NIMS、化学反応中の元素の動きをX線の動画として取得する方法を確立

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ケミカルガーデンのカルシウムと鉄の蛍光X線動画イメージング

物質・材料研究機構(NIMS)は2017年8月28日、化学反応中の各元素の動きを、X線の動画として連続取得することに成功したと発表した。開発された「蛍光X線動画イメージング法」は、さまざまな化学反応系に適用可能だ。

化学物質の再現性の高い合成法を確立し、より優れた合成方法を見出す上で、反応中にそれぞれの元素の量・濃度がどの位置でどのように変化してゆくのかを正確に理解することが重要となる。例えば、ケミカルガーデンと呼ばれる化学反応では、塩化カルシウムと硫酸鉄の混合粉末から、樹木が成長するように反応が進み、色や形が複雑に分布する物質が得られる。従来は、こうした色や形の変化を光学顕微鏡等で観察し、元素の量や濃度の変化を間接的に解釈するしかなかった。このため、直接元素をとらえる方法が求められていた。

NIMSの桜井健次上席研究員を中心とする研究チームは、物質にX線を照射した際に出る蛍光X線のエネルギーから元素の種類を、強度から量を測定する蛍光X線分析法という分析技術を高度化し、元素の動画イメージングに活用する研究を行ってきた。従来主流であった「走査法」(小さなビームを試料にあてXY走査して画像を得る)に対し、大きなビームを試料の観察視野に照射してカメラのような二次元検出器で画像を得る「投影法」の技術開発に取り組み、2003年頃には、加速器からの非常に強力なX線を用いた蛍光X線動画像の取得にも成功している。

しかし、化学反応の実際の研究のためには、通常の実験室でも利用できる小型・軽量・低消費電力の機器を用いて同等以上のX線画像を取得できる必要があった。同研究グループでは、実験室レベルのX線管と可視光用の冷却CCDカメラ、CMOSカメラ等からなる、投影法による蛍光X線イメージング機器の開発に取り組み、今回、元素の動画イメージングに成功した。

今回行ったケミカルガーデンの反応過程の撮影では、鉄とカルシウムのそれぞれが異なる拡散速度で移動しており(上図)、ケミカルガーデンの色や形状の違いが鉄とカルシウムの濃度の差異により生まれていることが明らかになった。この反応が直接的に元素の動画像として観察されたのはこれが初めてだという。

今後、同研究グループでは、この蛍光X線動画イメージングの技術をさらに多くの化学反応系に応用し、反応のメカニズムを元素の観点で解明していく考えだ。

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