東大、量子力学が予言した化学反応理論を原子分解能顕微鏡による実験で証明

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カーボンナノチューブの中で[60]フラーレン同士が結合をつくる二量化反応をとらえた顕微鏡画像

東京大学の中村栄一特任教授らの研究グループは2017年11月27日、確率論的に起こる一つ一つの分子の反応挙動を顕微鏡で見ることで、その挙動が量子力学の理論の予測に合致することを初めて明らかにしたと発表した。化学反応がランダムに起きる一方で、統計的には一定の法則に従うという量子力学的遷移状態理論の予測を実証するものだ。

電子のもつ量子性を表す実験として「ダブルスリット実験」がある。隣り合う2 つのスリットを通して多数の電子を送り出すと、電子一つ一つは粒子としてランダムに挙動して検出器に到達するが、到達した電子の着地点の位置の統計を取るとあたかも波としての法則性が現れ、干渉縞を形成する。量子力学に基づいた化学反応速度理論では、ランダムに起こる分子同士の反応でも同様のことが起きると予測するが、実験的な証明は報告されていなかった。

今回中村教授らの研究グループでは、2つの分子が化学反応する様子を原子分解能電子顕微鏡で直接見ながら、その経過を実時間で追跡した。その結果、量子力学的遷移状態仮説に従って、個々の反応一つ一つはランダムに起きるが、統計を取ってみると、分子の反応速度が一次反応という法則性を示すことを発見した。

同研究グループでは2007年以来、「原子分解能単分子実時間電子顕微鏡イメージング(SMART-TEM)」という独自の分析手法により、分子の一つ一つの動きを動画として記録することに成功している。今回の研究では、この手法で記録した数十個の分子が化学反応する過程を記録した動画を元に、反応が「いつ」「どのくらい」起こるかを解析し、積算することで、反応の起こりやすさの指標である活性化エネルギーを求め、反応機構を推定した。

反応容器には直径1.4nmの筒状物質であるカーボンナノチューブを用い、チューブの中に1次元に配列させた[60]フラーレンの反応を、分子一つ一つについて、温度を変えながら原子分解能電子顕微鏡で直接観察した。カーボンナノチューブの中で[60]フラーレン同士が結合をつくる二量化反応に着目し、反応の起こる回数を電子顕微鏡の動画を見ながら積算したところ、ランダムに起こるようにみえる化学反応が、総和を取ると一次反応速度式に従うことが明らかとなった。

カーボンナノチューブ中での [60]フラーレンの反応の様子をとらえた電子顕微鏡画像


さらに様々に温度を変えて詳細な分析を行った結果、室温以上ではこの二量化反応が電子的に励起された[60]フラーレンを経由して起こる一方、室温以下の低温では電子線により[60]フラーレンが電子を失いイオン化することで反応が進行し、温度によって異なる反応機構をそれぞれ決定することができた。

今回の技術は、より大きな分子や、たくさんの分子が関わる反応の分析にも応用できる。これにより、従前の研究手法では多数の分子の平均に埋もれていた微細な分子の動きに関する情報が獲得できるようになる。また、顕微鏡を用いて化学反応を記録し解析できることが実証されたことで、今後、化学や生物学、材料研究における超微量、超高分解能の構造決定の標準手法としてさらに応用を広げることが期待される。

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