界面液体のFM-AFM計測：固液界面における構造接続のメカニズム解明

2015 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 25286009
• 研究機関: 神戸大学
• 研究代表者: 大西 洋 神戸大学, 理学(系)研究科(研究院), 教授 (20213803)
• 研究分担者: 天野 健一 京都大学, 工学(系)研究科(研究院), 助教 (30634191)
• 研究期間 (年度): 2013-04-01 – 2016-03-31
• キーワード: 固液界面 / 表面界面 / 液体構造 / 原子間力顕微鏡 / 分子動力学シミュレーション / 統計力学 / 炭酸カルシウム / トライボロジー

研究実績の概要

固体と液体の接触面で、固体内に侵入できない液体分子が層状に整列する現象は「界面液体の構造化」として知られている（図1左）。構造化した界面液体が電荷移動・物質移動・化学反応・摩擦・伝熱などの現象に深く関係する可能性は1960年代から指摘されてきた。しかしながら、両側を凝縮相に挟まれた埋没界面に存在し、しかも軽元素からなる流体である界面液体の構造を実験的に計測することは簡単ではない。
代表者は原子間力顕微鏡で固液界面を走査し、顕微鏡探針が液体分子から受ける力の強弱分布を計測することで、不均一な界面液体を平均化せずに断面計測する可能性に着目して実験方法論の整備を進めてきた。本研究では固液界面に存在する「構造化した界面液体」の断面構造（界面垂直な平面にそった密度分布）を周波数変調方式の原子間力顕微鏡（FM-AFM）を使って計測した。
（1）固体表面が界面液体とどのように構造接続するか（2）界面液体がバルク液体とどのように構造接続するかを実験によって明らかにすることが目的である。同時に、計測に用いるAFM探針が計測結果におよぼす影響を統計力学的な考察と分子動力学シミュレーションを併用して評価する。固体と液体の化学組成と分子構造という構造要素（サイズ0.1-1 nm）が、界面液体層の大域構造（サイズ1-10 nm）を規制するメカニズムを分子論的に解明して、複雑系の理解と制御を指向する新世代のサイエンスとテクノロジーにとって意義あるコンセプトを提案することを目的とした。
最終年度であるH27年度は（1）FM-AFMに中性子反射率解析を組み合わせて潤滑界面の構造組成分析の方法論を開拓し（2）統計力学的な考察によって、原子間力顕微鏡探針が存在しない場合の界面液体構造を、原子間力顕微鏡による計測結果をもとに決定する手法を考案して有効性を実証した。

現在までの達成度 (段落)

