ドリフトが少なく、高分解能と安定したオペレーションで 大学生に人気の高いAFM

革新的接着技術を創出し、高分子マルチマテリアルを強靭化、ひいては次世代モビリティの実現に取り組む九州大学　大学院工学研究院応用化学部門　機能材料化学分野 田中研究室は、ナノサイズの有機高分子材料の機能性を飛躍的に高める研究を行なっています。田中研究室は2016年2月に当社オックスフォード・インストゥルメンツの原子間力顕微鏡「Cypher ES（サイファー・イーエス）」を導入しました。高分子材料の構造・物性の分子レベルでの解明や機能材料への展開を目指す研究室で、AFM（原子間力顕微鏡）がどのように活用されているのかを主宰者の田中教授に伺いました。

当社のAFMを導入された理由を教えてください。

【田中教授】AFM業界に精通している営業の方が強みでした。このような分析装置を購入する場合に、何を信用するのかと言えば、やはり「人」だと思います。したがって、技術営業の方はとても重要だと考えます。

またCypher ES導入時に、一番やりたいと思っていたことが、現場と私とで違っていました。現場は分子が拡散する様子を観たいという要望でしたが、私は新しいサイエンスの創出を目的としていました。しかも、拡散を描像するサイエンスは既に1990年代や2000年代にも存在していました。そこで私自身が今、Cypher ESで観たいと思っているのは、シングルチェーンの中でセグメントというモノマーの数個繋がったような単位がどう動いていくかというのを観たいと思っています。今、助教の盛満氏がこれを研究しており、それが観えつつあります。私たちは観えていると思っているのですが、現状、そのようなサイエンスのフレームワークがないため、どのように解釈するのかがまだ追いついていません。しかし、新しいサイエンスを創れると私たちは信じています。

最初のAFMを導入されたのは約30年前で、当社のCypherは８代目となると伺いました。当社のAFMの特長について教えてください。

【田中教授】ポリメタクリル酸メチル＝PMMAと呼ばれている材料が、マイカに吸着していく過程をCypher ESで観察したのですが、温度を上げた方が、像がシャープに観えたのです。通常の装置で考えると、温度を上げるとドリフト含めいろいろな問題が出て観察しづらくなると思うのですが、Cypher ESを用いた観察ではむしろきれいに観えていました。これは、高分子材料側が基板に強固に付着していくから観やすくなるのですが、言い方を変えると、熱ドリフトを含め、アーティファクトがないからこのような観察像が観えるので、大変素晴らしい性能だと考えております。

また、Cypher ESは外観、つまりルックスから素晴らしいと思います。すべてが素晴らしいのですが、4年生の学生が聞いてもわかる特長を挙げるとすれば、とにかく、サンプルの位置が動かないことです。これはビギナーにとっても、使い込んだプロにとっても非常に大きな武器ではないかと考えております。

学生さんの中で、Cypher ESの評価はどうですか？また、いろいろなAFMを使われてきて、Cypher ESの分解能について印象をお聞かせください。

【田中教授】大好きですね。やはりオペレーションがクリアですし、モニターもクリアですし、何を観察しているのかというのが一目瞭然で分かり、安定しているので、学生はすごく好んで使いたがります。プロの方による分解能は、彼らの技量によって達成可能になるのだと思うのですが、大学院生クラスの使用歴数年のオペレーターが達成できる分解能という意味ではCypher ESは素晴らしい結果を提供してくれると感じています。

次世代接着技術研究センターで活動をされていますが、どのような組織でしょうか？また、接着技術研究にAFMをどのように活用されているかについてお聞かせください。

【田中教授】先ず大元は、JST（国立研究開発法人科学技術振興機構）のプログラムがあり、2018年からスタートした9年半で27億円の大規模プロジェクト「Society5.0の実現をもたらす革新的接着技術の開発」になります。アカデミアのPIが11機関15人、化学素材メーカーが14社、化学素材メーカーのユーザー企業として7社の体制となっており、私はこれらすべてをまとめるプログラムマネージャーを務めています。知的財産やプロジェクトの雇用などのニーズにスムーズに応えるため、次世代接着技術センターを立ち上げて、プロジェクトを遂行しています。福岡市の産学連携交流センターが入口となり、そこに企業からの研究員が4～5人常駐しています。

次に、接着技術研究におけるAFMの活用についてお話すると、接着の現象というのは古くから知られており、現在も色々な研究が行われていると思うのですが、分かったようで分からないのが現状です。どうやって接着しているかが分からない。そのカギとなるのが被着体で、AFMの世界では基板になります。これと樹脂がどのように相互作用しているのかは、分光学で観るというのが定石かと思います。しかし、分光学は何が起こっているかが専門家にしか分からないため、接着しているのか剥離しているかなどを視覚的に観るためにAFMを使用しています。接着の界面では、環境が様々な点で重要になりますが、Cypher ESを用いると、水中や高湿度環境、温度をかけた観察ができます。また、温度をかけた後に低温に戻しても観察がそのまま行えます。Cypherの特長として熱ドリフトがとても小さいことが、接着技術の研究開発において非常に大きな効果があると思っています。

