化学反応は水内部より水表面でより速く進むのか?~気液界面の化学反応の超高速観測~

2026-01-08 京都大学

京都大学の研究チームは、水溶液の表面(気液界面)での化学反応が内部よりも速く進むかを実験的に調べ、その結果を明らかにしました。海や大気中の液滴などでは、分子が空気と接する表面に存在し、反応速度が内部と異なる可能性が指摘されていましたが、表面にある分子が濃度の違いで反応が早く見えるのか、実際に表面という環境自体が反応を促進しているのかは不明でした。研究チームは、水溶液を真空中に微小な液体膜として噴出し、その表面に浮かぶフェノールやインドール分子にレーザー光を照射して反応を誘発・観測しました。その結果、表面の分子は内部の分子より約10倍速く反応が進行することを確認しました。この成果は、水表面特有の化学環境が反応速度を高めることを示し、環境化学や物質合成化学の理解深化や反応制御への応用可能性を示すものです。本研究成果は国際学術誌「Journal of the American Chemical Society」に掲載されました。

化学反応は水内部より水表面でより速く進むのか?~気液界面の化学反応の超高速観測~
フェノールやインドール分子が浮かんだ水の表面の超高速観測。真空中に導入した膜状の液体を使って水の表面で進む反応の速度を精密に測定できる。

<関連情報>

超高速光電子分光法による水性界面における芳香族分子の電荷分離ダイナミクスの解明 Charge Separation Dynamics of Aromatic Molecules at Aqueous Interfaces Revealed by Ultrafast Photoelectron Spectroscopy

Yo-ichi Yamamoto,and Toshinori Suzuki
Journal of the American Chemical Society  Published: December 31, 2025
DOI:https://doi.org/10.1021/jacs.5c18369

Abstract

Hydrophobic molecules can preferentially accumulate at the air–water interface, leading to interfacial concentrations far exceeding those in bulk solution and causing reactions to occur at higher rates. However, it remains unclear whether the reaction rate constants are intrinsically altered by the interfacial solvation environment. Here, we employ extreme ultraviolet time-resolved photoelectron spectroscopy (EUV-TRPES) to investigate the photoinduced charge-separation dynamics of the surface-active organic molecules indole, phenol, and phenolate. Ultraviolet photoexcitation of interfacial indole was found to produce both valence excited states and electron–cation contact pairs, both of which decayed faster than in the bulk solution. In contrast, interfacial phenol produced only valence excited states, with no detectable hydrated electrons or their precursors. Interfacial phenolate exhibited faster photodetachment than in the bulk solution. Both indole and phenol exhibit concentration-dependent dynamics due to interfacial molecular aggregation. These results contribute to a more comprehensive understanding of interfacial dynamics when considered alongside prior nonlinear optical spectroscopy studies. We further demonstrate EUV-TRPES with 18 fs time resolution, enabling direct observation of the 5 fs internal conversion of interfacial indole from the 1La to 1Lb state, followed by clear vibrational quantum beats. Thus, EUV-TRPES provides a powerful means for probing electronic and vibrational dynamics at interfaces.

0500化学一般
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