産総研、原子レベルで化学反応の可視化に成功
a）電子線照射により二量化がすすみ融合していくC60フラーレン分子の変化を捉えた電子顕微鏡像。左から右にかけて電子線照射量が増加し、化学反応が進行している。 （b）分子のコントラスト（明暗）を強調した画像。 （c）分子のモデル構造。
M. Koshino, Y. Niimi, E. Nakamura, H. Kataura, T. Okazaki, K. Suenaga, S. Iijima: “Analysis of the reactivity and selectivity of fullerene dimerization reactions at the atomic level” (フラーレン分子の二量化反応における反応性と選択性の原子レベル解析), Nature Chemistry, advanced online publication(2010). http://dx.doi.org/10.1038/nchem.482
独立行政法人 産業技術総合研究所（産総研）ナノチューブ応用研究センター カーボン計測評価チームの越野雅至 研究員、岡﨑俊也 主任研究員、ナノテクノロジー研究部門 自己組織エレクトロニクスグループ 片浦弘道 研究グループ長らは、JST 新見佳子 技術員、国立大学法人 東京大学大学院 理学系研究科化学専攻 中村栄一 教授と共同で、フラーレン分子の二量化反応を原子レベルで解析することに成功したと発表した。化学反応する1つ1つの分子を原子レベルで可視化した。
単層カーボンナノチューブの中にフラーレン分子を閉じ込め、密度、温度、金属原子の効果、与えるエネルギーなどを変化させて反応性を最適化し、電子顕微鏡で反応を見た。その結果、ひとつひとつの分子の向きが反応に直接影響することなどが明らかになった。Nature Chemistryのオンライン速報版に掲載された。
フラーレン分子2個に電子線を照射すると二量化反応が起こる。この研究では、フラーレン分子（直径0.7〜0.8 nm）をカーボンナノチューブ（内径約1.2〜1.5 nm）の中に閉じ込め、収差補正機構を備えた電子顕微鏡を用いて、フラーレン分子の二量化反応の様子を原子レベルで観察した。極低温（セ氏−269度）や低加速電圧（80 kV）といった、さまざまな環境における高分解能観察が可能になり、高速フーリエ変換を用いた画像処理技術などを組み合わせた。
カーボンナノチューブの中に閉じ込めたC60フラーレン分子の電子顕微鏡像は、透過像であるため「透かし絵」のように見える。分解能が上がり、よく見えるようになると、カーボンナノチューブ自身の縞模様がC60フラーレン分子自身の模様と重なって現れ、構造解析の妨げとなる。この画像に数学的な処理（高速フーリエ変換など）を施すとチューブの縞模様だけを消すことができ、C60フラーレン分子の模様だけが浮かび上がり、原子レベルでの観察が可能となった。
電子線を照射してまず最初に分子がくっつくとき、どこの面で結合が形成されるのか。反応途中の情報を得る分析手法はこれまでなかった。実際の顕微鏡像と電子顕微鏡像のコンピューターシミュレーションの比較を行ったところ、二量化反応の初期段階は、いくつかの結合様式が予想されたが、[2+2]環化縮合のモデル構造が実験像をうまく説明できることが分かった。反応がさらに進むとC60フラーレン分子が融合したピーナツ構造になり、さらに電子を照射していくとピーナツ型の分子はチューブ状に変化した。
このように、C60フラーレン分子の二量化反応が進むにつれて2つの分子の電子顕微鏡像が変化していく様子から、分子同士が初めに接触した後どのように相互作用し、さらにどのように結合の再構成が起こるかを明らかにすることができた。またカーボンナノチューブ内に閉じ込めた分子の数（濃度）や温度、金属原子の有無、反応に使われるエネルギーの大きさなど、さまざまな外部要因が化学反応に与える影響を詳細に調べることにより、いろいろな実験条件で原子レベルでの化学反応の可視化が可能であることを示した。
今後はこの技術を有機分子や生体分子へ応用することで、個別分子の反応機構の解明、分子間相互作用の動的な解析、さらには新薬開発など構造化学に基づく分子設計などの幅広い分野での発展が期待されるという。
サッカーボール型分子C60―フラーレンから五色の炭素まで (ブルーバックス) 著者／訳者：山崎 昶 出版社：講談社( 1997-04 ) 定価：￥ 693 新書 ( 170 ページ ) ISBN-10 : 4062571684 ISBN-13 : 9784062571685
著者／訳者：飯島 澄男 出版社：岩波書店( 1999-01-22 ) 定価：￥ 1,050 単行本 ( 110 ページ ) ISBN-10 : 4000065661 ISBN-13 : 9784000065665
このブログで関連すると思われる他の投稿
Comments are closed.
