2 表面技術 小特集 : 固液界面における in-situ 観察の最前線 液中 AFM を用いた原子 分子スケール固液界面計測 福間剛士 a 金沢大学 WPI ナノ生命科学研究所 ( 石川県金沢市角間町 ) Atomic- and Molecular-Scale Measureme

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1 ．はじめに

　原子間力顕微鏡（AFM：Atomic Force Microscopy）^1）は，原子・

分子スケールの分解能で表面の構造や物性分布を計測できる 分析技術である。AFMは，大気，真空，液中といった幅広 い環境中で動作する点や，試料の導電性，磁性を問わずに用 いることができる点から，極めて汎用性の高い技術として知 られている。特に，液中で絶縁体を原子スケールで観察でき るという特徴は，数あるナノ計測技術の中でもAFMだけが 持つユニークなものである。この特徴は，絶縁性の試料を対 象とする化学，生物学，地球科学などの分野で特に有用である。

　近年，液中AFMによる高分解能計測技術には目覚ましい 進展があった。例えば，従来 1 分程度の時間を要していた液 中原子分解能観察が 1 秒／フレーム程度まで高速化され，結 晶成長・溶解過程のその場観察が可能となってきた^2）。また，

従来 2 次元的だったAFMにおける探針走査方法を 3 次元化 し，固液界面で揺動する水分子や表面構造の 3 次元分布をサ ブナノスケール観察できる技術が開発された^3）。さらに，固 液界面における電位分布をナノスケールで計測する技術が開 発され^4），電気化学反応が生じる活性サイトのナノスケール 分布やその経時変化を可視化できるようになった^5）。これら の技術は，様々な固液界面現象のナノレベルでのin-situ解析 を可能とするものであり，現在，幅広い学術・産業分野への 応用が期待されている。本稿では，これらの最新技術の原理

と応用事例について解説する。

2 ．液中周波数変調

AFM

FM-AFM

　AFMには，いくつかの異なる動作モードがあり，それぞ れに長所・短所があり，現在でもそれらが目的に応じて使い 分けられている。なかでも，周波数変調AFM（FM-AFM）^6）は，

最も空間分解能が高い動作モードとして知られている。歴史 的には，FM-AFMは超高真空中で原子スケールの高分解能 観察を行うために専ら用いられていたが，2005 年に筆者ら が液中原子分解能観察を報告したことを契機に^7），世界中の 数多くの研究グループでその液中応用が模索され初めた。

　FM-AFMでは，鋭くとがった探針を先端に有する片持ち 梁（カンチレバー）を力検出器として用いる（図 1a）。カンチ レバーをその共振周波数（f0）近傍の周波数で機械的に振動さ せ，探針を試料に近づけると探針－試料間に相互作用力が働 き，カンチレバー振動系の共振周波数がシフトする。この周 波数シフト量を検出し，それを一定に保つように探針－試料 間距離を制御する。この状態で，探針を試料に対して水平方 向に走査すると，探針は試料表面の凹凸をなぞるように上下 するため，その際の探針の軌跡から表面形状像を得ることが できる。図 1bは，純水中でFM-AFM観察したマイカ（雲母）

のへき開表面の原子分解能観察像である^3）。この図から，個々 の原子に相当する凹凸構造が明瞭に観察されていることが分

液中 AFM を用いた原子・分子スケール固液界面計測

福　間　剛　士^a

a金沢大学 WPIナノ生命科学研究所（〒 920︲1192　石川県金沢市角間町）

Atomic - and Molecular - Scale Measurements at Solid - Liquid Interfaces by Liquid - Environment AFM

Takeshi FUKUMA

a WPI Nano Life Science Institute, Kanazawa University (Kakuma-machi, Kanazawa-shi, Ishikawa 920-1192)

Keywords : Atomic Force Microscopy, Solid-Liquid Interfaces, Crystal Growth and Dissolution, Hydration Structure, Metal Corrosion

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図 1　 （a）FM-AFMの原理．（b）水中で取得したマイカ表面のFM-AFM像^3）

