山田啓文 工学研究科教授、小林圭 同准教授、梅田健一 同研究員（現?日本学術振興会特別研究員（東京大学））、Adam Foster フィンランド?Aalto大学教授らの研究グループは、液体の中でも動作する原子間力顕微鏡（AFM）を用いて、結晶試料の表面で水分子がどのように分布しているのか可視化することに成功しました。加えて、結晶の帯電によってその分布が異なることを発見しました。
本研究成果は、2017年12月13日午後9時に英国の科学誌「Nature Communications」に掲載されました。
研究者からのコメント
本研究によって、界面の水和构造とそれと同时にはたらく电気二重层力を分子レベルで可视化する新たな手法が确立されました。今后、固液界面における物理?化学现象を利用した种々のデバイスの开発や、生体分子の机能解明を理论的?実験的に进めていく上で、强固な基盘が确立したと言えるでしょう。
概要
液体と固体が接する固液界面は、结晶成长や触媒反応といった现象が生起する特徴的な场所です。生物の体内でも分子の特异结合?吸着といった种々の生化学过程を引き起こす场として极めて重要な役割を担っています。例えば电池の电极反応は、固体の电极と液体の电解质が接する界面である固液电极界面に形成される电気二重层内で进みます。また、生体适合性材料の表面にタンパク质がどのように吸着し影响を受けるかは、材料とタンパク质の界面に形成される水和殻／水和构造に强く関连しています。このように极めて広范な研究分野において、固体-液体界面での帯电状态と水和构造やイオン吸着との関係を理解することが、表面化学反応や生体机能発现の分子レベル的理解へと直接つながると考えられていますが、これまでの実験?理论のどちらの面においても、依然十分な理解は得られていませんでした。
本研究グループは、クリノクロアと呼ばれる层状ケイ酸塩鉱物结晶の一种と水溶液との境界に着目しました。この结晶は正电荷をもつ酸素八面体层と、负电荷をもつケイ酸塩四面体层が交互に积层した特徴的な构造をもつため、异なる电荷を持つ表面における水分子の分布の违いを可视化するのに适したモデル试料となっています。本研究では、原子间力顕微镜（础贵惭）による３次元フォースマップ法（観察したい领域の表面上の全ての3次元空间で、础贵惭探针にはたらく力を探针振动の周波数の変化として捉え、试料表面上の相互作用力の3次元分布を求める手法）を用い、クリノクロア表面の水和构造可视化に成功しました。
図：今回可视化に成功した水和构造。左の领域は负に帯电したケイ酸塩四面体层、および右の领域は正に帯电した酸素八面体层の表面水和构造。両端の数字は各领域での水和层の位置。破线丸部は水分子一つが占める领域を示す。
详しい研究内容について
书誌情报
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Kenichi Umeda, Lidija Zivanovic, Kei Kobayashi, Juha Ritala, Hiroaki Kominami, Peter Spijker, Adam S. Foster & Hirofumi Yamada (2017). Atomic-resolution three-dimensional hydration structures on a heterogeneously charged surface. Nature Communications, 8, 2111.
