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化学者のつぶやき

顕微鏡で有機分子の形が見えた!

(画像は論文より転載)

The Chemical Structure of a Molecule Resolved by Atomic Force Microscopy.
L. Gross et al. Science 2009, 325, 5944. DOI: 10.1126/science.1176210

そこら中にある分子の形が、人間の目で直接見えるようになったら――化学者が長年抱いていたこの夢が、徐々に現実のものとなりつつあります。

このほどIBMの研究者によって、ベンゼン環が5つつながった分子・ペンタセン(pentacene)の顕微鏡像が撮影されました。上図のごとく、化学結合まで鮮明に観測され、分子の形が分子模型を見るかのごとくはっきり分かります。


彼らは非接触型原子間力顕微鏡(Non-contact Atomic Force Microscopy; NC-AFM)という分析機器を用い、この画像の撮影に成功しました。

AFMの原理自体は、それほど難しいものではありません。
試料表面を探針(tip)でなぞると、試料との間に原子間力(引力)が生じます。その力の大きさをカンチレバー(Cantilever)の”たわみ”とし
て検出します。たわみ具合はレーザー光の反射角から精密に見積もることができます。このようにして、試料表面の凹凸を画像化しているのです(下図)。
同様
の測定ができる走査型電子顕微鏡(SEM)、走査型トンネル顕微鏡(STM)と比較して、導電性のない材料にも適用可能な利点を持ちます。通常、導電性に乏しい有機化合物を観測するためには、重要な特性といえます。

AFM_1.gif
(画像:Aglient.com)

NC-AFMでは、探針を上下振動させて走査し、探針-試料間距離に応じて変化する振動パラメータ(振幅、振動数、位相など)の変化を検出します。分解能などさまざまな点で接触型よりも優れており、既に原子レベルの分解能を誇ります。

しかし冒頭画像のごとく化学結合までをも可視化するには、それ以上、すなわちサブアトミックスケールにまで分解能を上げねばなりません。

IBMグループは、一酸化炭素(CO)を先端に結合させた探針を使うことで、この問題を解決しました。
AFMの分解能は、探針の先端径に大きく依存することが知られています。その点、COは究極に細い「分子サイズの探針」とみなすことができます。さらに、被占分子軌道(化学結合)が存在する場所においては、CO分子との間にパウリの排他原理に基づく斥力が働きます。これを検出することで、化学結合までをも可視化できるようになった、というわけです。

AFM_pentacene_2.jpg

これほどまでに鮮明なAFM画像を撮影するには、超高真空・極低温で測定を行う必要があります。非エキスパートでも軽々しく撮影できる代物でない、というのが少し残念ではあります。

しかし改良が進んで使いやすくなれば、有機化学者にとってはまさしく“夢の技術”たりえるのではないでしょうか。今後の発展を心待ちにしたいと思います。

関連動画

IBMによる広報動画

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cosine

cosine

博士(薬学)。Chem-Station副代表。現在国立大学教員として勤務中。専門は有機合成化学、主に触媒開発研究。 関心ある学問領域は三つ。すなわち、世界を創造する化学、世界を拡張させる情報科学、世界を世界たらしめる認知科学。 素晴らしければ何でも良い。どうでも良いことは心底どうでも良い。興味・趣味は様々だが、そのほとんどがメジャー地位を獲得してなさそうなのは仕様。

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コメント

  1. うおおなんだろこれ。/面白かった。詳しいことはまったく理解していないけど、構造が見えたことに感動した。

  2. "ベンゼン環が5つつながった分子・ペンタセン(pentacene)の顕微鏡像が撮影されました。上図のごとく、化学結合まで鮮明に観測され、分子の形が分子模型を見るかのごとくはっきり分かります""NC-AFM"使用。すげえ!!

