2014年4月22日
鈴木俊法 理学研究科教授（理化学研究所光量子工学研究領域分子反応ダイナミクス研究チームリーダー）とRoland Mitric Wurzburg大学教授の共同研究グループは、世界で初めて、液体表面近くで起こる電子移動反応をリアルタイムに観測するフェムト秒時間?角度分解光電子分光（TARPES ：Time and angle-resolved photoemission spectroscopy）に成功しました。
本研究成果は、米国の科学雑誌「Physical Review Letters」で近日中に公開されます。
研究者からのコメント
铃木教授
分子は電子と原子核からできており、電子の運動が化学反応の道筋を決めます。水溶液中では、電子運動は回りの水分子の影響を受けるため、裸の分子や有機溶媒中での運動とは異なります。これが反応の制御に繋がります。こうした溶液化学の核心である、電子のエネルギーや運動状態を直接調べられないか？ 例えば、化学反応が起こるスピードよりも速く光のフラッシュを当て、電子を飛び出させて観測することは可能か？ ただ、水溶液中で飛び出した電子は、溶液中で水分子に衝突するため、減速されたり速度方向がめちゃくちゃになって、実験は失敗するのではないか？ この研究は「重要だが難しい」からこそ面白くて、10年以上取り組んできました。
ポイント
- 水溶液中の化学反応机构を解明する新しい研究手法を开発
- 水溶液の表面近くで起こる电子移动反応を解明
- 水溶液の表面に捕捉された电子の探索
概要
あらゆる化学物质は电子と原子核からなる原子の集合体である分子によって构成されています。化学反応は分子衝突や光吸収によって分子内の电子の运动状态が変化し、原子に働く力が変化して化学结合が切断または新たに形成される过程です。分子は电子の云で覆われているため、溶液中に溶け込んだ状态では、周りの环境から电子运动に大きな影响を受けます。この影响は水や有机溶媒などの液体の性质によって异なるため（溶媒効果）、これを利用して、化学者は溶液化学反応の制御を行ってきました。しかし、溶液中の分子の电子状态が溶媒の影响を受けながら高速に変化する様子を実験的に捉えることは困难であり、溶液化学の理解は不十分でした。
そこで、京都大学の研究グループは、水溶液表面近くに存在する、かご状のアミン分子（顿础叠颁翱（1,4诲颈补锄补产颈肠测肠濒辞摆2.2.2闭辞肠迟补苍别））やヨウ素原子负イオンに、60フェムト秒（フェムトは千兆分の1）の时间幅をもつ紫外域のレーザー光パルスを照射し、これらの分子や原子の电子が溶媒である液体の水中へ移动する反応を开始させ、その过程を第2の紫外线パルス（60フェムト秒）を用いてリアルタイムに测定しました。第2のパルスを照射するタイミングを変えることで、液体から放出される电子の时间的変化を捉え、速度と角度を详细に测定することで分子や原子のまわりの溶液环境や电子移动反応の速さや移动方向を解明しています。
さらに、奥耻谤锄产耻谤驳大学の研究グループによる溶液中の顿础叠颁翱分子の电子状态や电子移动反応の理论モデル作成と、その量子力学的计算により実験结果を定性的に再现したことで、京都大学グループの実験结果を理论からも里付けることに成功しました。本成果は液体表面や液体内部にある分子の化学反応を明らかにする新手法を提案したものであり、基础科学的に极めて価値の高いものと言えます。
図：フェムト秒领时间分解能光电子分光装置の概略図
真空中に液体ノズルから液体ビームを喷射し、二つのレーザーパルスを照射し、生じる电子（光电子）の量を测定する。第一レーザーバルス（励起光）を照射后に遅延时间をおいて、第二レーザーパルス（イオン化光）で光电子を発生させる。イオン化光の偏光の电场ベクトルと光电子の速度ベクトルのなす角をθとし、光电子强度のθ依存性を遅延时间の関数として観测した。液体ビームは、装置の真空度を保つために、液体窒素温度に冷却された液体回収装置で冻结させて回収される。
详しい研究内容について
世界で初めて、溶液反応の超高速時間?角度分解光電子分光に成功 －溶液化学反応の機構解明に前進－
书誌情报
[DOI]
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Yo-ichi Yamamoto, Yoshi-Ichi Suzuki, Gaia Tomasello, Takuya Horio, Shutaro Karashima, Roland Mitríc, and Toshinori Suzuki
"Time- and Angle-Resolved Photoemission Spectroscopy of Hydrated Electrons Near a Liquid Water Surface"
Physical Review Letters 112(18), 187603 Published 8 May 2014
掲载情报
- 中日新聞（5月11日滋賀版 21面）、日刊工業新聞（4月23日 19面）および科学新聞（5月2日 6面）に掲載されました。
