原子同士が結合して新しい分子が生まれる瞬間をX線によってストロボ撮影

このニュースリリースには、英語で提供されています。

高エネルギー加速器研究機構(KEK)、基礎科学研究院(Institute for Basic Science, IBS)、韓国科学技術院(Korea Advanced Institute of Science and Technology, 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)※1施設「SACLA」を用いて、ピコ秒(1ピコ秒＝1兆分の1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ました。

これは、KEK物質構造科学研究所の野澤俊介准教授、佐藤篤志博士、足立伸一教授、KAISTのKim Kyung Hwan博士、Ihee Hyotcherl教授、理研放射光科学総合研究センターの石川哲也センター長、ビームライン研究開発グループの矢橋牧名グループディレクター、 JASRI・XFEL利用研究推進室の富樫格研究員らを中心とした共同研究グループの成果です。本研究は、理研X線自由電子レーザー(XFEL)施設「SACLA」とKEKの放射光施設PF-ARビームラインNW14Aを利用して行われました。

本成果は、科学雑誌『Nature』のオンライン版2月19日号(報道解禁日時：日本時間2月18日(水)21時)に掲載されます。

化学反応により溶液中の原子と原子が結合して新しい分子が生成する瞬間を直接「観る」ことは、化学者の長年の夢です。原子と原子の間隔は100ピコメートル(1ピコメートル＝1兆分の1メートル)という極めて微小なサイズで、原子と原子の結合はピコ秒(1ピコ秒＝1兆分の1秒)以下という極めて短い時間で進行します。化学者はこれまで、「ピコメートル」と「ピコ秒」という二つの「ピコ」の壁に阻まれて、フラスコの中で進行する化学反応を眺めながら、原子と原子が結合する瞬間を頭の中で想像するしかありませんでした。

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、本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ました。溶液中の金―金イオン間には、金イオン同士の親和性によって、ゆるい引力が生じています。特定の金錯体※2ではこの性質により分子同士が集合した状態が生じています。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ました。しかし、分子同士に結合が生成されるのは一瞬であり、その後に起こる構造変化も非常に速く複雑なため、詳しいことは分かっていませんでした。

本研究では、原子サイズの波長をもつX線を用いX線溶液散乱※3という測定法により、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ました。さらに、強力かつ極めて短時間だけ発光するストロボ光源を使うことにより、高速な反応中の一瞬の状態を切り取って観測しました。分子生成の観測に必要なこれらの条件を満たす光源としてXFEL施設「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(1フェムト秒は1000兆分の1秒)程度という最先端のX線ストロボ光源を利用しました(動画1)。

その結果、光をあてる前の金錯体の集合体は、金イオン同士が折れ曲がった構造を持ち、弱い引力のため集合体としての構造も不安定に揺れていますが(図2, S0状態)、光をあてた瞬間に金イオン間の距離は急激に縮まって強固な直線構造を取ることがわかりました(図2, S1状態)。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ります。この後、この分子はピコ～ナノ秒の比較的遅い時間スケールにおいて、構造変化を伴いながら(図2, T1状態)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ます(図2, tetramer状態)。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ていますが、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本研究結果から理解できます(図3)。研究グループは、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いました。

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雑誌名：Nature, Vol.518(オンライン版2月19日号)
論文題名："Direct observation of bond formation in solution with femtosecond X-ray scattering "(和訳：フェムト秒X線散乱を用いた溶液中における結合形成の直接観測)
著者名：K. H. Kim1, J. G. Kim1, S. Nozawa1, T. Sato1, K. Y. Oang, T. W. Kim, H. Ki, J. Jo, S. Park, C. Song, T. Sato, K. Ogawa, T. Togashi, K. Tono, M. Yabashi, T. Ishikawa, J. Kim, R. Ryoo, J. Kim, H. Ihee, S. Adachi. ※1 These authors contributed equally to the work.
DOI：10.1038/nature14163

【お問い合わせ】

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物質構造科学研究所
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FAX: 029－879－6049
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高エネルギー加速器研究機構 放射光科学研究施設フォトンファクトリー
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