27年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

27年度が最終年度であるため、記入しない。

次年度使用額が生じた理由

27年度が最終年度であるため、記入しない。

次年度使用額の使用計画

27年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [国際共同研究] アールト大学(フィンランド)
  • 国名: フィンランド
  • 外国機関名: アールト大学
• [雑誌論文] Transform Theory for Obtaining Number Density Distribution of Solvent Molecules or Colloidal Particles on a Substrate: A Theory for Atomic Force Microscopy (2016)
  • 著者名/発表者名: Ken-ichi Amano, Kazuya Kobayashi, Keisuke Miyazawa, Yunfeng Liang, Kota Hashimoto, Kazuhiro Fukami, Naoya Nishi, Tetsuo Sakka, Hiroshi Onishi, Takeshi Fukuma
  • 雑誌名: Physical Chemistry Chemical Physics 巻: 18 ページ: 未定
  • DOI: not yet determined
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] 液中ピコニュートン力学測定による液体構造計測へのアプローチ (2016)
  • 著者名/発表者名: 大西洋
  • 雑誌名: 顕微鏡 巻: 51 ページ: 未定
  • DOI: not yet determined
  • 査読あり
• [雑誌論文] The Structure of Uniaxially Stretched Isotactic Polypropylene Films: Imaging with Frequency-modulation Atomic Force Microscopy (2016)
  • 著者名/発表者名: Kiminori Uchida, Kazuki Mita, Osamu Matsuoka, Takeharu Isaki, Kenjiro Kimura, Hiroshi Onishi
  • 雑誌名: Polymer 巻: 82 ページ: 349-355
  • DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.polymer.2015.11.033
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] モンモリロナイト表面のカチオンの原子スケール観察 (2015)
  • 著者名/発表者名: 荒木優希, 佐藤久夫, 大西洋
  • 雑誌名: 表面科学 巻: 36 ページ: 398-402
  • DOI: http://doi.org/10.1380/jsssj.36.398
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Force Measurement Reveals Structure of a Confined Liquid: Observation of the Impenetrable Space (2015)
  • 著者名/発表者名: Ken-ichi Amano, Eisuke Tanaka, Kazuya Kobayashi, Hiroshi Onishi, Naoya Nishi, Tetsuo Sakka
  • 雑誌名: Surface Science 巻: 641 ページ: 242-246
  • DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.susc.2015.07.021
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [学会発表] Interfacial Liquids, Most Soft Materials Probed by Atomic Force Microscopy (2016)
  • 著者名/発表者名: Hiroshi Onishi
  • 学会等名: Seminar at Karlsruhe Institute of Technology
  • 発表場所: カールスルーエ（ドイツ）
  • 年月日: 2016-03-10
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Liquids at Interfaces, Most Soft Materials Probed by Atomic Force Microscopy (2016)
  • 著者名/発表者名: Hiroshi Onishi
  • 学会等名: Physikalisch-Chemisches Kolloquium, Institut für Physikalische Chemie
  • 発表場所: フライブルク（ドイツ）
  • 年月日: 2016-03-08
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 走査プローブ顕微鏡（SPM）の現状と水中観察への展開 (2016)
  • 著者名/発表者名: 大西洋
  • 学会等名: ニューガラスフォーラム第３回評価技術研究会
  • 発表場所: 日本ガラス工業センター（東京都・新宿区）
  • 年月日: 2016-01-29
  • 招待講演
• [学会発表] プローブ顕微鏡を利用したその場観察 (2015)
  • 著者名/発表者名: 大西洋
  • 学会等名: 励起ナノプロセス第11回研究会
  • 発表場所: 淡路夢舞台国際会議場（兵庫県・淡路市）
  • 年月日: 2015-12-22
  • 招待講演
• [学会発表] Molecular-Scale Change of the Hydration Structure of Calcite Surfaces due to Magnesium Ions Probed by FM-AFM (2015)
  • 著者名/発表者名: Yuki Araki, Hiroshi Onishi, Noriaki Oyabu, Kei Kobayashi, Hirofumi Yamada
  • 学会等名: The International Chemical Congress of Pacific Basin Societies (PACIFICHEM 2015)
  • 発表場所: ホノルル（アメリカ）
  • 年月日: 2015-12-15 – 2015-12-20
  • 国際学会
• [学会発表] Dolomites in Liquid Imaged by FM-AFM (2015)
  • 著者名/発表者名: Yuki Takata, Yuki Araki, Hiroshi Onishi
  • 学会等名: The 23rd International Colloquim on Scanning Probe Microscopy
  • 発表場所: ヒルトンニセコビレッジホテル (北海道・虻田郡）
  • 年月日: 2015-12-10 – 2015-12-12
  • 国際学会
• [学会発表] カルサイトの分子ステップ端の水和構造観察－炭酸カルシウム結晶のバイオミネラリゼーションのメカニズム解明に向けて－ (2015)
  • 著者名/発表者名: 荒木優希, 塚本勝男, 大藪範昭, 小林圭, 山田啓文
