(3D-FM-AFM)で有害なタンパク質、バクテリア、菌類に対するシリコンナノ粒子の耐汚損性をつかさどるメカニズムを解明する焦げ付かないフライパンなどは、有機物質が表面に付着するのを防ぐ技術の一例だ。社会を広く見渡すならば、台所用品や手術器具、あるいは医療現場の環境、船体の外板などに、バクテリアやその他のいわゆる「汚損生物」が付着するのを防ぐ技術の開発は、見過ごされがちだが、社会的意義の大きい、極めて重要な研究分野である。病院での院内感染は死につながることがあり得る。船体に付着するヘドロや藻類は、船と水の間により大きな摩擦を起こし、燃料費の増大や大気中への汚染ガス排出の増加につながる。これらの例は、汚損防止技術に関する研究が、世界規模で社会の利益につながることをはっきり示していると言えよう。現在、防汚塗料として重金属を含んだ毒性化合物が広く使われているが、環境への影響を懸念する声があるほか、使用する重金属への耐性を持つ有機体の出現といった問題も生じている。これらの問題をクリアーし、環境にやさしい防汚材料を作る革新的な方法について、さらなる研究が必要となっているのだ。この研究の大きなハードルの一つは、水和層など、ある材料の防汚性能をつかさどる基本的メカニズムの理解が欠如している点だ。親水性のある材料であっても必ずしも防汚作用を示さないが、その機構は不明だ。そこで、福間教授らNanoLSIのグループは、オーストラリアの研究者たちと、次世代の防汚材料として期待されるグリシドキシプロピルトリメトキシシランの機能を持たせたシリコンナノ粒子(SiNPs)が防汚作用を示す原因について、共同研究を行った。(3D-FM-AFM)を用いて、SiNPsを包む界面水の3次元構造を、単一のSiNP上で観察し、ナノスケールの範囲で働いている力を測定した。「私たちが開発した3D-FM-AFM技術は、マイカ(白雲母)などの表面の水和層を検出することができます。nmにある層のイオンとエネルギーの3次元分布を計測することもできます。範囲で3次元画像を撮影しました」。福間教授らは、この研究で、SiNP表面上の親水性エポキシオルガノシラン基と水分子の相互作用が、SiNPに防汚性を与える「準安定の」(不安定な)層を生み出すことを発見した。「この成果によって、他の防汚材料の開発に、確かな科学的根拠を与えられるのではないかと期待しています」。オープンループ電位顕微鏡で銅やステンレス表面の腐食電池の分布を直接観察する金属の腐食は、産業界にとって大きな経済的課題だ。化学工場や原子力発電所の建設に使われるステンレス鋼の腐食は、その顕著な例と言えるだろう。他にも、これはあまり知られていないが、ステンレス鋼と同様に重要な金属として、半導体デバイスの微細配線に使われる銅がある。自動車やロボットに広く使われるアルミや軽量合金もある。いずれの場合も、腐食による経済的損失は非常に大きい。電気化学測定に基づいたこれまでの研究では、金属の腐食は、金属表面のアノード領域とカソード領域から成る「局部電池」の形成につながることが示されている。電子顕微鏡や原子間力顕微鏡を用いた研究では、腐食前後の金属の組成や構造の変化が観察されてきた。局部電池形成のin-situ解析や画像撮影については、これまで成功していない。そこで、福間教授らのグループは、荏原製作所及び日立製作所と共同し、腐食電池のナノスケール画像撮影のため、「オープンループ電位顕微鏡(OL-EPM)」を開発した。この手法では、AFMのカンチレバーと試料の間に、高い周波数を持つ交流(AC)電圧を与えて測定を行う。カンチレバーに伝わる振動の振幅を検出することで、金属表面の電位を求めるのだ。「今回、OL-EPMを使って、銅線表面の局所腐食電池の2次元分布と、塩化ナトリウム電解液中で鋭敏化した2相ステンレス鋼の腐食挙動を、直接可視化することに成功しました」。この研究では、以下の2点が明らかとなった。異なる結晶方位を持つ結晶粒の間に形成され、その後、銅線の中心と両端において形成されることが観察された。鋭敏化した2相ステンレス鋼については、表面構造が全く変化しないにも関わらず、局所腐食電池が存在することが、OL-EPMによって得られた観測画像によって示された。「OL-EPMは、金属の腐食反応だけではなく、電池電極反応や触媒反応などの酸化還元反応といった、ナノスケールでの電気化学反応の分析に役立つものと期待しています」。3次元オープンループ電位顕微鏡で金属—電解質界面の電荷蓄積を直接観察する電極・電解液界面で形成される電気2重層(EDL)についてナノスケールで理解することは、電気2重層キャパシタ(コンデンサ)やスピントロニックデバイスなどの電子デバイスの開発に役立つだけではなく、腐食の機構や付着のメカニズムを理解するためにも重要だ。そこで、福間教授と荏原製作所は、前出のオープンループ電位顕微鏡(OL-EPM)を用いて、電解液中の銅箔、プラチナ箔、金箔上部の電気2重層に蓄積された電荷の3次元イメージングを行った。その成果について、「分極性電極や非分極性電極など、様々な電界をもつゼータ電位プロファイルの逆蓄積挙動を可視化することができました。おける電荷蓄積について、そのナノスケール分布を可視化することに成功しました」。福間教授はそう語った。「この研究は、電子工学や化学の分野において、電荷が蓄積するメカニズムを解析する、新たな手法を示すものとして、期待されています」。(学内専用)アクセスAccessお問い合わせLanguage:▼JPEN。