界面で流動性を失う水分子の直接可視化に成功

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原子間力顕微鏡による炭酸カルシウム表面の水和水の粘性測定

2019-03-29 京都大学

 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・金沢大学特任助教)、湊丈俊 産官学連携本部特定准教授らの研究グループは、液中環境下で動作する原子間力顕微鏡(AFM)を用いた3次元フォースマッピング法により、炭酸カルシウム結晶の表面において、分子レベルでの水和構造の直接可視化に成功し、カルシウムイオン上の水分子の流動性が局所的に低くなる(粘性が局所的に高くなる)ことを世界で初めて実験的に見いだしました。

 本研究により、固体と液体の界面に存在する水和殻(界面水)および水和殻内の水分子の流動性(あるいは粘性)を直接可視化する新たな手法が確立されました。

 本研究成果は、今後、固液界面における物理・化学現象を利用する種々のセンサー、ナノ粒子や分子標的治療薬の開発への応用などが期待され、さらには、二酸化炭素の鉱物固定化やバイオミネラリゼーション(生物による鉱物形成)の素過程の理解に対しても寄与することが考えられます。

 本研究成果は、2019年3月21日に、国際学術誌「Physical Review Letters」に掲載されました。

図:(左)固液界面の3次元水和構造、(右)および水分子粘性マップ

詳しい研究内容について

界面で流動性を失う水分子の直接可視化に成功!

―原子間力顕微鏡による炭酸カルシウム表面の水和水の粘性測定―

概要

 京都大学大学院工学研究科 山田啓文 教授、小林圭 同准教授、梅田健一 同研究員( 研究当時、現 金 沢大学ナノ生命科学研究所特任助教)、京都大学産官学連携本部 湊丈俊 特定准教授らの研究グループは、 液中環境下で動作する原子間力顕微鏡 (AFM)を用いた3次元フォースマッピング法により、炭酸カルシ ウム結晶の表面において、分子レベルでの水和構造の直接可視化に成功し、カルシウムイオン上の水分子 の流動性が局所的に低くなる 粘性が局所的に高くなる)ことを世界で初めて実験的に見いだしました。 この研究によって、固体と液体の界面に存在する水和殻 (界面水)および水和殻内の水分子の流動性 (あ るいは粘性)を直接可視化する新たな手法が確立されました。今後、固液界面における物理 化学現象を 利用する種々のセンサー、ナノ粒子や分子標的治療薬の開発への応用などが期待され、さらには、二酸化 炭素の鉱物固定化やバイオミネラリゼーション (生物による鉱物形成)の素過程の理解に対しても大きく 寄与するものと考えられます。

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