液中AFMを用いた原子・分子スケール固液界面計測 かる。

　2．2　生体分子のサブナノスケール観察

　FM-AFMは，絶縁体の表面を液中で原子分解能観察でき るという他に類を見ない特徴を持っている。この特徴は，導 電性を持たない生体分子やその集合体の構造を高分解能に観 察する必要のあるナノバイオサイエンス分野での研究に有用 であったため，これまでにも数多くの観察事例が報告されて いる。図 2aに示した例は，チューブリンと呼ばれるタンパ ク質分子の集合体を液中でFM-AFM観察したものである^8）。 黄色い破線で囲んだ部分が個々の分子に相当しており，その 内部構造が明瞭に観察されている。特に，白い矢印で示した 領域には約 0.5 nmピッチの周期構造が確認されるが，これ はαヘリックスと呼ばれるタンパク質二次構造のヘリカル ピッチによく一致している。このαヘリックスの位置が特定 で き た こ と に よ り，AFM像 と タ ン パ ク 質 の 構 造 モ デ ル

（図 2b）を比較することで，分子の配向を完全に決定するこ とができる。また，C末端の位置がAFM画像において明る い輝点であらわされた位置に相当することもわかる。このよ うな，サブナノスケールの表面構造観察は，従来の計測技術 では不可能だったものであり，本技術の有用性がうかがえる。

3 ．高速

FM-AFM

　固液界面では，溶媒，溶質分子はもちろん，表面を構成す る原子や分子でさえも静的な構造をとっているとは限らず，

むしろ動的に拡散，揺動している場合の方が多い。一方で，

従来のFM-AFMによる原子分解能観察は，観察速度が 1 分

／フレーム程度にとどまっていたため，秒オーダーで生じる 動的現象の計測には用いることができなかった。そこで我々 は，長年にわたってFM-AFMの高速化に取り組んできたが，

最近ようやくそれを実現し，約 1 秒／フレームの動作速度で

原子分解能観察が可能になってきた^2）。この高速化を実現す るために，我々は様々な要素技術を開発したが，それらは大 きく分けて 2 つの改良に分類できる。第一に，高速に探針を 走査しながら試料表面の凹凸を正確になぞるために，装置を 構成するほとんどすべての要素の帯域，遅延，共振周波数を 改善し，探針－試料間距離制御帯域を従来の 100 Hz程度か ら 10 kHz程度まで向上させた。そして第二に，高速観察を 実現できるほど測定帯域（B）を拡大した状態で，原子分解能 観察に必要な力分解能が得られるよう，力感度を大幅に改善 した。それを可能としたのが，図 3に示す小型カンチレバー である^9）。従来のカンチレバーは長さが約 150 μm程度で，

液中でのf0が 130 kHz程度であった。一方，我々が採用した 小型カンチレバーは長さが 10 μm程度，液中でのf0が約 3.5 MHzであり，f0が大幅に向上している。FM-AFMにおけ る力検出限界はf0が高いほど改善するため，これによって 5 kHz程度の帯域においても原子分解能観察に必要な約 10 pNの力分解能が得られるようになった。これは，従来の 約 50 倍に相当するため，原理的には我々の高速FM-AFMは，

全く性能を損なうことなく従来の約 50 倍の速度での高速観 察を実現できる。

　3．2　カルサイト溶解過程の原子スケールin-situ観察 　図 4に，カルサイト（CaCO3）結晶溶解過程を高速FM-AFM 観察した例を示す^2）。図において，右下から左上の方向に単 原子ステップが溶解により後退していく様子が観察されてい る。この像には，上下のテラスに挟まれるように幅 2 nm程 度の遷移領域がステップ端に形成されている様子が可視化さ れている。この構造は我々の観察によってその存在が初めて 確認されたものであるが，その後の詳細な分析の結果，カル サイトが溶解する過程で中間状態として形成されるCa（OH）2

の単分子層であることが分かってきた。このような中間状態 の存在は，カルサイト溶解機構の詳細な理解につながるほか，

図 2　 チューブリンの（a）液中FM-AFM像と（b）分子構造モデル^8）

図 3　（a）従来型および（b）小型カンチレバーのSEM像^9）

— 4 — 解  説 有機分子やイオンの添加による結晶成長・溶解制御法の精度

向上にもつながる。この例に見るように，高速FM-AFM観 察によって，従来見ることができなかった原子レベルの動態 観察が可能となったことで，今後，様々な材料の結晶成長・

