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                スポットライトリサーチ

                赤外光で分子の結合を切る!

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                第224回のスポットライトリサーチは、東◆京大學生産技術研究所蘆原研究︾室の森近一貴(もりちか いっき)さんにお願いしました。

                蘆他人打招呼一边领着江原研究室は、先端的な超高速分光技術を使って、物質の性質や化學反応を自在に操作する手法の開発を精力的に展開されています。

                超高速分光の要である超短パルス光は、フェムト秒(fs, 1000兆分の1秒)やピコ秒(ps, 1兆分の1秒)といった非常に短い時間だけ強度をもつ光です。今回の主役は、その中でも中赤外領域のエネルギーを持ったパルス光です。この光を分子に照射すると、特定の化學結合に大きなエネルギーを註入できるため、普通の熱勵起では起こせない様々な現象を引き起こせる可能性があります。今回紹介いただけるのは、うまく制禦した赤外領域の超短パルス光と金屬ナノアンテナを組み合わせて特定の振動モードを強勵起することで、化學結合を切斷できたという衝撃的な成果で、Nature Communications誌に掲載されています。東京大學よりプレスリリースされており、複數のメディア(オプトロニクステックアイなど)でも取り上げられています。

                “Molecular ground-state dissociation in the condensed phase employing plasmonic field enhancement of chirped mid-infrared pulses”
                Ikki Morichika, Kei Murata, Atsunori Sakurai, Kazuyuki Ishii & Satoshi Ashihara
                Nature Communications, 2019, 10, 3893.?DOI: 10.1038/s41467-019-11902-6

                蘆原聡準教授からは森近さんと本研究求成果について、以下のようにコメントをいただきました。

                振動ラダークライミングによる分子反↘応制禦は、古くから興味が持たれており、気相分子を対象に盛んに研究されました。ところが、実用的に重要な液相では振動緩和の影響でなかなか成功例が出て來ず、世界的にもやや意気消沈していたように思います。森近君は、最先端のレーザー技術、そしてプラズモニクスを有機的に結びつけることで、一つの壁を破ったと言えます。
                森近君は、私が東大に移って初めて受け入れた學生です。性格は穏やかでありながら、しっかりと自分の考え、強い芯をもつ人物です(さすがは高校野球某強豪高№↘の元副応援団長!)。超短パルスレーザー、プラズモニクス、振動分光、非線形分光などの基礎事項を焦らずしっかり學び、さらには実験にも積極的に取り組んできました。今回の成果は、皆が諦めかけていたターゲットに対し、新たな工夫を凝らして挑み、さらには註意深い実験を繰り返して手にしたものです。この成果を勵みに、さらに大きな果実を実らせて欲しいと思います。

                それでは、森近さんからのメッセージをご覧ください!

                Q1. 今回のプレスリリース対象となったのはどのような研究ですか?

                電場の波形を整えた赤外光を使って、液相分子の化學結合を切ることに成功しました。

                多くの化學反応が「分子を構成する原子の組み替え」であることを考えると、反応を操作するための鍵は化學結合の切斷にあります。結合を切るためには、その結合が関與する分子振動に一定以上のエネルギーを與えなければなりません。従來の加熱によるアプローチでは、あらゆる分子振動モードにエネルギーが分配され、目的とする反応以外の反応も促進されてしまうという欠點があります。

                そこで、加熱に代わる手法として註目されているのが赤外光の利用です。一般に、分子振動の共鳴は赤外域に存在し、その周波數は振動モードによって異なります。よって、反応に関わる分子振動を選択的に勵起することで、目的とする反応だけを誘起することができます。このアプローチは「Molecular Surgery(分子手術)」と呼ばれ、究極的な反応制禦手法の一つとして期待されていますが、多くの化學反応の舞臺である溶液中では未だ実現されていませんでした。

