2014 Fiscal Year Annual Research Report
高速・高安定3次元走査型力顕微鏡による水和・揺動構造変化のサブナノスケール計測
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25706023
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| Research Institution | Kanazawa University |
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Principal Investigator |
福間 剛士 金沢大学, 電子情報学系, 教授 (90452094)
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| Project Period (FY) |
2013-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | 原子間力顕微鏡 / 原子分解能観察 / 固液界面現象 / カルサイト / 結晶溶解 / 3次元計測 / 水和構造 / 揺動構造 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、3次元走査型力顕微鏡（3D-SFM）の動作速度・安定性を飛躍的に向上させ、固液界面現象に伴って生じる水和・揺動構造の時間変化を直接観察することを目標としている。本年度は、高速化の鍵となる小型カンチレバーを、液中高分解能観察に実用化するために、電子線堆積カーボン探針の作製プロセスの最適化に継続して取り組んだ。その結果、探針の強度向上や再現性向上などの成果が得られた。これらの成果をまとめて論文として公表した。また、高速な走査を実現するために、探針および試料スキャナの改良にも取り組み、共振周波数の改善と、実用性の向上を達成した。これらの成果についても論文として公表した。一方、開発した高速AFMにより、カルサイトの結晶溶解過程に伴って生じる原子レベルの構造変化を直接観察することに成功した。さらに、得られたAFM像から、原子ステップ近傍に、従来知られていなかった幅2 nm程度の遷移領域が存在することが確認された。多数のイメージングの結果を総合すると、これは、ステップ端を構成していたイオンが水和して、それが吸着してできた水和イオン吸着層に相当するものと考えられ、その原子レベルのモデルを提案した。今後、シミュレーショングループとも協力して、その理論的サポートが得られ次第、論文として公表する予定である。一方、高速AFMの3次元化にも継続して取り組んでおり、予備的な実験の結果、数秒／フレーム程度での3次元観察が可能であることを確認した。しかし、現状では、短時間に取得される大量のデータを、リアルタイムにどのように保存、表示するのかといった課題が残されており、その解決に取り組んでいる。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本年度は、小型カンチレバーの実用化を目標としていたが、それを概ね実現し、その成果を論文として公表した。また、高速AFMに3次元計測機能を付加し、高速3次元計測を実現することも目標としていたが、実際に、それに取り組み、基本動作の確認までは実現した。さらに、高速AFMによるカルサイト結晶溶解過程の観察において、従来の結晶溶解モデルに大幅な修正を提案できる、非常に重要な研究成果が得られた。これは、当初の計画では予定されていなかった部分であり、予定以上に研究が進捗し、得られた成果である。一方で、膜タンパク質の光応答を計測するために、その試料調整に取り組み始める予定であったが、上記のカルサイトの実験において、非常に重要な発見があったために、そちらに応用研究対象をシフトした結果、こちらの進捗は得られなかった。以上より、総合的に判断して、おおむね順調に研究は進捗しているものと判断する。
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| Strategy for Future Research Activity |
高速AFMによるカルサイト溶解過程の観察については、おおむね実験は終了しているので、シミュレーションの研究グループと協力して、提案する水和イオン吸着層のモデルに対する理論的なサポートが得られ次第、論文としてまとめて公表する。一方で、それと並行して結晶成長過程の観察にも取り組む。これは、溶解過程に観察された遷移領域が成長過程においても存在するかどうかということの検証の目的で取り組む。ただし、カルサイトの成長条件下では、探針先端にもカルサイト結晶が成長する傾向があり、困難が予想される。あまりにも困難な場合には、この課題は当初の目的から離れてしまうので、途中で見切りをつけるつもりである。一方、高速3次元AFMについては、これまで開発してきた計測部に、実用的なレベルのデータ収録、表示、解析部を開発して追加する。そして、カルサイト結晶溶解過程において、ステップ端近傍で生じる3次元水和構造変化を時間分解計測する。これと並行して、当初予定していたバクテリオロドプシンの2次元結晶の光応答に伴って生じる水和構造変化を可視化するために、まず、試料作製や3次元水和構造観察の条件出しに取り組む。
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