  • 学会等名: 日本顕微鏡学会走査型プローブ顕微鏡分科会「SPMによる高速走査の可能性と応用」
  • 発表場所: 湯沢ニューオータニホテル（新潟県・南魚沼郡）
  • 年月日: 2015-12-06 – 2015-12-07
• [学会発表] Interfacial Liquids, Most Soft Materials Probed by AFM (2015)
  • 著者名/発表者名: 大西洋
  • 学会等名: 表面・界面スペクトロスコピー2015
  • 発表場所: 国立女性教育会館（埼玉県・比企郡）
  • 年月日: 2015-11-27 – 2015-11-28
• [学会発表] Liquids at Interfaces, Most Soft Materials Probed by Atomic Force Microscopy (2015)
  • 著者名/発表者名: Hiroshi Onishi
  • 学会等名: Kobe Mini-Symposium on Functionalized Organic Molecules
  • 発表場所: 神戸大学（兵庫県・神戸市）
  • 年月日: 2015-11-05
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Heteroepitaxy at Liquid-Solid Interfaces (2015)
  • 著者名/発表者名: Hiroshi Onishi
  • 学会等名: Joint ACRITAS & MAINZ Summer School, Investigating the Solid-Liquid Interface
  • 発表場所: マインツ（ドイツ）
  • 年月日: 2015-09-14 – 2015-09-17
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] The Identification of Cation at the Dolomite Surface in Liquid by FM-AFM (2015)
  • 著者名/発表者名: Yuki Takata, Yuki Araki, Hiroshi Onishi
  • 学会等名: Joint ACRITAS & MAINZ Summer School, Investigating the Solid-Liquid Interface
  • 発表場所: マインツ（ドイツ）
  • 年月日: 2015-09-14 – 2015-09-17
  • 国際学会
• [学会発表] 酸化物単結晶の表面における親水性 (2015)
  • 著者名/発表者名: 川崎聖治, 高橋竜太, 大西洋, Mikk Lippmaa
  • 学会等名: 第76回応用物理学会学術講演会
  • 発表場所: 名古屋国際会議場（愛知県・名古屋市）
  • 年月日: 2015-09-13 – 2015-09-16
• [学会発表] Atomic-Scale Change of the Hydration Structure of Montmorillonite Surfaces by Ion Exchange Probed by FM-AFM (2015)
  • 著者名/発表者名: Yuki Araki, H. Sato, Hiroshi Onishi
  • 学会等名: 18th International Conference on Non-Contact Atomic Force Microscopy (NC-AFM2015)
  • 発表場所: カシ（フランス）
  • 年月日: 2015-09-07 – 2015-09-11
  • 国際学会
• [学会発表] SrTiO3-Water Interface from First-Principles and Classical Molecular Dynamics Simulations (2015)
  • 著者名/発表者名: Peter Spijker, Eero Holmström, Seiji Kawasaki, Mikk Lippmaa, Hiroshi Onishi, Adam Foster
  • 学会等名: 18th International Conference on Non-Contact Atomic Force Microscopy (NC-AFM2015)
  • 発表場所: カシ（フランス）
  • 年月日: 2015-09-07 – 2015-09-11
  • 国際学会
• [学会発表] Organic Solvent Mixtures on Diamond-like Carbon Films Characterized with FM-AFM and Neutron Reflectivity (2015)
  • 著者名/発表者名: Shunsuke Suiko, Yuma Fujii, Hirofumi Takikawa, Tomoko Hirayama, Hiroshi Onishi
  • 学会等名: 18th International Conference on Non-Contact Atomic Force Microscopy (NC-AFM2015)
  • 発表場所: カシ（フランス）
  • 年月日: 2015-09-07 – 2015-09-11
  • 国際学会
• [学会発表] Interfacial Liquids, Most Soft Materials Probed by AFM (2015)
  • 著者名/発表者名: Hiroshi Onishi
  • 学会等名: Atomic Structure of Nanosystems from First-Principles Simulations and Microscopy Experiments (AS-SIMEX 2015)
  • 発表場所: ヘルシンキ（フィンランド）
  • 年月日: 2015-06-09 – 2015-06-11
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] モンモリロナイト表面におけるカチオン交換の原子スケールその場観察 (2015)
  • 著者名/発表者名: 荒木優希, 佐藤久夫, 大西洋
  • 学会等名: 日本地球惑星科学連合2015年大会
  • 発表場所: 幕張メッセ（千葉県・千葉市）
  • 年月日: 2015-05-26 – 2015-05-27
• [学会発表] Solvation at Liquid-Solid Interface Observed by AFM, Experimental (2015)
  • 著者名/発表者名: Hiroshi Onishi
  • 学会等名: Informal Seminar, Liquid-Solid Interface
  • 発表場所: 東京大学（千葉県・柏市）
  • 年月日: 2015-04-23
  • 招待講演
• [備考] 神戸大学 理学研究科化学専攻 大西研究室
  • URL: http://www.edu.kobe-u.ac.jp/sci-onishi/index.html
• [備考] 神戸大学 理学研究科化学専攻 大西研究室（英語版）
  • URL: http://www.edu.kobe-u.ac.jp/sci-onishi/index-E.html
• [備考] 神戸大学 理学研究科化学専攻 大西研究室（中国語版）
  • URL: http://www.edu.kobe-u.ac.jp/sci-onishi/index-C.html
• [備考] 神戸大学 理学研究科化学専攻 大西研究室（韓国語版）
  • URL: http://www.edu.kobe-u.ac.jp/sci-onishi/index-K.html