原子スケール摩擦：超潤滑

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分子スケール摩擦：有機分子マシン

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氷や雪のもつ“滑りやすさ”は，スキーやスケート等のウィンタースポーツには欠かせない性質である。この“滑りやすさ”の原因は、氷表面に存在する液体状の層（擬似液体層）にあると考えられている。氷結晶は、その表面に擬似液体層を持つことにより、成層圏におけるオゾン破壊や雷雲の帯電等、様々な自然現象を引き起こす。本講演では、分子動力学計算による研究を中心に、氷表面の構造とダイナミクスについて議論する。

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摩擦はさまざまな舞台で現れる現象である。地震も断層での摩擦に依って起こる現象である。その振る舞いは断層を構成する岩石の摩擦の振る舞いに依存し、後者は深度や温度によって異なる振る舞いを示す。岩石摩擦に似た振る舞いは紙などのマクロ系の摩擦でも現れる。本講演では紙、鋼、高分子材料などのマクロ系の摩擦から地震のような巨大スケールの摩擦、さらにミクロスケール摩擦を比較し、それらの間にある摩擦の階層性を論じる。

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固体界面摩擦現象を微視的に理解することは500年来の懸案である。特に最近ナノスケール機械などが現実に作られるようになり，そのような系での摩擦現象の理解と制御が急務とされている。本後援ではこのような摩擦現象の科学を理解するためのアプローチの一つとして，固体の量子凝縮系が示す集団運動を用いる方法を紹介し，それらが摩擦現象の理解に大変有用であることを示す。

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神経細胞ネットワーク素子製作とバイオインターフェース

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バイオインターフェース －分析＋デザイン＋応用－

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幹細胞生物学と幹細胞治療

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ES、iPS細胞と網膜疾患

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体細胞からの人工多能性幹細胞(iPS細胞)の樹立と展望

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Pt電極表面における水素発生反応の表面増強赤外分光解析

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Ni2P脱硫触媒表面のin-situ 解析

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ケルビンプローブ顕微鏡を用いた光励起電荷移動の計測

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水素化脱硫触媒の表面設計と活性サイト構造

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アンモニア昇温脱離法による固体酸性質の解析

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貴金属表面ポリフィリン分子のＳＴＭ発光におけるプラズモン増強とナノキャビティ効果

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　燃料電池の反応を活性化するPtおよびPd高指数面について総括する。
　Pt高指数面上の水素酸化反応の交換電流密度，活性化エネルギー，頻度因子に対する表面構造の効果を示す。吸着COによる水素酸化反応被毒の経時変化を，IRASの経時変化と対比することにより，水素酸化の活性点を議論する。
　また，Pd高指数面およびPt被覆したPd単結晶面上の酸素還元反応の面依存性を，Pt単結晶の結果と比較検討する。

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固体高分子形燃料電池において酸素極の反応過電圧が効率損失の大きな要因となっている。これまでに当研究室ではPtFeなどの合金電極触媒が高い酸素還元活性を持つことを見出した。実用高分散Pt触媒は(111)、(100)面といった低指数面から構成されている。本研究ではより高性能な電極触媒の設計指針を得るため、電気化学－光電子分光複合装置を用いて酸素還元反応中のPt多結晶とPt(111)電極上の吸着酸素種の解析を行った。

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Platinum is the most important catalyst used in fuel cells. However, gradual loss of active areas of platinum catalysts during operation is a serious problem. Electrochemical oxidation-reduction cycle is considered to be one of the main factors to accelerate the dissolution of platinum surfaces. In this study, the effect of electrode potential on the structural change of platinum surfaces was studied at low-index surface planes of single crystalline platinum electrodes.

