原子間力顕微鏡（Atomic Force Microscope (AFM)）は、1986年にノーベル物理学賞を受賞したIBMチューリッヒの G. Binnigらによって1985年に開発された、主に試料の表面微細構造を観察する顕微鏡です。AFMは電気伝導性の有無にかかわらず試料の表面構造を大気中、真空中、液中で観察することができ、低温・昇温実験も可能で、表面の凹凸情報をナノメーターオーダーあるいは分子・原子レベルで定量的に得ることができる比較的新しい分析法です。この幅広い融通性と高分解能により、工学、生物学、医学および地球科学などの広い分野で注目されています。

AFMの本質は，試料表面をカンチレバー先端に付いた探針で走査し、試料表面ー探針間に生じる「力」を画像化することにあります。研究室にあるAFMは光てこ方式で、カンチレバー（てこ）の背面にレーザー光を当て、カンチレバーの撓みによる光の反射角の変化を２（あるいは４）分割した光ダイオードに入射する光の相対強度の変化として検出します。

研究室にあるAFMは、液中セルとThermal Application Controllerを搭載していて、液中での減温・昇温実験が可能です。例えば、酸性溶液やアルカリ溶液中での鉱物の溶解その場観察や過飽和溶液中での鉱物の結晶成長その場観察などの実験が可能となります。

アルカリ溶液中でのスメクタイト結晶（単層：長さ約2 µm、高さ約1 nm）の溶解を示すAFM像。溶解反応前の結晶粒子と反応開始から約2時間40分後の同結晶粒子を重ねることで、{110}端表面(a)と{010}端表面(b)の後退速度に差が見られることが解りました。一方で、(001)表面における溶解現象は認められません。スメクタイトは、高レベル放射性廃棄物の地層処分における人工バリアの基本構成の一つである緩衝剤として有力視されているベントナイトの主要構成粘土鉱物です。

純水中でのバライト(001)劈開表面の溶解で形成されたエッチピットを示すAFM像。左の像では、180°回転した２枚の半層ステップを派生しているラセン転位点で誕生したエッチピットを捉えています。右の像では、単層のステップを派生しているラセン転位点で形成されたエッチピット（右）と刃状転位点で形成されたエッチピット（左）が映し出されています。両エッチピットの横方向の後退速度はほぼ同じであるのに対し、深さ方向の後退速度はラセン転位点で形成されたエッチピット（右）の方が２倍速いことが解りました。バライト（重晶石）は、様々な地質学的環境下に存在する最も豊富なバリウム鉱物で、その溶解と沈殿は地球表層におけるバリウムの循環をコントロールしています。また、一般的なスケール鉱物で、水に対する溶解度が極めて低いので、石油・ガス・水生産システムなどでは厄介な鉱物とされています。さらに、バリウムイオンと放射性元素であるラジウムイオンのイオン半径と電気陰性度が類似しているため、バライトの溶解・成長間におけるラジウムイオンの挙動にも影響を及ぼします。

白雲母劈開表面の四面体シートの六員環を示す3D AFM像。白いスポットは、四面体シートを構成するSiO4四面体の底面酸原子群に相当します。この表面構造を詳しく見ると、六員環は[310]方向に延ばされ、六角形でなく複三角の対称性を持つことが解ります。また、ある特定の底面酸素(O(5))の落ち込みにより、[-110]方向に走るグルーブ（溝）構造が見られます。これらの構造変化は、SiO4四面体の回転および傾きによって引き起こされたものですが、内部構造で起こる変化よりも大きい傾向が見られます。結晶内部では各原子の動きは隣接する原子群によって制限されますが、表面では半分はフリーな状態にあり、その分だけ動きやすくなります。このような結晶表面で起こる構造変化を、表面構造緩和と言います。ちなみに、この白雲母劈開表面の底面酸素ネットワーク構造の詳細を示すAFM像が、英国地質学会（The Geological Society）から発行されている著名な鉱物学テキスト ROCK-FORMING MINERALS, Volume 3C, Sheet Silicates Clay Minerals に引用・紹介されました。