測定した。AFMによる高空間分解能観察によって吸着分子の構造を特定するとともに、探針-試料間に働く力の計測を実施した。しかしながら、大きな水素結合力が働く系の計測は極めて困難であり、その一因として、探針先端の分子種が化学的に活性であると表面分子と反応して構造が変化してしまうことが示された。反応性の高い吸着種の計測手法の確立が今後望まれる。
一方、分子修飾探針を用いることで、単原子間に働く斥力トルクを利用した分子スイッチ系の動作とその原理解明に成功した。具体的には、銅表面上に垂直に吸着した一酸化窒素(NO)に分子修飾探針を十分接近させると、表面分子の酸素原子と探針先端原子との間にパウリ斥力が生じ、表面NO分子が押し倒されて配向変化することを明らかにした。AFMによって原子間力の空間分布を明らかにし、その配向変化に必要な斥力トルクを見積もることに成功した。微小な原子間力の空間的計測から分子ダイナミクスを解明した本研究の知見から、今後、水素結合を含む様々な化学結合力の単原子レベル定量計測による結合状態の評価や元素同定、さらに、そのような原子間力を活用した単分子マシン・単分子デバイスの開発が進むことが期待できる。
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