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2014 年度 実績報告書

非接触原子間力顕微鏡による柔らかな分子系の超解像度イメージング技術の確立

公募研究

研究領域理論と実験の協奏による柔らかな分子系の機能の科学
研究課題/領域番号 26104540
研究機関独立行政法人物質・材料研究機構

研究代表者

清水 智子  独立行政法人物質・材料研究機構, その他部局等, 主任研究員 (00462672)

研究期間 (年度) 2014-04-01 – 2016-03-31
キーワード走査プローブ顕微鏡 / 表面・界面物性 / 有機分子
研究実績の概要

複雑な分子系の機能を深く知り制御するには、その構造と柔らかさ(力学的特性)や電子物性を原子レベルで理解する必要がある。近年の非接触原子間力顕微鏡(NC-AFM)技術の発展により、様々な種類の表面の原子像や小さく平坦な有機分子内部のC-C 結合やC-H 結合が原子解像度で可視化できるようになっている。本研究では、3次元的な大きく柔らかな分子系でも超解像度イメージングを可能とする手法を開発することを目的としている。
初年度は、3次元的な分子系でも安定してイメージングができる手法として同じ走査ラインを2回なぞる「2パス法」を提案し、イメージング法の最適化を3次元分子の代表であるフラーレンC60を用いて実験した。最適パラメータを決定する方法として、イメージングを繰り返して徐々に探針を分子へ近づける方法と力分光に基づくものの2種類を見出し、それぞれ検討した。
また、上記提案の手法の有用性を示すため、ペンタセン分子がアナターゼ酸化チタン表面(101)に吸着した系で検証した。基板の原子解像度と分子内解像度を同時に達成することに成功し、吸着サイトと構造モデルの予測に有効であることが示された。ここで得られたモデルは第一原理計算のインプットとして利用し、構造最適化を経て分子吸着状態の詳細を得ることに応用した。さらに、5ナノメートルの高低差がある表面での高解像度像も実証した。5原子層にまたがる広範囲でも全く問題なく本イメージング手法が適応できることが示されたため、非平面的に吸着した機能性分子や、高低差のある金属-分子の複合構造、さらに複雑な生体分子等への応用も可能であると期待される。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

1年目で3次元的な分子や表面系で基板表面の原子解像度と分子内解像度を同時に達成できる手法が確立されたため、これを2年目で生体分子等に応用していける。よっておおむね順調と考えている。

今後の研究の推進方策

1年目で確立した手法を生体分子の代表例であるポルフィリンやその構造異性体であるポルフィセン誘導体へ応用する。メチル基やカルボキシル基といった3次元的な部位が中心の平坦構造に足されている構造で、AFM探針とどのような相互作用をするか詳細は分かっていない。それぞれの官能基がAFM像でどう映るのか知ることで、他の分子での結像メカニズムも予測できると考えている。また、中心環の内部が金属ではなく水素原子が2個含まれている場合は、シス-トランスの互異性化反応も観察できると見込まれ、これまでSTMでのみ観測されていたプロトンの動きをAFMでどうやって捉えるかという課題にも挑戦したい。

  • 研究成果

    (9件)

すべて 2015 2014 その他

すべて 雑誌論文 (2件) (うち査読あり 2件、 謝辞記載あり 1件) 学会発表 (6件) (うち招待講演 1件) 備考 (1件)

  • [雑誌論文] Imaging Three-Dimensional Surface Objects with Submolecular Resolution by Atomic Force Microscopy2015

    • 著者名/発表者名
      Cesar Moreno, Oleksandr Stetsovych, Tomoko K. Shimizu, Oscar Custance
    • 雑誌名

      Nano Letters

      巻: 15 ページ: 2257-2262

    • DOI

      10.1021/nl504182w

    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Supramolecular Assembly through Interactions between Molecular Dipoles and Alkali Metal Ions2014

    • 著者名/発表者名
      Tomoko K. Shimizu, Jaehoon Jung, Hiroshi Imada, Yousoo Kim
    • 雑誌名

      Angew. Chem. Int. Ed.

      巻: 53 ページ: 13729-13733

    • DOI

      10.1002/anie.201407555

    • 査読あり
  • [学会発表] Atomic resolution imaging of soft molecular systems using scanning probe microscopy2015

    • 著者名/発表者名
      Tomoko K. Shimizu
    • 学会等名
      日本化学会第95春季年会
    • 発表場所
      船橋市, 日大船橋キャンパス
    • 年月日
      2015-03-26 – 2015-03-29
    • 招待講演
  • [学会発表] Imaging Three-Dimensional Surface Objects with Submolecular Resolution by Atomic Force Microscopy2014

    • 著者名/発表者名
      Tomoko K. Shimizu, Cesar Moreno, Oleksandr Stetsovych, Oscar Custance
    • 学会等名
      Pacific Rim Symposium on Surfaces, Coatings and Interfaces
    • 発表場所
      Hapuna Beach Prince Hotel, Kohala Coast,Hawaii,アメリカ合衆国
    • 年月日
      2014-12-07 – 2014-12-11
  • [学会発表] 非接触原子間力顕微鏡による柔らかな分子系の超解像度イメージング技術の確立2014

    • 著者名/発表者名
      清水智子
    • 学会等名
      柔らかな分子系 第2回公開シンポジウム
    • 発表場所
      豊中市, 大阪大学会館(大阪大学豊中キャンパス)
    • 年月日
      2014-11-28 – 2014-11-29
  • [学会発表] A General Method for Intra-molecular Resolution with Atomic Force Microscopy using commercial Si cantilevers2014

    • 著者名/発表者名
      Oleksandr Stetsovych, Cesar Moreno, Tomoko K. Shimizu, Oscar Custance
    • 学会等名
      7th International Symposium on Surface Science
    • 発表場所
      松江市, 島根県立産業交流会館(くにびきメッセ)
    • 年月日
      2014-11-02 – 2014-11-06
  • [学会発表] Supramolecular Assembly of Diarylethene via Ion-Dipole Interaction2014

    • 著者名/発表者名
      Tomoko K. Shimizu, Jaehoon Jung, Hiroshi Imada, Yousoo Kim
    • 学会等名
      7th International Symposium on Surface Science
    • 発表場所
      松江市, 島根県立産業交流会館(くにびきメッセ)
    • 年月日
      2014-11-02 – 2014-11-06
  • [学会発表] Three-dimensional Imaging with Sub-molecular Resolution by Cantilever-based Atomic Force Microscopy2014

    • 著者名/発表者名
      Cesar Moreno, Oleksandr Stetsovych, Tomoko K. Shimizu, Oscar Custance
    • 学会等名
      17th interantional Conference on non-contact Atomic Force Microscopy
    • 発表場所
      つくば市, つくば国際会議場
    • 年月日
      2014-08-04 – 2014-08-08
  • [備考] グループホームページ

    • URL

      http://www.nims.go.jp/nanomechanics/

URL: 

公開日: 2016-06-01  

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