最近の研究では、マイカにDNAが吸着する様子を観ているのですが、通常、高分子に限らず、ものが固体表面に吸着する時は、それぞれの吸着されるもの同士が相互作用しないというLangmuirの考え方があって、Langmuir吸着等温式で表されます。しかし、高分子は鎖が長いため、高分子鎖同士が相互作用するのではと思っていたのですが、これをCypherで直接観察することができました。DNAは巨大な分子でAFMでは観やすくはあります。DNAの一端が基板に付着し、反対側の長い部分がまだ、溶液の中でふらふらしている状態なども観察できます。それが溶液の中にある他の鎖を引っ張って落とす様子なども観えているので良い成果となり、論文*に掲載されました。

*Y. Morimitsu, H. Matsuno, Y. Oda, S. Yamamoto, K. Tanaka, Direct visualization of cooperative adsorption of a string-like molecule onto a solid. Sci. Adv. 8, eabn6349 (2022).

高分子鎖の接着初期素過程の直接観察に成功

参考図
マイカ基板上に吸着したPMMA鎖のAFM像ならびにMDシミュレーションにより得られた分子鎖のスナップショット。熱処理の進行とともに、その局所コンフォメーションがループからトレインへと変化した。

（画像および説明文の引用：九州大学サイト「高分子鎖の接着初期素過程の直接観察に成功」より）

今後、Cypher ESに期待することは？

【田中教授】真空で観察できると良いと思います。もちろん、真空では色々な問題が発生するであろうことは理解していますが、日本は湿度が高いので、空気中の水、特に親水性の基板を使うと表面に凝着した水があると言われており、実際に観えています。つまり、この効果も同時に拾ってしまっているという現状がありますが、水の効果がない場合のことは分かりません。そこをクリアにするためにも真空観察を期待しています。

ソフトウェアについて、Cypherは確かにドリフトが少ないことは間違いないのですが、それでもやはり当前ながら多少は動きます。当研究室ではPythonなどでドリフトによるずれをラボレベルで補正できるようになっています。ただこの方法は誰でも簡単にできることではないので、この解析モードがあると、ユーザー、特に企業の方にとっては喜ばしい機能かと思います。

また、高速化すると分子運動の速い部分が観えるようになるため、新たなサイエンスが拓かれると思っています。現状のスキャニングレートでも緩和時間で数百秒程度のものは観えているのですが、数秒程度は観えていません。スキャニングレートがどれくらい上がるのかという議論になると思いますが、少なくとも今より1桁上がれば緩和時間で10秒程度のものが観えてくるようになるので、それはものすごく大きな戦力になると思っています。またCypher ES からCypher VRSへアップグレードすると、20fpsが実現するので、これはとても魅力的です。

関連情報

• Cypher ES 環境制御 AFM/SPM（原子間力顕微鏡）

お問い合わせ/ニュースレター登録

オックスフォード・インストゥルメンツの原子間力顕微鏡について、詳しい情報や当社専門の製品担当とのご相談をご希望の場合は下記よりお問い合わせください。

お問い合わせ

 

氏名 *

会社・大学・研究所名 *

部署・学部・研究室名 *

郵便番号

都道府県 *

市区町村、番地、建物・ビル名等 *

Eメールアドレス *

電話番号

ご用件をお選びください（複数選択可) *

製品・アプリケーションについて詳細な説明を希望（購入検討）

操作方法について聞きたい（ユーザー様向け）

装置トラブルへの対応を希望（ユーザー様向け）

情報収集

製品以外に関するお問合せ（業務内容・リクルート・該非判定・共同研究など）

その他

お問い合わせの内容

ご興味のある分野をお選びください（複数選択可）。

下記より選択してください。 Toggle Dropdown

• 下記より選択してください。
• 先進製造技術
• 自動車・航空宇宙
• ケミカル・触媒
• 金属・合金・複合材料・セラミック
• ポリマー（高分子）
• 発電・蓄電（バッテリー）
• 農業・食品
• 法科学・環境
• 地質・岩石学・鉱業
• バイオイメージング・ライフサイエンス
• 製薬
• 量子技術
• フォトニクス・光工学
• 半導体・マイクロエレクトロニクス・データストレージ
• 研究・基礎科学

OIニュースレターを希望します。

※当社のメールマガジンです。当社の新製品、ウェビナー、展示会などの最新情報をお届けしています。

このフォームを送信することにより、オックスフォード・インストゥルメンツが個人情報の取扱いに記載された方法で入力した個人データを処理することに同意します。

当社の最新技術を用いた製品やアプリケーションのご紹介、またウェビナー、展示会等の最新情報を「OI Newsletter」としてお客様にメール配信しています。ぜひ下記よりご登録ください。

ニュースレター登録