  3. わわわわっ!感動ぅ。

  4. 分子の形を電子顕微鏡で撮影することに成功!という話。これはこの先、様々な応用が広がりそうだ。

  5. これはすごい。/ここまでくると導電性はどうなんだろう。どちらにしろSEMではこのスケールを見ることは出来ないだろうけど。

  6. ついに見えた!NMRいらずの時代はまだ先だろうが。

  7. なんか,構造式を覚えたての中学生がウソをついたような論文に見える… / 電子密度でも,原子-原子のvdWで説明できる形でもないのが謎だが,元論文にはパウリ反発の影響でこうなるとあるが,よくわからん

  8. いいなぁ

  9. このレベルならSTMでもできそうな気が・・・。

  10.  分子で分子が見えるとは・・・ しかも観測対象が軽い元素の軽い単分子でしかも結合まで見えるなんて・・・ あと中央部分は両端よりも非局在化してて結合が薄くなってるし・・・ 信じられん。

  11. ぶるった

  12. hot entry?

  13. ほんとにこんな形してるんか

  14. 超すげぇんだけど、この方法だとキラル分子みたいな立体もスキャンでけんのけ? そのうち電子をあてて立体スキャンとかでけたらたのしいなぁ

  15. CNTよりほっそい先端なんて!そして何気に単原子先端。

  16. 非接触型原子間力顕微鏡の探針先端にCOを結合させることで分解能を向上。ベンゼン環がはっきり見える!

  17. 感知レバーのたわみを感知する、と。¢(-∀-○)。

  18. 化学結合がこうしてばっちり見えるのが意外。概念的なものだと思ってた。

  19. すげー。ほんとに六角形なんだ。

  20. 本当に2次元なのか?

  21. 顕微鏡ってAFMのことなのね。有機分子だと超高真空・極低温が必須だろうけども、むしろ溶媒中で測定する不安定さの方が大変だと思う・・・液体すぐ汚れるし。

  22. 写真に感動した

  23. 想像してたよりはるかにはっきり可視化されててワラタwいいのこんなに見えてw

  24. 分子って本当にあんな風につながるんだな。単なる記号だと思ってた

  25. 本当にこんな形なのか…。

  26. 次はペンギノンでやろう、ペンギノン!

  27. うおおおおおおおおおおお

  28. sugeeee!分子軌道って妄想じゃなかったのか

  29. こういうミクロの世界は、巨大建造物を見たときと同じロマンを感じる

  30. 模型のピントをずらして撮影しただけなんじゃないかってくらい、そのまんまの形!すげえ!

  31. まじで!すGEEEEE! そのうちつまんで工作できるようになるのね。てかもうなってる?

  32. 細かいことはよくわかんないけど、ベンゼン環ってちゃんとキレイな輪の形してるんだね。

  33. 今後に期待!

  34. AFMのいいところは導電性のない材料に使えるだけでなく、電子線でサンプルが破壊されず、何度も観察できるのが良い。有機化学だけでなく、生命科学への応用を期待している。

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  37. スゲー!!!ベンゼン環てほんとに亀甲だったのね。

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  39. "single molecule"から"single atom"とかになっちゃう時がくるのかな。すげー。

  40. おおーー、綺麗に撮れてる!!

  41. 産総研で新型電子顕微鏡が発表 http://www.aist.go.jp/aist_j/press_release/pr2009/pr20090706/pr20090706.html されてたけど、それとは全然違う方式なんだな。詳しくないので解説がありがたい。

  42. うわあ、綺麗に見えるもんだ・・・結合の様子まで見えるのはちょっとびっくり

  43. 探針にCO分子を使ったことがポイント。「パウリの排他律」による斥力を検出することで、「化学結合を可視化」することに成功した

  44. 数年前フラーレンのHOMOとLUMOが見えたって話があったけど。針先をCO終端したりするのか!id:Leigh 分解能という観点ではSTMもいけるけど電気の流れるモノ限定なので…/↑カンチレバーの固有振動数の変化で高低を計ってた様な

  45. まじかこれ

  46. 共有結合が見える……だと……!

