ナノの光で起こる化学反応 -単一分子の分子結合切断の観測とその機構の解明に成功-

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2018/05/04 理化学研究所

要旨

理化学研究所(理研)開拓研究本部Kim表面界面科学研究室の數間惠弥子研究員、金有洙主任研究員らの国際共同研究グループは、工業用途があり有害物質であるジメチルジスルフィド(DMDS)分子が、局在表面プラズモン共鳴現象[1](以下、プラズモン)によるナノメートル(nm、1nmは10億分の1メートル)サイズの領域に局在した光によって分解することを見いだしました。また、この単一分子の化学反応を実空間、実時間で観測することに成功し、従来の説と異なる新たな反応機構を提案しました。

持続可能な社会に向けて、クリーンかつ再生可能な太陽光、なかでも太陽光の約半分を占める可視光[2]のエネルギーを有効利用する技術開発が求められています。金属のナノ構造を用いるとプラズモン共鳴現象によって、可視光を金属表面近傍のナノ領域に集光することができます。このプラズモンによる「ナノの光」は入射光よりもはるかに強いことから、プラズモンを利用した可視光の高効率エネルギー変換が可能になります。近年、プラズモンが起こす化学反応は注目を集めていますが、ナノの光が起こす化学反応は直接観測が困難なため、反応機構は未解明で応用研究への課題が多く残されています。

今回、国際共同研究グループは、原子レベルの空間分解能を持つ走査型トンネル顕微鏡(STM)[3]を用いて、プラズモンによる化学反応の直接観測を試みました。STMの探針と金属基板間のナノの隙間(ナノギャップ)に光を照射することで生成できるプラズモンを利用し、銀および銅の基板に吸着したDMDS分子を分解させることに成功しました。さらに、このプラズモンによる分解反応の実空間および実時間観測に成功し、プラズモンによって「分子内直接励起[4]」が高効率で起こっていることを明らかにしました。

今後、分子と金属の界面における相互作用を制御することで、反応に要する光エネルギーの調節や反応機構の制御ができることから、新しい光触媒[5]の開発につながると期待できます。

本研究は、米国の科学雑誌『Science』(5月4日号)に掲載されます。

※国際共同研究グループ

理化学研究所 開拓研究本部 Kim表面界面科学研究室
研究員 數間 惠弥子(かずま えみこ)
主任研究員 金 有洙(きむ ゆうす)

蔚山大学 化学科
助教 鄭 載勲(じょん じぇふん)

富山大学 工学部
名誉教授 上羽 弘(うえば ひろむ)

イリノイ大学シカゴ校 化学科 教授 マイケル・トレナリー(Michael Trenary)

背景

持続可能な社会に向けて、クリーンかつ再生可能な太陽光エネルギーを有効利用する技術の開発が求められています。特に、可視光は太陽光に含まれる光の約半分を占めることから、可視光で駆動する太陽電池や光触媒の研究開発が世界中で盛んに行われています。

可視光は回折限界[6]により、数百ナノメートル(nm、1nmは10億分の1メートル)以下の領域には集光することができません。一方、約100nm以下の金属のナノ構造を用いると、局在表面プラズモン共鳴現象(以下、プラズモン)によって可視光を金属表面近傍のナノ領域に集光させる(厳密には光電場[7]を生成する)ことができます。プラズモンによって金や銀のナノ粒子は、光を強く吸収し鮮やかに発色することから、古代から釉薬(ゆうやく)やステンドグラスなどに用いられてきました。プラズモンによる「ナノの光」は入射光よりもはるかに強いことから、プラズモンを利用した可視光の高効率エネルギー変換が可能です。このため、ナノ領域における分光分析、さらに太陽電池や光触媒への利用が盛んに研究されています。なかでも、プラズモンが起こす化学反応は2010年頃から注目を集めています。しかし、ナノの光が起こす化学反応は直接観測が困難であるため、反応機構は未解明で応用研究への課題が多く残されています。

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