走査型トンネル顕微鏡は、非導電体の表面を高解像度で画像化するもので、金属表面の画像化に適しています。 顕微鏡を選ぶだけでなく、標本を見るための適切なテクニックを選択することも不可欠です。

今回は、金属表面を顕微鏡で観察する方法と、それに適した顕微鏡の種類を詳しくご紹介します。

金属表面を顕微鏡で観察する場合、どの顕微鏡を使えばいいのでしょうか？

走査型トンネル顕微鏡は、金属の表面を観察するのに最適な顕微鏡で、針を使って金属の表面を走査し、画像を作成するものです。

圧電振動子を搭載したカンチレバーに針を取り付け、振動子がカンチレバーを振動させることで、針が素材表面を移動する。

この顕微鏡の解像度は非常に高いので、金属表面の微細な部分まで見ることができます。

走査型トンネル顕微鏡（画像出典：Rama, Wikimedia Commons CC BY-SA 3.0 FR)

金属を顕微鏡で見るための4大技術

現在、金属表面を顕微鏡で観察するためにさまざまな手法が用いられていますが、それぞれの手法には利点と欠点があります。

代表的な技法として、以下のようなものがあります。

1.X線光電子分光法（X-ray Photoelectron Spectroscopy

X線光電子分光法（XPS）は、X線を金属表面に照射し、金属中の電子を励起させ、その電子が元のエネルギー準位に戻るときに光子を放出することにより、金属の表面を調べる技術です。

XPS装置は、この光子を検出し、金属表面のマップを作成することができます。 X線光電子分光法は、表面の化学組成に非常に敏感ですが、薄いサンプルにしか使用することができないのです。

• XPSは感度の高い技術で、金属表面のわずかな変化も検出することができます。
• また、金属の表面の組成を調べるのにも使用できます。

2.走査型電子顕微鏡

走査型電子顕微鏡（SEM）は、電子を使って金属の表面の画像を作成します。 SEMの中に金属を入れると、電子ビームが浴びせかけられます。

この電子が金属表面の原子と相互作用して、光子を放出します。 光子は光の一種ですから、この光子を検出することで、金属表面の画像を作成することができるのです。

• SEMは、さまざまな金属表面の研究に使用される非常に汎用性の高い技術です。
• また、比較的簡単に使えるので、科学者の方にも好評です。

画像引用元：kennethr, Pixabay

3.原子間力顕微鏡

原子間力顕微鏡（AFM）は、金属の表面を観察するための一般的な技術です。 この方法は、鋭いチップを使って金属の表面をスキャンします。

チップと表面との間の力を利用して、金属のトポグラフィー画像を生成します。 ここでは、そのプロセスを紹介します：

• まず、金属製の試料を特定のステージに置き、顕微鏡の先端を試料の上に配置します。
• チップの位置が決まったら、チップに小さな力を加えて、チップをサンプル表面に接触させます。
• チップの移動に伴うチップと表面の力を測定し、その情報をもとに顕微鏡で表面のトポグラフィー画像を生成します。

地形画像とは、地表の高さを示す3次元の画像です。

• AFMの最大の利点は、さまざまな金属表面の研究に利用できることです。
• また、AFMを使えば、表面を原子レベルで研究することができる。

4.ライトマイクロスコピー

可視光と拡大レンズを使って小さなものを拡大して観察する光学顕微鏡は、金属の表面形状を調べるのに役立ちます。

ここでは、金属学研究のための標準的な光学顕微鏡の方法を紹介します：

• ブライトフィールドマイクロスコピー 暗い試料を白色光で照らすことで、明るい背景に暗い画像を映し出す方法です。
• 暗視野顕微鏡： 暗視野顕微鏡では、円形絞りで光を遮って標本を照らすので、暗い背景に明るい像が見える。
• クロスポラライザーです： 接眼レンズと光源の前に偏光板を直角に配置し、金属などの複屈折試料の観察に役立てます。 複屈折材料は、進行方向によって光の屈折率が異なるためです。
• ノマルスキー差動干渉コントラスト： NDICはクロスポラライザーと似ていますが、偏光板の代わりにコンペンセーターが存在し、コンペンセーターが干渉領域を作り、画像にコントラストとして表示されます。