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固体高分子形燃料電池における電池効率ロスの大きな要因はカソード反応過電圧である。本研究室ではPt-Co、Pt-FeなどのPt合金が単味Ptに比べ高い酸素還元活性を示すことを見出した。本研究では高活性なカソード触媒設計の指針を得るため、電気化学水晶振動子ナノバランス法を用いてPt系カソード触媒上に吸脱着する酸素種を定量的にin-situ測定した。

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燃料電池における白金触媒量低減化を目的として、種々の面方位の金単結晶上に電析法によって作製した白金超薄膜の酸素還元触媒活性を調べ、白金超薄膜の構造と酸素還元能について、定量的に議論する。

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イオン化ポテンシャルを調節したPtクラスターを用いて水素発生反応と酸素還元反応のシミュレーションを行い、各素反応の反応エネルギーとクラスターのイオン化ポテンシャル、すなわち電極電位との関係を調べた。前者では、第１段還元素反応がより正電位で進行するが、この傾向はUPDから説明された。後者の還元素反応中、OHからH ₂Oへの還元がゼロ電位付近で進行し，OHが触媒毒のように強く吸着することが示された。また、HOOHへの生成は負電位側でのみ進行し、エネルギー的に不利であることが示された。

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立方体型、切頂八面体型に構造規制した白金ナノ微粒子を合成し、サイクリックボルタンメトリー(CV)及び一酸化炭素(CO)を吸着させ赤外分光(IRAS)測定を行った。CVでは(100)表面に特有な水素吸脱着波を確認した。IRASでは、テラスおよびステップサイトのCOが観測された。これはPt(100)電極で得られたスペクトルとは異なっていた。本発表では赤外スペクトルの帰属や単結晶電極との違いを議論する。

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電気化学界面でのSAMを利用したキラル認識とそのメカニズム

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現在、ISFET-pHセンサは参照電極部分に従来のAg/AgCl電極等とKCl溶液を用いている。ISFET-pHセンサおよびFET-バイオセンサの小型化には参照FET（REFET）の開発が必要不可欠である。そこでODS（n-Octadecyltrimethoxy-silane）のSAMで修飾したREFET等のpH応答と塩濃度応答を測定し、Gouy-Chapman-Sternモデルに従って解析を行った。

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親水性固体表面上に、幅数十nm程度の微小な間隙（ナノゲート）を規則的に構築した。本基板上で自発成長している脂質二分子膜について、単一分子蛍光観察による膜内分子の拡散性の評価を試みた。膜成長に由来する異方的ドリフト運動がナノゲートの無い基板では確認されたが、これはナノゲート基板上では高度に抑制された。このドリフト速度の減少量より、ナノゲートによる分子拡散障壁の形成メカニズムについて議論する。

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和周波数発生分光法による電極／溶液界面構造のその場追跡

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金属表面上に構築された自己組織化単分子膜の物性は、その吸着構造に大きな影響を受ける。これまでにアルカンチオール類の吸着構造に関しては詳細に研究されてきたが、電気伝導性の観点から注目されているベンゼンチオール類に関しては不明な点も多い。本研究では、金単結晶表面上に構築されたメチルベンゼンチオール単分子膜の構造と電気化学的応答が結晶面によって異なる様子をギャップモード増強ラマン法で観察した。

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アミノプロピルトリエトキシシラン、スベリン酸ジスクシンイミジル（DSS）を介してヒト血清アルブミン（HSA）を固定化したITO電極を用いてトリプトファン（Trp）のキラル識別を試みた。具体的にはTrpの鏡像体間で電位応答を比較してキラル識別能を評価し、さらに応答に対する界面構成分子の寄与を検討した。その結果、HSAがキラル識別に寄与し、DSSがその現象を電位応答として反映させていると示唆された。

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表面Ｘ線散乱法による電極／溶液界面のその場構造評価

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電極表面におけるエッチングや表面修飾反応は、固液界面における最も典型的な化学反応であるが、原子レベルでの動的過程は未だ明らかとなっていない。本講演では、電気化学走査プローブ顕微鏡を用いて、塩化物イオンを含んだ過塩素酸中でのAu(111)電極表面の電気化学エッチング過程を原子レベルで観察した結果を報告する。特に、ビデオレートで画像取得が可能な新規なプローブ顕微鏡を用いた観測結果を示す。

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AFMを用いて Pt多結晶板に担持した立方体型Ptナノ微粒子の実構造を，空気飽和した0.1 M NaClO4中で観察した。電気二重層領域(0.8 V(RHE))から酸素発生直前の1.7 V(RHE)までは一辺の長さが10 nmの立方体型Ptナノ微粒子のAFM像が明確に観測された。酸素発生が起こる2.1 V(RHE)では，立方体の幅は変化せず高さのみが減少した。このことは，立方体の上面からナノ微粒子の溶解が始まることを示す。さらに電位を上げるとナノ微粒子は無秩序な形状へと変化した。

