気体―固体ファンデルワールス相互作用が表面ナノ構造進化を駆動することを解明 (Gas-Solid Van Der Waals Interactions Drive Evolution of Surface Nanostructures)

2026-06-23 中国科学院(CAS)

中国科学院大連化学物理研究所(DICP)を中心とする研究チームは、気体と固体表面の物理的相互作用が金属表面ナノ構造の変化を直接引き起こすことを原子レベルで実証した。研究ではAu(111)表面上に形成した単原子層の金ナノアイランドを対象に、高圧走査トンネル顕微鏡(STM)、近常圧X線光電子分光法(NAP-XPS)、理論計算を用いて各種ガス雰囲気下での挙動を解析した。その結果、水蒸気中では水分子と表面金原子とのファンデルワールス相互作用だけで、金ナノアイランドの移動、凝集、オストワルド熟成といった構造進化が室温で進行することを発見した。従来は、気体による表面再構成は強い化学吸着や表面反応によって支配されると考えられていたが、本研究は弱い物理吸着相互作用のみでも金属表面ナノ構造を大きく変化させ得ることを示した。この成果は、不均一系触媒の活性状態や安定性、反応機構の理解を深めるとともに、触媒設計や表面科学に新たな視点を提供するものである。

気体―固体ファンデルワールス相互作用が表面ナノ構造進化を駆動することを解明 (Gas-Solid Van Der Waals Interactions Drive Evolution of Surface Nanostructures)
Schematic of van der Waals interactions drive the rapid migration, coalescence, and ripening of Au nanoislands on Au(111) in H2O atmosphere. (Image by LIU Changping)

<関連情報>

気体と固体間のファンデルワールス相互作用が表面ナノ構造の動的な進化を促進する Gas–Solid van der Waals Interaction Driving the Dynamic Evolution of Surface Nanostructures

Changping Liu,Heng Liang,Jie Luo,Xi Cheng,Rentao Mu,Hao Li,Yifan Li,Yi Cui,Qi Wang,Xiang-Kui Gu,Wei-Xue Li,and Qiang Fu
Journal of the American Chemical Society  Published: June 9, 2026
DOI:https://doi.org/10.1021/jacs.5c22700

Abstract

Weak intermolecular forces are ubiquitous in chemistry, materials science, and biology, yet their direct role in gas–solid interfacial phenomena has remained elusive. Here, we show that under millibar-range H2O vapor at room temperature, monolayer Au nanoislands on Au(111) undergo pronounced restructuring within seconds through particle migration, coalescence, and Ostwald ripening. The driving force of these rapid dynamics is identified as van der Waals interaction between H2O molecules and surface Au atoms via dipole–dipole attraction. This effect is reinforced by the formation of transient H2O-adsorbed Au adatom complexes, which lower the energy barrier for atomic detachment and migration. Our findings provide direct atomic-level evidence that weak physical interactions alone can reshape metal nanostructures, offering a new route to engineer the surface architectures under mild conditions.

0500化学一般
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