硫黄の結合状態を3次元で可視化 ―ミクロな材料内部の化学状態をナノスケールで観察―

2026-05-27 東北大学

Tohoku Universityの研究グループは、硫黄の化学結合状態をナノスケールで三次元可視化する新手法を開発した。研究では、放射光施設 NanoTerasu のBL10Uビームラインを用い、硫黄K吸収端近傍でのX線タイコグラフィCT測定を実施した。その結果、約80 nmの分解能で、マイクロメートル厚の高分子材料内部における硫黄-硫黄結合および硫黄-炭素結合の空間分布を三次元的に観察することに成功した。4種類のX線エネルギーを利用した解析により、電子密度や硫黄濃度に加え、化学結合状態の違いを立体的に再構成したところ、球状領域では硫黄-硫黄結合が多く、非球状領域では炭素・酸素成分や硫黄-炭素結合が優勢であることが判明した。これにより、高分子内部の化学状態が空間的に不均一であることが明らかとなった。本成果は、軽元素材料の内部構造と化学状態を同時解析する新技術として、電池材料や高分子材料の機能発現機構の解明に貢献すると期待される。

硫黄の結合状態を3次元で可視化 ―ミクロな材料内部の化学状態をナノスケールで観察―
図1. 硫黄K吸収端近傍におけるX線タイコグラフィCT測定の模式図

<関連情報>

硫黄K吸収端プティコグラフィー断層撮影法を用いた、マイクロメートル厚のポリマー中の硫黄化学状態の三次元イメージング Three-dimensional imaging of sulfur chemical states in polymers with micrometer thickness using sulfur K-edge ptychographic tomography

Yuhei Sasaki,Nozomu Ishiguro,Masaki Abe,Shuntaro Takazawa,Naru Okawa,Mihiro Ikenaga,Fusae Kaneko & Yukio Takahashi
Scientific Reports  Published:16 May 2026
DOI:https://doi.org/10.1038/s41598-026-52630-4  Unedited version

Abstract

Three-dimensional visualization of chemical bonding states in light-element materials remains challenging, particularly for micrometer-thick specimens, due to strong X-ray absorption and limited photon flux in the tender X-ray regime. Here three-dimensional chemical-state imaging of sulfur in sulfurized poly(n-butyl methacrylate) (SPBMA) samples up to ~ 3.3 µm thick is demonstrated using ptychographic X-ray computed tomography at the sulfur K-edge. A high-resolution ptychographic CT system at the NanoTerasu BL10U beamline enables quantitative mapping of electron density, sulfur concentration, and spectral metrics derived from multi-energy imaging, that serve as proxies for sulfur–sulfur and sulfur–carbon bonding states, with ~ 80 nm spatial resolution. Multi-energy volumetric analysis using four carefully chosen photon energies reveals pronounced spatial heterogeneity in sulfur bonding, distinguishing sulfur–sulfur and sulfur–carbon bonds that are inaccessible from spatially averaged spectra. This study establishes sulfur K-edge ptychographic tomography as a potential platform for three-dimensional chemical-state imaging of light-element materials, enabling new nanoscale investigations of functional polymers and energy-related materials.

0500化学一般
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