氷と不凍液の界面は0.1ナノの超微細階段構造 「冷やし顕微鏡」で観察、神戸大など
氷と不凍液の界面が微細な階段構造を持つことが神戸大学の研究で明らかになった。
界面分子科学の研究は、固体と液体が接する場所での反応を理解する上で重要だ。
不凍液を使用して氷の表面を精密に計測することで、水素原子と酸素原子の間隔に相当する0.1ナノメートルの階段構造が観察された。
氷と不凍液の界面が高さわずか0.1ナノメートル（ナノは10億分の1）の微細な階段構造になっていることを、神戸大学などのグループが明らかにした。氷点下に冷やした原子間力顕微鏡（AFM）で観察した。0.1ナノメートルは水分子を構成する酸素原子と水素原子の距離に相当する。神戸大学大学院理学研究科の大西洋教授（界面分子科学）は「身近な氷だが、その氷と液体が接する界面の形状をこれほど精密に観察した研究はこれが初めて」としている。
固体と液体が接する界面はいろいろな反応が起こる場で、表面がどのような状態になっているかが注目される研究分野だ。身近な氷の表面を分子レベルで精密に計測したい研究者や技術者も多い。しかし、氷を水に入れて温度を0度ぴったりにしても氷の表面は溶けたり凍ったりし、表面の位置が動いてしまうため計測が難しい。
大西教授と自然科学研究機構分子科学研究所（分子研）の湊丈俊主任研究員（表面界面科学）は、3年ほど前に「水と相性が悪い油のような、零下でも凍らない不凍液に浸した氷を、AFMで計測すれば良いのでは」と思いついた。表面の形状を探針（プローブ）でそっとなでるAFMは、精密計測にうってつけだろうと判断した。
ただ、当初はプローブを氷に近づけると、氷がドロッと溶けて観測できなくなった。顕微鏡の熱が伝わるためではないかと考え、AFM全体をアイスボックスに入れた。マイナス7度に冷やした不凍液のオクタノールに浸した氷を計測すると、2枚の平らな面がつながった0.1ナノメートルの階段構造を観察できた。
オクタノールのほか、同じ不凍液のヘキサノール（温度マイナス3度）で計測すると、100～150ナノメートルの大きな高低差がある階段構造がみられた。同じくブタノール（同マイナス5度）では、表面がデコボコなどになるなどオクタノールの時とは違った形状になった。
オクタノールで酸素と水素の原子間距離にあたる0.1ナノメートルの階段構造が見られたことについて、大西教授は「分子の並びを観測するすべはないものの、水分子1つの厚みをもつ層が重なったものでありうると推定している」という。