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真空中での固液界面における反応と観察 - イオン液体の利用によるナノ構造体作製と電子顕微鏡によるその場観察

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近年では、リチウムイオン電池の解析に代表されるように、固液界面反応の詳細な解析がますます重要となってきている。本研究では、半導体微細加工プロセスを応用することで、基板上に複数のマイクロ電極を配置した電気化学マイクロセルを開発した。さらに、作製した電気化学マイクロセルを用いて、溶液中での金電極上におけるコバルトナノドットの成長過程をその場でリアルタイムTEM観察する事に成功した。

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溶液内単一原子ナノワイヤの構造・伝導度制御

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FTO電極上に異方成長した直径約55nmのZnOナノロッドをテンプレートとして電気化学的にAuを被覆した後、ZnOを除去することにより多孔質Au電極を作製した。さらにPtナノ粒子を担持したZnOナノロッドを用いることにより、細孔内にPtナノ粒子を担持した多孔質Au電極を作製することにも成功した。得られた電極のメタノール酸化反応に対する電極触媒活性を評価し、細孔内でPtナノ粒子が触媒として機能することを明らかにした。

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光電子顕微鏡による表面解析

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光電子分光で見る表面Rashba効果

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半導体表面におけるアクセプター分子の電子状態

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ナノ磁性体のMCD

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深さ方向XAFS解析

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触媒表面反応の動的解析

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シンポジウム講演 ダイヤモンド表面は、水素で終端されると電子親和力が負になったり、ｐ型の導電性を示すなど、興味深い物性を示す。このような表面物性は、ＦＥＴに応用されるなど重要な役割を果たしているが、その物理的機構は明らかになったとは言いがたい。このような観点から、最近のダイヤモンドの表面・界面研究の様々な研究成果を解説する。　

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シンポジウム講演

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密度汎関数法に基づく第一原理電子状態計算および第一原理分子動力学法は、さまざまな実験手法と組み合わせることによって、固体表面への分子吸着状態や吸着機構の理解に大きな力を発揮する。本講演ではNi表面へのSO₂分子吸着，Si表面への有機分子吸着，N/Cu表面のナノパターン形成など，実験グループとの共同研究を通じて明らかにしてきた表面吸着系の特徴とその物理的起源について紹介する。

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グラフェンは現在固体物理の分野において最もホットな材料の1つであると言っても過言ではない。2004年の薄膜グラフェンの単離を契機に、200000 cm²/Vsもの大きな電界効果移動度を有するFETの創出、単層グラフェンにおける室温に至る量子ホール効果の発現、超伝導近接効果の発見など興味深い物性が数多く報告されている。本講演では我々が昨年世界に先駆けて成功したグラフェンへの室温スピン注入の詳細とスピン輸送特性の詳細を報告し、その物性について議論したい。

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新規MgC系透明材料の開発 －新規Mg系非酸化物系透明材料の紹介－

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デンプン顆粒は、アミロペクチン、アミロースと単純な物質で形成されているが、その内部構造についてはいくつかのモデルが提案されているものの、未だ不明点が多い。そこで、我々はデンプンの切片を作製し、デンプン内部構造のAFM観察を行った。

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原子間力顕微鏡(AFM)を用いたタンパク質など生体分子間に働く相互作用の測定が広く行われている。しかし、フォースカーブ測定では測定結果が真の目的の分子であるかどうか判断は難しく直接的な証明を欠いていた。我々は周波数シフト法を用いて液中における生体分子間の引力相互作用を画像化する手法を開発した。さらに振幅とタンパク質変形の関係について調べ、引力相互作用の画像化に必要な実験条件を検討した。

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プロテインAは免疫グロブリンGとの特異的な結合で知られるタンパク質である。免疫グロブリンGとの結合は可逆的であり、pH変化によって結合と乖離を制御できる。免疫グロブリンGと結合する中性および乖離すると考えられる酸性の各溶液中でのプロテインAの構造、および酸性溶液中から中性溶液中へ移動した場合のプロテインAの構造変化を飛行時間型二次イオン質量分析法を用いて評価した。

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