溶解および自己組織化過程の理解と制御が進展するものと期 待される。

4 ．三次元水和・揺動構造計測技術 4．1　三次元走査型力顕微鏡（3D-SFM）

　固液界面では溶媒分子が固体表面と相互作用して，不均一 な 3 次元分布を示す。これを一般には溶媒和構造，水溶媒系 の場合には，水和構造と呼ぶ。また，固体表面の構造も必ず しも静的なものとは限らない。例えば，生体分子表面やポリ マーブラシで終端された表面などの場合，最表面の構造は液 中で熱揺動しており，これも時間的に平均すると 3 次元的な 空間分布を示す。これらの揺動する原子や分子のために，固 液界面は一般に表面に垂直な方向にナノスケールの厚みを もった 3 次元構造を示す。一方で，従来のAFMでは，図 5a に示すように，厚みを持たない 2 次元的な高さ分布像を可視 化する技術である。したがって，本質的に 3 次元的な分布を 持つ界面構造の情報を十分に取得することができない。

　我々は，この問題を解決するために 3 次元走査型力顕微鏡

（3D-SFM：Three-dimensional Scanning Force Microscopy）を 開 発した^3）。この方法では，従来のAFMと同様に探針を水平方向 に走査する間に，高速に垂直方向にも探針を走査する（図 5b）。

これにより，探針は 3 次元界面空間をくまなく走査され，そ の間に探針に印可される力の変化を記録することで 3 次元力 分布像が得られる。探針が走査される間，探針は，周囲を取 り囲む水分子やその他の揺動分子と常に相互作用しているた め，得られた 3 次元力分布像に見られるコントラストは，こ

れらの揺動分子の時間平均された空間分布を強く反映する。

　4．2　三次元水和構造観察

　図 6に示した例は，マイカ／水界面において取得した 3 次 元力分布像である^3）。この像には，水平方向に帯状に分布す るコントラストが見られるが，これは水和層に相当する分布 である。また，表面近傍には極めて明るいコントラストを示 す輝点のペアが見られるが，これらは探針先端原子と表面原 子との直接的な斥力の分布を表すものである。一方，それら の明るい輝点に挟まれるように，弱いコントラストの輝点が 見られる（矢印）。これらは，表面に吸着した吸着水の分布で ある。このような水和構造は，従来はシミュレーションで計 算するしかなかったが，本技術によってはじめて実験的に直 接観察することが可能となった。

　4．3　三次元揺動構造観察

　図 7に示した例は，脂質膜／水界面で取得した 3 次元力分 布像である^10）。脂質膜は，細胞の隔壁を成す細胞膜の基本 構造として知られる。脂質分子は，親水性の頭部と疎水性の 尾部から成り，水溶液中では自発的に二重膜を形成する。こ こで，脂質頭部は一般に熱揺動しているものと考えられてい るが，時間平均すると表面に垂直な方向からやや傾いた角度 を中心に分布しているものと予想されていた。図 7に示した 3 次元力分布像を見ると，水平方向に帯状に分布する水和層 に相当するコトンラストに加えて，表面に垂直な方向からや や傾いた角度で周期的に分布するストライプ状のコントラス トが見られており，上述の予測結果と良い一致を示している。

　このような分子揺動構造の計測には，様々な学術・産業分 野において大きな需要がある。古くから，潤滑，防汚，凝集 制御，結晶成長制御などの目的で，表面や界面に分子 1 層か ら数層程度の極めて薄い分子吸着層を形成する技術が多数開 発され，実用化されてきた。近年これらの表面・界面制御技 術を高度化するために，吸着層の構造を分子レベルで精密に 制御する方法が盛んに模索されている。それを実現するため

