共同研究報告書


研究区分 一般研究

研究課題

 表面修飾した基板上における氷の疑似液体層に関する赤外分光法による研究
新規・継続の別 新規
研究代表者／所属 大阪大学理学研究科
研究代表者／職名 准教授
研究代表者／氏名 金子文俊

研究分担者／氏名／所属／職名
　
氏　　名
所　　属
職　　名

1

 田和圭子 産業 主任研究員

2

 古川義純 北大低温研

3

 佐崎元 北大低温研

4

 片桐千仭 北大低温研

研究目的 結晶表面における分子間相互作用は結晶内部と比べてかなり小さくなるため、表面近傍に存在する分子は結晶内部よりもかなり大きく揺らぐ。温度上昇により分子運動は一層活発になり、融点付近では結晶表面の分子はいち早く結晶格子の束縛から解放されて自由に動きだす。水は表面融解を起こす物質として知られ、その表面融解領域の構造と物性が液体状態の水と類似しているため疑似液体層と呼ばれている。今回、氷表面と接触する基板の表面構造が疑似液体層形成に与える影響を、赤外用プリズム表面近傍に生じる赤外光のエバネッセント波を利用して表面近傍の構造情報を探ることができるIR ATR法を利用して調べることにした。
　　
研究内容・成果 　ATR用のプリズムの材質としてシリコンを、そしてその表面処理法として近年ガラスやシリコン基板の表面改質に広く用いられているシランカップリング法を採用した。このシランカップリング法は、(1)シリコンのプリズム対して前処理を行わずに直接表面処理を行うことができる、(2)プリズム表面を様々な性質の異なる官能基を含む化合物で修飾することができる、(3)表面修飾した有機分子層に対して更に処理をして複雑な構造を構築できる、等の優れた特長がある。まずは、このシランカップリング法でシリコンプリズム表面に疎水性界面をつくる有機分子層を導入し、この表面における氷結晶の成長・融解挙動を観察した。
　シランカップリング処理をおこなう前のシリコン基板面は、表面はSi-OH基で被覆されていると考えられる。この表面修飾を施さない場合には、この基板面に接触する水の赤外スペクトルは、その冷却過程において-2℃付近まではほとんど変化がなく過冷却状態を保つと推測される。さらに冷却していくと-4℃に到達する以前に赤外スペクトルが大きく変化し、水が結晶化して氷に変化することが分かる。この結晶化の挙動は、シランカップリング処理をしてシリコン基板面をアルキル化すると一変する。アルキル化して疎水化した表面をもつ基板では、-8℃付近まではほとんど水の赤外スペクトルに変化が生じず、-10℃付近に至ってようやく水の結晶化に対応する赤外スペクトルが現れる。
　この結晶化した水の融解挙動にも、表面修飾の有無により違いが見られる。修飾しない場合よりも、アルキル化処理をおこなった基板では、赤外スペクトルにおける氷由来の赤外バンドに変化が表れる温度が約0.4℃程度低くなる。このように、表面修飾の効果は水の結晶化および融解挙動両方に大きな影響を与える効果があると考えられる。また、結晶化に由来する赤外バンドの強度変化にも基板面の影響が見られた。
　今後、結晶化・融解挙動および結晶化赤外バンド強度について、アルキル化処理の再現性を確認すると同時に、より詳しい影響を調べるために異なった化学修飾を施したシリコン基板を用いた実験を行う予定である。
　　
成果となる論文・学会発表等