高エネルギー加速器研究機構と理化学研究所、韓国科学技術院などの研究グループは2月19日、原子同士が結合して分子が生まれてくる瞬間を撮影することに成功したと発表した。ストロボのように瞬間的に発光するX線を利用して、金の原子同士が結合する様子を動画としてとらえた。植物の光合成を人工的に再現する技術の開発などに欠かせない有力な観測手法になると期待している。
■発光時間100分の1ピコ秒のストロボX線を利用
撮影したのは、金メッキ材料として古くから使われている金と炭素、窒素からなる金錯体のイオン溶液にレーザー光を照射したときに起きる現象。理研のX線自由電子レーザー施設「SACLA」が出すパルス状のストロボX線などを利用して、金原子間の距離や位置関係がどのように変化するかを調べた。
その結果、金錯体のイオン溶液は、光をあてる前、溶けた金イオン同士は弱い引力で相互に引き付けあい集合体になっていた。ただ、その状態は不安定で、集合体の構造自体が揺れ動いていた。しかし、光を当てた瞬間に金イオン間の距離は急激に縮み、金の原子が直線状に並んだ強固な構造を持つようになった。
このことから、金の原子同士の間に化学結合が形成され新しい分子が生まれたと研究グループはみている。ただ、この化学結合は光を照射してから10万ピコ秒（ピコは1兆分の1）後には消失して元の集合体に戻った。
溶液中での化学反応は、一般的に結合する原子と原子の間隔が100ピコm程度と極めて小さい。反応時間も1ピコ秒以下という短時間で高速に進む。そのため、これまでは化学反応で原子同士がどのように結合していくかを可視化することは難しかった。
これに対し今回は、波長が83ピコmと小さく、発光時間も100分の1ピコ秒と、より短いストロボX線を利用することで、高解像度・超高速でしか見られない化学反応過程を初めて画像化することに成功した。
今回の成果によって光化学反応の詳しい解析に道が開けるとして、研究グループは今後、「高効率な人工光合成システムの開発に向けて、その設計指針となる研究を進めたい」と言っている。
