基礎技術解説分析・評価・解析

AFMによるナノ気泡・ナノ液滴解析

通常、液中での気泡観察に、光学顕微鏡がよく用いられる。しかし、その解像限界は約0.5μm程度であり、それより小さいサイズは観察できない。また、レーザー散乱法によって、液中の気泡数をカウントする装置も存在するが、気泡形状までを把握することはできない。そこで、AFMを用いることにより、光学顕微鏡では観察できなかったナノ気泡を解析することが可能となる。我々はこれまでに、様々なナノ気泡の観察を行ってきた。下の左図にはAFMの基本構造を示している。AFMはナノスケールで制御できるピエゾステージ、気泡を検出するカンチレバー、カンチレバー変位を検出する光学系から構成されている。カンチレバーの先端には、微弱な相互作用を検出するためのAFM探針が装着されている。最近は低価格のAFMもあり、教育機関での実験・実習にも幅広く取り入れられている。下の右図は、基板上に付着したナノ気泡のAFM像を示している。一般に、AFMで観察できる像は、気泡と微粒子(固体)との区別がつきにくい。実際には、両者ともよく似た凸像として観察される。このナノ気泡の同定には、AFMの探針と気泡間に生じる相互作用力を用いる。これには、フォースカーブと呼ばれる特性を、気泡と固体に対して測定する。

AFMによるナノ気泡観察
AFMによるナノ気泡観察
ナノ気泡のAFM像
ナノ気泡のAFM像

下の左図には、ナノ気泡上と固体表面で測定された液中のフォースカーブを示している。ナノ気泡上には僅かに斥力が働いているが、固体表面では大きい引力が作用している。これは、Lifshitz理論によって、気泡と固体表面の相互作用力に差が生じることで説明できる。

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以下のような図や解説が続きます。

  • [図]ナノ気泡および固体表面でのフォースカーブ
  • [図]相互作用力解析(Lifshitz理論)
  • [図]AFMの探針によるナノ気泡の分離
  • [図]マイカ上の微小液滴のAFM像
  • [図]純水液滴のサイズ依存性

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