画像引用元：felixoncool, Pixabay

• 光学顕微鏡は、さまざまな産業でさまざまな用途に使われています。
• 用途に応じて、複数の光顕法を使い分けることができます。

金属を顕微鏡で見る仕組み

金属を顕微鏡で見ることができる仕組みを理解する前に、金属の構造と組成を理解することが必要です。

金属は結晶構造を持ち、原子が規則正しく並んでいます。 このパターンは格子として知られています。 金属の原子は強い電気力によって結合されています。 原子の中でこの力を生み出しているのは電子です。 原子の最も外側のエネルギーレベルにある電子は、内側の軌道にある電子ほど核に強く固定されてはいません。

外側のエネルギー準位にある電子は、原子から原子へと自由に移動することができ、これが金属の電気伝導性をもたらしています。 また、金属が持つ光沢も外側のエネルギー準位にある電子が担っています。 光って見えることを指します。 では、この構造によって、金属を顕微鏡で見ることができるのはどうしてでしょうか。

金属に光を当てると、外側のエネルギー準位にある自由電子が光のエネルギーを吸収し、そのエネルギーを再び光として放出します。 これを蛍光といいます。 そのため、特定の光源を備えた顕微鏡を使えば、金属を見ることができます。 光源が金属に光を当てると、自由電子が光のエネルギーを吸収し、そのエネルギーを光として放出します。その光を顕微鏡でとらえ、拡大することで、金属をより小さく見ることができるのです。

画像引用：Artem Podrez, Pexels

金属を顕微鏡で見る応用編

金属を顕微鏡で見ることができるため、様々な応用が可能です。 ここではその一部をご紹介します。

メタロオグラフィー

金属組織学とは、金属の微細構造を調べる学問です。 金属の微細構造とは、原子の配列や相互作用、欠陥の有無など、原子レベルでの組織を示します。

例えば、金属を加熱すると原子の振動が大きくなり、金属の形状が変化します。 この温度変化に対して、異なる金属がどのように反応するかを金属組織検査で調べることができます。

その後、航空宇宙、自動車、エネルギーなど、さまざまな産業で活用される予定です。

フォレンジック

法医学者は、犯罪現場に残された金属製の証拠品を顕微鏡で調べることがあります。 凶器から宝石の一部まで、さまざまなものが含まれることがあります。

科学者は顕微鏡を使って、その品物の製造元を特定するユニークなマークを探すことができます。 同様に、研究者は顕微鏡を使って、金属の証拠品を特定の出来事と照合することができます。

そうすることで、容疑者と犯罪を結びつけることができるのです。

画像引用：Edward Jenner from Pexels

レーザーシステム

産業や医療の現場では、さまざまな種類のレーザーが使われています。 しかし、レーザーが正しく動作しているかどうかは、どうやって確認すればいいのでしょうか。

顕微鏡で金属を見ることで、レーザーが金属にどのような影響を与えているかを知ることができます。 この情報は、新しいレーザーの開発や既存のレーザーの改良に不可欠です。

結論

走査型トンネル顕微鏡を使って、顕微鏡下で金属を調べることができます。 金属を調べる技術には、光顕微鏡、原子間力顕微鏡、電子顕微鏡などがあります。

これら3つの技術はいずれもメリット・デメリットがあるため、ニーズに応じて使い分けることが肝要です。

ニーズといえば、金属のミクロな研究は、科学捜査、工学、医学など、さまざまな分野で応用されています。 新しい技術の開発により、今後さらに多くの応用が期待されます。

• //www.mccrone.com/mm/ways-examine-metals-light-microscopy/
• //www.bioimager.com/metallurgical-microscopy-basics-applications/
• //chemed.chem.purdue.edu/genchem/topicreview/bp/ch13/structure.php
• //www.azonano.com/article.aspx?ArticleID=5681
• //www.examcompetition.com/forum/284361/which-microscope-is-often-used-to-view-metal-surfa

注目の画像引用元：Piqsels