[スポンサーリンク]

化学者のつぶやき

顕微鏡で化学反応を見る!?

[スポンサーリンク]

 

Observations of Chemical Reactions at the Atomic Scale: Dynamics of Metal-Mediated Fullerene Coalescence and Nanotube Rupture
Chuvilin, A.; Khlobystov, A. N.; Obergfell, D.; Haluska, M.; Yang, S.; Roth, S.; Kaiser, U.
Angew. Chem. Int. Ed. 2010, 49, 193-196. DOI : 10.1002/anie.200902243

フラスコの中では一体何が起こっているのだろう……?

化学者が毎日想像する化学反応の様子を観測してしまった、インパクト抜群な論文が登場しました。

冒頭の図にある黒い点は、ジスプロシウムというランタノイド原子。始めは、カーボンナノチューブの中のフラーレンのそのまた中に入っていたこの原子が、フラーレンを喰い破り、さらにはナノチューブまで破壊してしまった――「フラーレン」「カーボンナノチューブ」といった化学を好きな人なら一度は耳にしたことのある花形分子たちが反応するその様子を、TEMを用いてリアルタイムで捉えることに成功しています。

早速その内容を見ていきましょう。

 

ナノサイズの試験管

今回映し出されている「化学反応」は、いわゆるナノピーポッドが舞台となっています。

peapod.PNG

ナノピーポッドとはフラーレンを内包したカーボンナノチューブの総称で、さやえんどうを連想させる姿からこう呼ばれています。詳しくは後述しますが、TEMという電子顕微鏡は電子線を「透過」させて像を得るので、試料はある程度薄いことが求められます。その点、カーボンナノチューブは厚み(=直径)がナノメートルサイズなのでTEMと相性が良く、ナノサイズの「試験管」として注目を集めています。実際、ランタノイド原子を内包したフラーレン自体はこの「試験管」を用いることで観測された例が以前にもありました。

では、なぜ今回、その反応までもを捉えることができたのか……?

鍵となったのは2つで、フラーレンに内包させるランタノイド原子としてジスプロシウム; Dyを選んだことと、観測に使ったTEMの電子線の出力を低くコントロールしたことでした。

 

Dy@C82

2015-06-09_08-06-09

この、一見「目玉おやじ」にも見えるもの、これがジスプロシウムを内包したフラーレンです。

不勉強にしてランタノイドについて明るくはないのですが、多くのランタノイド原子は安定な酸化状態として通常3価のみをとる一方、ジスプロシウムは4価もとり、これが大変強力な酸化剤となるとのこと。これを活性種として、ジスプロシウム内包フラーレン2分子がラジカル的に反応する機構が提案されています。

これはつまり、Dy(III)とDy(IV)による触媒サイクルが成立しているということです。言葉の厳密な意味を考えると正しくない表現かもしれませんが、一つ目のキーポイントはいわば適切な触媒を選んだことと言えると思います。

 

この反応においてジスプロシウムの酸化に効いているのが、2つ目の鍵であるTEMの電子線です。

 

TEM

TEMTransmission Electron Microscopeの略で、日本語では透過型電子顕微鏡といいます。少し乱暴なたとえですが、TEMの原理は葉っぱを太陽にかざすと葉脈が透けてみえるのと似ていて、光の代わりに加速した電子を試料に当てて、透過してきた電子を観測しています。

今回の反応の引き金となっているのはこの電子線が持つエネルギーであり、これによってジスプロシウムが酸化され、前述のような反応が進むようです。

実はこの電子線の加速電圧を調整することがミソだったようで、強すぎると(エネルギーが大きすぎると)フラーレンやナノチューブを直接破壊してしまい、その速さはTEMによる観測の時間尺度より早くなってしまうとのこと。これまで化学反応が捉えられなかったのは、ここに原因がありました。

タイトルにMetal-Mediatedとあるように、今回はエネルギーを低くコントロールし、一旦ジスプロシウムに渡す過程を踏むことで時間尺度の問題を緩和でき、このような観測が可能になったようです。

 

化学反応を直接観測したといっても、まだ原子が置換される様子が手にとるようにわかるとは言えませんが、ここまで見えるようになったのか、というのにただただ感心してしまいました。同論文のSapporting Infomationには動画もありました。大学のHPにも上がっていてどなたでも閲覧できますので、ぜひご覧下さい(コチラ)。約2分程度の動画ですが、最後の数秒であっという間にナノチューブが切断される様は一見の価値ありです。

