固液界面の３次元構造変化を観察できる
高速３次元走査型力顕微鏡を開発

金沢大学 ナノ生命科学研究所（ＷＰＩ－ＮａｎｏＬＳＩ）の宮田 一輝 准教授、福間 剛士 教授、ＷＰＩ－ＮａｎｏＬＳＩ 海外主任研究員／フィンランド・アールト大学 応用物理学部のアダム・フォスター 教授らによる共同研究グループは、従来の１０倍以上の速度で固液界面構造を３次元かつサブナノスケール分解能で観察できる高速３次元走査型力顕微鏡（高速３Ｄ－ＳＦＭ）を開発しました。これを用いて、水中で溶ける方解石（ＣａＣＯ３、カルサイト）の表面とともに変化する界面の水の構造をサブナノスケールで観察することに成功しました。

固体と液体の境界となる空間（固液界面）は自然界の至る所に存在し、その界面の水は生物学、材料科学、地球科学などにおけるさまざまな現象で重要な役割を果たしています。例えば、地球科学の分野においては、鉱物の結晶成長・溶解過程に深く関与していることが知られています。このような現象の機構を原子・分子スケールで理解するためには、その界面の水の振る舞いを明らかにすることが望まれていますが、従来は直接観察できる計測技術がなく、その詳細はよく知られていませんでした。

今回、本研究グループでは、固液界面における水の振る舞いを３次元かつサブナノスケール分解能で観察できる高速３次元走査型力顕微鏡（Ｈｉｇｈ－ｓｐｅｅｄ ３Ｄ ｓｃａｎｎｉｎｇ ｆｏｒｃｅ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ：高速３Ｄ－ＳＦＭ）を開発しました。この技術を用いて、カルサイトが水中で溶ける様子を観察し、溶解過程の中間状態として単分子ステップに沿って形成される遷移領域上の水を捉えることに成功しました。さらにこの水の構造によって、遷移領域が安定的に形成されるメカニズムを明らかにしました。この高速３Ｄ－ＳＦＭ技術は、カルサイトだけでなくさまざまな鉱物、有機分子、生体分子の結晶成長・溶解、自己組織化、さらには金属腐食や触媒反応といった固液界面現象に影響を与える界面の水の構造や振る舞いの観察を可能とするものであり、幅広い学術・産業分野での研究の進展に貢献することが期待されます。

本研究成果は、２０２４年８月２６日（米国東部時間）に国際学術誌「Ｎａｎｏ Ｌｅｔｔｅｒｓ」のオンライン版に掲載されます。