                Morichika_Fig1.png

                本研究では、液相分子の振動モードを強く揺さぶるために、光の電場波形を制禦する技術と、光を微小時間?微小空間に集中させる技術(プラズモニクス)を導入しました。その結果、18,000 Kの熱エネルギーに相當するエネルギーを狙った振動モードに註入し、化學結合を切ることに成功しました。今後は、醫療?環境?エネルギーなどに関わる幅広い化學反応を対象に、本手法の適用範囲を広げることを期待しています。

                Q2.?本研究テーマについて、自分なりに工夫したところ、思い入れがあるところを教えてください。

                赤外光の照射によって分子の結合が切れているという確信を得るのに、かなりの時間を費やしました。実を言うと、この研究の最初の目的は、プラズモニクスを導入することで分子の振動がどのくらい強く勵起されるかを確かめることでした。そして、いざ実験をしてみると、想定していた信號とはかなり様子の違う信號が観測されました。この想定外の結果を解釈するために、先行研究を徹底的に調べていくつかの仮説を立てました。そして、それらの仮説を一つ一つ実験で検証していく中で、「赤外光の照射によって分子の結合が切れている」という結論に辿り著きました。最初の実験結果が得られてからこの結論に至るまでに1年近くかかってしまいましたが、とても貴重な経験が出來たと思っています。

                Q3. 研究テーマの難しかったところはどこですか?またそれをどのように乗り越えましたか?

                特に難関だったのは、赤外光照射による反応生成物の同定でした。紫外光を同じ分子に照射した先行研究の中に、結合が切れたところに溶媒分子が結合するという報告があったのですが、生成物のスペクトルが今回の実験で得られたものとは様子が違っていました。そこで、同じ研究所內で化學を専門に研究されていて、ちょうどその頃別の共同研究をさせていただいていた石井先生と村田先生に相談しました。その中で、結合が切れた分子が金屬表面に吸著しているのではないかというご意見をいただきました。そして、村田先生に実際に量子化學計算で確かめていただいた結果、実験とよく合う計算結果が得られ、反応生成物の同定に至ることができました。

                Q4. 將來は化學とどう関わっていきたいですか?

                分子を構成している原子を直接操作して任意の化合物を自由に合成することは、化學の究極的な目標の一つです。赤外光は、このような分子反応制禦を実現する可能性を秘めています。今回の研究ではまだ一例を示したに過ぎませんが、今後は様々な分子反応の制禦へと展開できればと考えています。

                Q5. 最後に、読者の皆さんにメッセージをお願いします。

                今回の研究を通して痛感したのが、研究は一人ではできないということです。デバイス作製や分光実験?ディスカッションなど、各場面で多くの方々からの助言?手助けが無ければ、今回の成果には繋がらなかったと思います。一人で黙々と試行錯誤する時間もちろん大切ですが、行き詰まった時には色々な人に相談して、新しい視點を得ることも大切だと思います。

                最後になりましたが、本研究を遂行するにあたり熱心にご指導いただきました、蘆原聡準教授、櫻井「敦教博士、および本研究の共同研究你正常发挥他们就会很者である石井〒和之教授、村田慧助教にこの場を借りて深く感謝申し上げます。

                関連リンク

                研究者の略歴

                森近 一貴(もりちか いっき)MorichikaIkki.jpg

                所屬:東京大學 生産技術研究所

                専門:超那苏图想要让这样的人高速光科學

                略歴:
                2018年4月-現在 日本學術振興會特▲別研究員DC2
                2017年4月-現在 東京大學 工學系研究科 物理工同样的四菜一趟两人却學専攻 博士課程 在學
                2017年3月 東京大學 工學系研究科 物理工學别说自己了就算整个林専攻 修士課程 修了
                2015年3月 東京大學 教養學部 統合【自然科學科 卒業

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                ニューヨークでポスドクやってました。今は舊帝大JK。専門は超高速レーザー分光で、分子集合體の電子ダイナミクスや、有機固體と無機固體の境界、化學反応の実時間観測∩に特に興味を持っています。

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