 

ところで、この記事を書いているあいだにも化学は進歩していたようで、先日は東大の中村栄一教授がさらに詳しく化学反応を観測することに成功したようです。(Nature Chemistry, 2009, 2, 117 – 124 DOI:10.1038/NCHEM.482)こちらについても後ほど紹介したいなと思います。

 

Avatar photo

arrow

投稿者の記事一覧

大学で有機金属触媒について研究している学生→発光材料や分子性電子素子を研究している大学教員になりました。 好きなものはバスケとお酒、よくしゃべりよく聞きよく笑うこと。 日々の研究生活で見、聞き、感じ、考えたことを発信していきます。

関連記事

  1. 究極の脱水溶媒 Super2(スーパー スクエア):関東化学
  2. π⊥ back bonding; 逆供与でπ結合が強くなる?!
  3. 産業界のニーズをいかにして感じとるか
  4. Dead Endを回避せよ!「全合成・極限からの一手」①
  5. 計算と実験の融合による新反応開発:対称及び非対称DPPEの簡便合…
  6. 天然階段状分子の人工合成に成功
  7. 単一分子の電界発光の機構を解明
  8. マテリアルズ・インフォマティクスの基礎

注目情報

ピックアップ記事

  1. アジドインドリンを利用した深海細菌産生インドールアルカロイド骨格のワンポット構築
  2. 緑膿菌の代謝産物をヒトの薬剤に
  3. 相撲と化学の意外な関係(?)
  4. 高度に官能基化されたクロバン型テルペノイドの網羅的全合成
  5. 共有結合性有機構造体(COF)の新規合成・薄膜化手法を開発
  6. ケムステイブニングミキサー2018ー報告
  7. 「誰がそのシャツを縫うんだい」~新材料・新製品と廃棄物のはざま~ 2
  8. 【書籍】化学探偵Mr.キュリー5
  9. 誰でも使えるイオンクロマトグラフ 「Eco IC」新発売:メトローム
  10. 西田 篤司 Atsushi Nishida

関連商品

ケムステYoutube

ケムステSlack

月別アーカイブ

2010年1月
 123
45678910
11121314151617
18192021222324
25262728293031

注目情報

最新記事

条件の「前後」も実験条件である【プロセス化学者のつぶやき】

前回まで1. 設定温度と系内の実温度のお話2. 温度値をどう判断するか3. 反応操作をし…

そのpH、“本当にその場所”の値ですか?ニードル式pHセンサーを使ってみた!

突然ですが、「培養の再現性がなんか悪い」「同じ条件のはずなのに結果がズレる」といった経験はあ…

「骨格編集」×「ナノカーボン合成」〜ナノカーボン合成の新戦略を実証〜

第719回のスポットライトリサーチは、名古屋大学大学院工学研究科(忍久保研究室)博士後期課程2年の平…

【書評】立体化学 はじめの一歩

立体化学は,分子の三次元構造を理解するための重要な分野であり,有機化学や…

水のシミュレーション入門 — 水分子を計算機の中でどう”描く”か —

身近なのに、計算機にとって手強い"水"。本記事では、点電荷モデルから機械学習まで、その"描き方"の進…

◆◇◆◇ 第36回フォーラム・イン・ドージン開催のご案内 ◆◇◆◇

同仁化学研究所が熊本から世界へ情報発信するフォーラム・イン・ドージンの開催ご案内です。今年は『な…

『力』による円偏光発光のon/off制御を単一分子レベルで実現

第718回のスポットライトリサーチは、東京科学大学 物質理工学院(相良研究室)博士後期課程2年の野中…

数日かかっていた反応機構解析を、わずか数分に!

機械学習ポテンシャルが変える計算化学の現在近年、DFT計算による反応機構解析は広く行われるよ…

海外ポスドクのオファーをもらう【アメリカで Ph.D. を取る: 進路編】

ポスドクとして海外に留学する場合、希望する研究室の教授に直接連絡を取り、面接などを通して適性を判断さ…

MDで観るトライボロジー 〜原子が擦れるその場をシミュレーション〜

軽くて強いのに摩耗に弱いチタン合金は、航空機や人工関節に広く使われています。原子が擦れ合うその場を分…

実験器具・用品を試してみたシリーズ

スポットライトリサーチムービー

PAGE TOP