金澤大學奈米生命科學研究所（NanoLSI）的宮田一輝副教授、福間剛士教授、芬蘭阿爾託大學應用物理可用能系的Adam S. Foster教授（NanoLSI海外主任研究員）等組成的聯合研究團隊，成功開發出了一種能夠以以往10倍以上速度對固液界面結構進行三維及亞奈米級解析度觀測的高速三維掃描力顯微鏡（高速3D-SFM）。研究人員利用該顯微鏡，成功地在亞奈米尺度上觀察到了方解石（CaCO₃）在水中溶解的同時，其表面水結構發生的變化。該研究成果已發表在期刊《Nano Letters》上。
圖1. （a）方解石晶體照片。（b）高速FM-AFM觀察到的在水中的方解石。方解石溶解時，表面會形成平行四邊形的孔（溶蝕坑），孔四邊的臺階（Step）不斷擴展逐漸溶解。（c）臺階附近等比增大後的高速FM-AFM影像。影像在捕捉到了原子級別構造的同時，展示了臺階的行程情況。觀察到在臺階附近形成了作爲溶解程序中間狀態的過渡區域。（d）根據高速FM-AFM觀察結果製作的臺階周邊模式。（供圖：金澤大學，著作權所有：© 2024 Miyata et al. Published by American Chemical Society）
固液界面作爲固體和液體之間的界面空間在自然界中廣泛存在，這種界面上的水在生物學、材料科學、地球科學等領域的各類現象中發揮着重要作用。例如，在地球科學領域，已知它參與了礦產的晶體成長和溶解程序。爲了在原子和分子尺度上理解這些現象的機制，需要闡明這些界面上的水的行為，但由於此前缺乏能夠直接觀察的測量技術，這些行為的詳細情況尚不清楚。
原子力顯微鏡（AFM）是一種有可能解決該問題的測量技術。研究團隊此前一直致力於提升這種設備的性能，例如，透過對頻率調變原子力顯微鏡（FM-AFM）進行高速化處理，實施了每秒生成一幅影像的測量速度，能夠在液體環境中以原子級解析度進行觀測。利用該技術，研究人員成功觀察了方解石在水中溶解的程序，並且直接捕捉到單分子臺階附近的原子級的結構變化。此外，研究團隊全球首次發現了沿着這種臺階形成的寬度爲幾奈米的行程區間，該區間作爲溶解程序中的中間狀態出現。然而，該行程區間穩定形成的機制至今仍未完全解明，因爲高速FM-AFM還無法進行三維測量。
與此同時，研究團隊還開發了一種能夠實施固液界面三維觀察的三維掃描力顯微鏡（3D-SFM）。利用這種設備，成功地在亞奈米尺度上實施了礦產晶體、生物分子、聚合體材料等多種物質的水結構視覺化，但由於傳統3D-SFM的測量速度相對緩慢，無法觀察到水在固液界面現象中隨表面結構一起發生變化的動態行為。
此次，研究團隊着眼於以往積累的FM-AFM高速化技術，以此爲基礎開發出了3D-SFM高速化技術。研究結果表明，3D-SFM的測量速度比以往提高了10倍以上，成功實施了最快1.6秒即可獲取3D影像的高速測量。研究人員使用新開發的高速3D-SFM觀察了方解石在水中溶解時，獲得了靠近行程中的臺階端（step edge）附近的行程區間上的水的3D影像。研究還發現，該行程區間的水結構與方解石表面平坦部分（平台，Terrace）上的水結構截然不同。
此外，透過進一步結合類比、測量以及先前的研究成果，研究團隊提出了行程區間的形成模式：溶解前的平台上的水結構以及作爲溶解程序中間狀態而出現的氫氧化鈣上的水結構，形成了氫鍵網路。這種網路起到了類似蓋子的作用，阻止氫氧化鈣從方解石表面脫離，從而形成了行程區間。距離臺階邊緣越遠，網路的穩定性就越低，最終網路無法阻止氫氧化鈣脫離的距離，便決定了行程區間的寬度。
這種高速3D-SFM技術不僅可以適用於觀察方解石，還可用於觀察各種礦產、有機分子、生物分子的晶體成長與溶解、自組織現象，甚至可觀測到對腐蝕和催化反應等固液界面現象產生影響的界面上的水結構和行為。該技術有望爲多個學術及工業領域的研究隊形變換做出貢獻。
原文：《科學新聞》
翻譯：JST客觀日本編輯部