図 5　従来のAFMと 3D-SFMの動作原理^3）

図 6　マイカ／水界面の 3D-SFM像^3）

図 7　脂質膜／水界面の 3D-SFM像^10）

図 4　 カルサイト溶解過程の高速FM-AFM像とそのモデル

（2 s/frame）^2）

液中AFMを用いた原子・分子スケール固液界面計測 には，まず，吸着構造を評価する技術が必要であり，本技術

はその問題を解決し得る技術として期待されている。

5 ．液中電位分布計測技術 　5．1　オープンループ電位顕微鏡（OL-EPM）

　液中におけるナノスケールの電位分布は，様々な界面構造 や界面現象に大きな影響を及ぼすことが知られている。例え ば，タンパク質分子の折り畳み，分子間相互作用，摩擦，潤 滑，電気化学反応など，数多くの例を挙げることができる。

しかし，これまで電解液中においてナノスケールの電位分布 を直接計測できる技術がなかったために，これらの構造や反 応の機構について，ナノレベルでは十分に理解されていない ものが数多く残されている。

　大気・真空中においてナノスケールの分解能で表面電位分 布を計測できる技術として，ケルビンプローブ原子間力顕微 鏡（KPFM：Kelvin Probe Force Microscopy）が知られている^11）。 この技術は，金属，半導体だけでなく絶縁体の計測も可能で あり，様々な分野で活用されている。しかしこの方法では探 針－試料間に直流バイアス電圧を必ず印可する必要があるた め，電解液中ではそれによって制御不能な電気化学反応や，

水分子，イオンの再配置が生じる。その結果，カンチレバー に不要な応力が働くほか，測定対象である試料表面近傍の電 位分布も大きく変化してしまい，安定した計測を行うことは できない。

　我々はこの問題を解決するために，オープンループ電位顕 微鏡（OL-EPM：Open-Loop Electric Potential Microscopy）と呼 ばれる技術を開発した（図 8）^{4）, 12）, 13）}。この技術では，導電性 の探針と試料の間に，比較的高い周波数（fm）の交流バイアス 電圧を印可する。これによって誘起された静電気力のfm成 分および 2fm成分の振幅と位相を検出し，それらの値から計 算によって探針先端近傍の局所電位を求める。この方法では，

直流電圧を印可する必要がないため，fmを十分に高い周波数 に設定することで，上記のKPFMにおける問題を解決できる。

　5．2　金属腐食反応のin-situ解析

　金属腐食は，産業界における重大な問題の一つであり，毎 年多大な経済損失が生じている。したがって，金属腐食の予 防・予測技術の向上には，非常に大きな経済的意義がある。

金属を水中に浸漬すると，金属表面の比較的溶出しやすい箇 所から金属が金属陽イオンとなって液中に溶出する。した がって，腐食箇所近傍の溶液電位は上昇する傾向にある。こ のような金属の酸化反応が生じる箇所を，アノード領域と呼 ぶ。一方で，金属中に残された電子は，どこか別の場所で還 元反応によって消費される。この還元反応が生じる場所をカ

ソード領域と呼ぶ。典型的には，酸性溶液中ではプロトンの 還元反応が，大気暴露環境下では溶存酸素の還元反応などが 生じる。いずれの場合にも，カソード領域近傍の溶液中では 陽イオンが減少するか，もしくは陰イオンが増加するため，

溶液電位が低下する傾向にある。このような，アノードとカ ソードの組は局部電池と呼ばれ，局所腐食が生じる起源と考 えられている。しかし，従来このような局部電池の分布をナ ノスケールで可視化することはできなかったため，ナノス ケールの腐食機構については不明な点が数多く残されている。

　上述の通り，アノード領域はカソード領域に比べて高い電 位を示すため，液中で電位分布を計測することで，局部電池 分布を可視化できるものと期待される。図 9に，10 mM NaCl溶液中でOL-EPMにより測定した二相ステンレス表面 の形状像と電位像を示す^5）。ここで用いたステンレス鋼は，

溶接処理により鋭敏化させることで，意図的に耐食性を劣化 させてある。電位像からは，ナノスケールの分解能で電位分 布が明瞭に観察されていることが分かる。図中に点線で示し た通り，電位像において明るいコントラスト（高電位）を示す 領域の形と，同時に取得した形状像に見られる窪んだ領域の 分布は必ずしも明瞭な相関を示さない。しかし，107 分後に 取得した形状像を観ると，点線で囲った領域が窪んでおり，

