[論文レビュー] Submolecular-resolution non-invasive imaging of interfacial water with atomic force microscopy

Jinbo Peng, Jing Guo+9 more|arXiv (Cornell University)|Mar 13, 2017

Force Microscopy Techniques and Applications参考文献 42被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、qPlusベースの非接触原子間力顕微鏡を用いて、NaCl(001)表面における界面水クラスターの、分子内分解能で非破壊的イメージングを達成した。大きなチップ-サンプル距離における、CO終端チップと極性水分子との間の弱い高次電気双極子力を利用することで、水素結合構造が保持され、摂動を伴わずに原子スケールでの不安定な水構造の可視化が可能になった。

ABSTRACT

Scanning probe microscopy (SPM) has been extensively applied to probe interfacial water in many interdisciplinary fields but the disturbance of the probes on the hydrogen-bonding structure of water has remained an intractable problem. Here we report submolecular-resolution imaging of the water clusters on a NaCl(001) surface within the nearly non-invasive region by a qPlus-based noncontact atomic force microscopy. Comparison with theoretical simulations reveals that the key lies in probing the weak high-order electrostatic force between the quadrupole-like CO-terminated tip and the polar water molecules at large tip-water distances. This interaction allows the imaging and structural determination of the weakly bonded water clusters and even of their metastable states without inducing any disturbance. This work may open up new possibility of studying the intrinsic structure and electrostatics of ice or water on bulk insulating surfaces, ion hydration and biological water with atomic precision.

研究の動機と目的

• 界面水の走査プローブ顕微鏡における長年の課題であるプローブ起因の歪みを克服すること。
• 絶縁体表面における水クラスターの水素結合ネットワークを摂動させずに原子スケールでイメージングすること。
• 弱い高次電気双極子力が、分子内分解能での非破壊的イメージングを可能にできることを示すこと。
• 不安定な水構造の構造的決定と界面水の内在的電気双極子モーメントを可能にすること。
• 水和、氷の形成、生物学的水の研究における、原子精度の新たな道筋を提供すること。

提案手法

• CO終端チップを備えたqPlusベースの非接触原子間力顕微鏡（nc-AFM）装置を採用した。
• チップ-サンプル相互作用力を最小限に抑えるために、大きなチップ-サンプル距離で操作した。
• 四重極子的特徴を示すチップと極性水分子との間の高次電気双極子力を利用した。
• 実験的イメージングと理論的シミュレーションを組み合わせ、観察された構造を検証した。
• 力分光測定とシミュレートされた相互作用ポテンシャルを用いて、非破壊的イメージング条件を確認した。
• 制御された条件下で秩序ある水クラスターを観察するため、NaCl(001)表面に焦点を当てた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 水素結合ネットワークを摂動させずに、界面水の分子内分解能イメージングが達成可能か？
• RQ2 どのようなチップ-サンプル相互作用が、原子スケールでの非破壊的イメージングを可能にするか？
• RQ3 不安定な水構造を可視化し、構造的に特徴づけられるか？
• RQ4 CO終端チップからの高次電気双極子力が、イメージング分解能と非破壊性にどのように影響するか？
• RQ5 この手法を、絶縁体表面における水和殻や氷様構造の研究に応用可能か？

主な発見

• 大きなチップ-サンプル距離でNaCl(001)表面の水クラスターの分子内分解能イメージングが得られ、摂動が最小限であることが確認された。
• CO終端チップの四重極子的電気双極子相互作用により、水素結合ネットワークが損なわれることなくイメージングが可能になった。
• 理論的シミュレーションが実験的イメージと一致し、イメージングメカニズムの非破壊的性質が検証された。
• 不安定な水構造が解像され、本手法が微細な構造的差異に敏感であることが示された。
• 弱く結合した水クラスターの内在的構造が保持され、正確な構造的決定が可能になった。
• 本手法により、絶縁体表面における界面水の電気双極子モーメントと構造を原子精度で研究する道筋が開かれた。