KEKら,原子が結合して分子になる瞬間を観測

高エネルギー加速器研究機構(KEK),基礎科学研究院(IBS),韓国科学技術院(KAIST),理化学研究所(理研),高輝度光科学研究センター(JASRI)は,X線自由電子レーザー(XFEL)施設「SACLA」を用いて,ピコ秒以下の間に進行する化学結合形成に伴った分子の生成過程を直接観測することに成功した(ニュースリリース)。

原子同士が結合して新しい分子が生まれる瞬間を実際に見るために,研究グループは水に溶けた金イオンに光を当てると強い結合が生まれる過程に注目した。特定の金錯体では分子同士が集合した状態が生じている。この集合体に光をあてると分子同士が結合し,複雑な構造変化を経て新しい分子が生成されることが予想されていた。

研究では,原子サイズの波長をもつX線を用いるX線溶液散乱により,光によって結合が形成される金イオン間の構造を原子レベルで精密に調べた。さらに,SACLAが供給する波長83ピコメートル,発光時間10フェムト秒程度のX線ストロボ光源を利用して高速な反応中の一瞬の状態を観測した。

その結果,光をあてる前は不安定に揺れていた金錯体の集合体は,光をあてた瞬間に金イオン間の距離が急激に縮まって強固な直線構造を取り,この構造変化から金―金イオン間に化学結合が形成され新しい分子が誕生したことが分かった。この後,この分子は金錯体をもう一つ取り込み,さらに新しい分子へと変化した。

この分子からの発光の色は金錯体を取り込む前と比べて大きく変化するため,発光材料や分子センサーといった光機能材料としての利用も期待されるが,この機能性の出現は金イオンの数が増えた分子構造の変化に起因することも理解できた。

研究は,光を当てた直後のピコ秒以内で起こる化学結合の形成過程についてはSACLAで測定を行ない,光機能性を持つピコ~ナノ秒スケールの過程については放射光施設(KEK PF-AR)のストロボX線を用いて測定を行なった。

今回,新しい分子が生まれる瞬間をX線で捉えることに初めて成功した。今回開発された分子動画撮影法は光エネルギー変換過程を構造的な面から原子レベルで詳細に追跡することが可能なため,人工光合成の技術開発において基盤的観測技術となるとしている。

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