この箇所が選択的に腐食（溶出）したことが分かる。これは，

一見，電位像計測によって腐食箇所を予測したように見える が，それは正確な見方ではない。実際には，電位像は腐食反 応が生じている箇所をリアルタイムに示しているのであって，

決して予測しているわけではない。金属表面は一般的に酸化 膜に覆われていることが多く，腐食反応はその酸化膜の欠陥 を通して表面下で進行する場合が多い。腐食反応によって表 面近傍の溶液電位はリアルタイムに変化するのに対し，最表 面の形状は腐食による歪みがある程度蓄積されたタイミング で初めて変化する。従来，AFMによって腐食反応に伴う表 面形状変化を観ることをin-situ観察と呼ぶこともしばしば あったが，そのような計測では腐食反応自体が生じている箇 所をリアルタイムに観ることはできていなかったのである。

これは，腐食研究において極めて重要な発見と言える。OL- EPMによって，従来技術では見ることのできなかった腐食 反応サイトのナノスケール分布の変遷をリアルタイムに可視 化できるようになったことは大きな進歩と言える。

　このような計測技術は，特に，高耐食性材料の局所腐食機

図 9　 電解液中でOL-EPMにより計測した鋭敏化処 理後の二相ステンレス表面の形状像と電位像^5）

図 8　OL-EPMの構成と原理^4）

— 6 — 解  説 構の研究や耐食性評価に有用である。一般にステンレスをは

じめとする高耐食性材料は，電解液中に浸漬しても短時間で は腐食が進行せず，数か月から 1 年程度の浸漬実験で耐食性 を評価することもしばしばある。そのような浸漬実験は，多 大なコストと時間を要するため，高耐食性材料の開発効率を 低下させる一因となっている。OL-EPM観察では，腐食によっ て形状が変化するのを待つ必要がなく，腐食反応箇所を比較 的短時間で特定することができるため，この問題を解決でき る可能性がある。また，OL-EPM技術は，金属腐食に限らず，

他の様々な電気化学反応サイトのナノスケール分布のin-situ 解析にも応用できるものと期待される。

6 ．おわりに

　本稿では，高速FM-AFM，3D-SFM，OL-EPMといった最 新の液中AFM技術とその応用事例を紹介してきた。これら の技術は，固液界面で揺動・拡散する原子，分子，電荷の挙 動をナノレベルで可視化するものであり，化学，生物学，ト ライボロジーなどの様々な分野での研究に大きな進展をもた らすものと期待される。これまで，原子・分子レベルの計測 技術は，主に基礎研究分野で用いられるものと思われてきた が，最近では民間企業でのニーズも日増しに高まっている。

それは，産業的に利用される材料，デバイス，技術が高度化 し，さらなる進化のためには，ナノレベルでの構造や現象の 正確な理解とそれに基づく精密な制御が必要となってきたた めである。本稿で紹介した技術が，学術分野における研究の 進展だけでなく，産業分野における多くのニーズを満たすた めの一助となれば幸いである。

（Received October 18, 2017）

文　　献

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₃ ）T. Fukuma, Y. Ueda, S. Yoshioka, H. Asakawa ; Phys. Rev. Lett., 104, 016101（2010）.

₄ ）N. Kobayashi, H. Asakawa, T. Fukuma ; Rev. Sci. Instrum., 81, 123705

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₅ ）K. Honbo, S. Ogata, T. Kitagawa, T. Okamoto, N. Kobayashi, I.

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₈ ）H. Asakawa, K. Ikegami, M. Setou, N. Watanabe, M. Tsukada, T.

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10）H. Asakawa, S. Yoshioka, K. Nishimura, T. Fukuma ; ACS Nano, 6, 9013（2012）.

11）M. Nonnenmacher, M. P. O'Boyle, H. K. Wickramasinghe ; Appl.

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12）N. Kobayashi, H. Asakawa, T. Fukuma ; J. Appl. Phys., 110, 044315

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13）N. Kobayashi, H. Asakawa, T. Fukuma ; Rev. Sci. Instrum., 83, 033709

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