  47. 非接触型原子間力顕微鏡(Non-contact Atomic Force Microscopy; NC-AFM)

  48. いろんな意味でもやしもんみたい

  49. 分子模型通りなのがすごいんだけど、そもそも目に見えなかった構造をどうやって分子模型にしたのだろうと不思議に思うのです。

  50. 非接触型原子間力顕微鏡っていうCO分子が先端の探針使いカンチレバーのたわみ検出するする方法。原子だけでなく分子内の結合が見える。

  51. 一分子探針ですと。

  52. ターゲットの分子の分子軌道がある所にCO分子を近づけると斥力が生じるからその力を検出する、のかな。

  53. かがくの ちからって すげー

  54. まさか見えるようになるなんて想像もしてなかった

  55. あられもない姿が……。キャッ/というのは冗談として、これはすごいなー。

  56. 計測技術的には、おーっ、すごい!!! しかし有機化学はシミュレーションでいいんでないの?だって計算通りだよ、これ。

  57. ブログタイトルに製品名つけんなや

  58. おおお、すげー!別に分子模型みたいに棒や球があるわけじゃなくて、直線状に分布する何かの総体を見てるんだろうけど(これ以上は理解不能)、でもすごい。

  59. 原子間力顕微鏡

  60. 感動した

  61. あー、たわみを検出しているのに濃淡の単位がHzなのはなんでだろ?でも、みえちゃったものは仕方ないよねー。5Kという事は、ヘリウム温度かー

  62. 原論文読んだ

  63. ワンダホー!!

  64. すげー!分子模型と同じだww

  65. 何これすごい、分子の形が分子模型を見るかのごとく

  66. 化学結合を可視化

  67. 不思議だ。

  68. "ベンゼン環が5つつながった分子・ペンタセン(pentacene)の顕微鏡像が撮影" "非接触型原子間力顕微鏡(Non-contact Atomic Force Microscopy; NC-AFM)"

  69. これはきれい

  70. すごい!ワクテカするぞ!

  71. あぁぁ感動…

  72. 論理に追いつく現実ってのがすごい。早く光の速度を超えてほしいな。

  73. へーSTMよりスゴイのが出来てるんだ… 今度は分子構造でIBMを書くのかな…w ((( STMの時はニッケル表面上にキセノン原子でIBMの文字を書いた

  74. すごい!COを針に使ったAFMで解像度がサブアトミックスケールとな。

  75. 質量が存在する位置を検出・拡大することで見せている。本当に分子模型と同じ形をしていることに驚いた(笑)。

  76. sugoi

  77. STMなどと違って不導体でも使える&超高解像度

  78. これはすごい

  79. ほんとにそう見えるのねぇ

  80. ネタかと思ったら。すごい。

  81. もやしもんの時代が来たのか?!

  82. 良エントリ。紹介YouTubeの解説もわかりやすい。

  83. 分子ってほんとに分子模型と同じ形してんだな… あと分子一つをそこに置くのどうやってやるんだろ?

  84. み、見えた!●

  85. じーっと見てると黒いとこからミツバチが出てきそう

  86. ←まさか菌類やウイルス以外でこのタグを使うことがあるとは!でもこの本文出だしにはこのタグを付けざるを得ない。/それにしてもここまでくっきり見えちゃうものなのね。リアルに「うは♪」と言ってしまった(^^;

  87. "Seeing is believing."/やっぱり視覚情報の持つ説得力ってすごいです。/ちなみに、ときには"Seeing is disturbing."(by M先生)でもあるってことは忘れちゃいけないんですけどね。

  88. 凄いと言うこと以外よくわからない。一瞬拡張現実かと思ったよ

  89. 動画もあり。

  90. 分子模型が実際に!模型じゃないけど。

  91. モデルと実際の化学結合が一致しているのに驚く。AFMの原理から考えて、ベンゼン環のような平面構造は観察できそうだが、複雑な構造の観察はどうなのだろうか。

  92. 3Dで見られる時代もくるんでしょうかしらね

  93. 分子って本当にあったんだ

  94. 論文

  95. えええ

  96. 文字通り原子一個分の探針で分子を結合まで含めて可視化。

  97. えええ

  98. 化学結合も見える時代だったのかー

  99. ベンゼン環がみえてる!!!!

  100. あられもない姿が……。キャッ/というのは冗談として、これはすごいなー。

  101. 顕微鏡で有機分子の形が見えた! – 化学者のつぶやき -Chem-Station-

  102. "Seeing is believing.""Seeing is disturbing."(by M)

  103. 顕微鏡で有機分子の形が見えた! – 化学者のつぶやき -Chem-Station-

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