[スポンサーリンク]

一般的な話題

単分子の電気化学反応を追う!EC-TERSとは?

[スポンサーリンク]

史上初の電池として知られるボルタ電池が開発された1799年から220年あまり、電気化学反応は広く研究されており、すでに解明されている反応だという認識の方も少なくないかもしれません。しかし、測定技術の発展によっていま、原子レベルの局所的な反応メカニズムが場所によって異なることが明らかになってきています。そこで、電気化学反応を単分子レベルで調べられる最先端の手法について解説します。

電気化学反応の究極的な理解には、単分子レベルの測定が必要

電気化学反応は、電極表面と分子の間の電子の受け渡しを介する化学反応です。溶液中の電極に電流を流して物質を分解したり、逆に化学反応から電流を取り出したりすることできるため、電気・化学エネルギー変換と呼ばれることもあります。蓄電池や水素発生に用いられることから、来るカーボンニュートラル時代に向けて詳細な理解が求められている反応です。
近年の研究で、電気化学反応の活性は、電極表面に並ぶ金属原子ひとつの欠陥や、一原子分の段差(ステップ)などの単原子・分子レベルの微細な構造に大きく影響を受けることがわかってきました(1)。つまり、この反応を究極的に理解するためには、反応物分子が電極表面のどこに近づき、どのように電子を受け取り、生成物となるか、ひとつひとつの原子・分子の反応を「見る」必要があるということです(図1)。

図1. 電気化学セルの電極上の単分子レベルの構造が反応メカニズムに影響する

単分子測定の進化 EC-TERSに至るまで

では、ひとつひとつの原子・分子を見るためには、どのような手法があるでしょうか。
真空中や大気中において、先端が原子ひとつになっている金属探針を使って、表面をなぞることで原子を可視化する走査トンネル顕微鏡(STM)という手法が、1980年代以降発展してきました。例えば、炭素で構成されるグラファイト(HOPG)表面をなぞると、炭素原子が並んでいる形をはっきりと「見る」ことができます(図2)。

図2. HOPG表面のSTM像

この手法を溶液中の電極表面に適用すると、電気化学反応を起こしている電極表面を「見る」ことができます。電気化学(EC)とSTMを組み合わせて、EC-STMと呼びます。この手法で、例えば、グラファイト表面が電気化学的に酸化されて削られていく様子を捉えることができます(図3)。

図3. 酸化反応前後のHOPG表面のEC-STM像

しかし、これだけでは、電気化学反応を「見た」ことにはなりません。反応の結果として生じる形状の変化は捉えられても、一つひとつの分子の動きまでは捉えることができないからです。
詳細な分子の動きを捉えるには、分光学の力を借りるのが有効です。特に、分子に光を照射して散乱光を検出するラマン分光(Raman Spectroscopy)を用いると、分子の振動を捉えることができます。電極表面に近づいて吸着し、電子を受け取る間の分子の振動から、どのように反応が進行するかを推察することができると期待されます。実際に真空中や大気中で、STMとラマン分光を組み合わせた探針増強ラマン分光(TERS)で、ひとつの原子・分子の振動を検出することにすでに成功しています(2), (3)。
そこで、電気化学(EC)とSTMを組み合わせてEC-STMを行ったのと同様に、電気化学(EC)とTERSを組み合わせるのが、EC-TERSです(4)-(6)。分子が電極表面のどこに吸着し、どのように電子を授受して反応が進行するのか、ひとつひとつの分子の動きを描くことで、エネルギー問題を解決しうる電気化学反応のメカニズムを明らかにすることが期待されます(図4)。

図4. 各手法の関係とEC-TERS

EC-TERSのこれから

現在、EC-TERSの信号を捉えることに成功しているのは世界でも数グループのみです(4)-(6)。そのどれもが、ひとつの分子の化学反応を解明するには至っていませんが、日進月歩で技術は進歩しています。ひとつひとつの原子・分子の反応を「見る」ことができる日は近づいています。

電気化学とSTMと光を組み合わせた高度かつ最先端の実験の今後の展開に、注目してみてください!

この研究に関して、月額型のクラウドファンディングを行っています。研究の進捗を追えるリターンがあります。よかったらこちらも覗いてみてください!

単一分子を追える装置で化学反応のメカニズム解明に挑む!(学術系クラウドファンディングサイト(academist)

関連記事

参考文献

  1. Pfisterer, J. H. K.; Liang, Y.; Schneider, O.; Bandarenka, A. S. Direct Instrumental Identification of Catalytically Active Surface Sites. Nature 2017, 549 (7670), 74–77. DOI: 10.1038/nature23661
  2. Lee, J.; Crampton, K. T.; Tallarida, N.; Apkarian, V. A. Visualizing Vibrational Normal Modes of a Single Molecule with Atomically Confined Light. Nature 2019, 568 (7750), 78–82. DOI: 10.1038/s41586-019-1059-9
  3. Jaculbia, R. B.; Imada, H.; Miwa, K.; Iwasa, T.; Takenaka, M.; Yang, B.; Kazuma, E.; Hayazawa, N.; Taketsugu, T.; Kim, Y. Single-Molecule Resonance Raman Effect in a Plasmonic Nanocavity. Nat. Nanotechnol. 2020, 15 (2), 105–110. DOI: 10.1038/s41565-019-0614-8
  4. Zeng, Z. C.; Huang, S. C.; Wu, D. Y.; Meng, L. Y.; Li, M. H.; Huang, T. X.; Zhong, J. H.; Wang, X.; Yang, Z. L.; Ren, B. Electrochemical Tip-Enhanced Raman Spectroscopy. J. Am. Chem. Soc. 2015, 137 (37), 11928–11931. DOI: 10.1021/jacs.5b08143
  5. Kang, G.; Yang, M.; Mattei, M. S.; Schatz, G. C.; Van Duyne, R. P. In Situ Nanoscale Redox Mapping Using Tip-Enhanced Raman Spectroscopy. Nano Lett. 2019, 19 (3), 2106–2113. DOI: 10.1021/acs.nanolett.9b00313
  6. Yokota, Y.; Hayazawa, N.; Yang, B.; Kazuma, E.; Catalan, F. C. I.; Kim, Y. Systematic Assessment of Benzenethiol Self-Assembled Monolayers on Au(111) as a Standard Sample for Electrochemical Tip-Enhanced Raman Spectroscopy. J. Phys. Chem. C 2019, 123 (5), 2953–2963. DOI: 10.1021/acs.jpcc.8b10829

関連記事

  1. 研究室の大掃除マニュアル
  2. 有機合成化学協会誌2026年6月号:抗体・薬物複合体・機能性有機…
  3. 魔法のカイロ アラジン
  4. その酸素、“本当にその場所”の値ですか? ニードル式酸素センサー…
  5. 夏のお肌に。ファンデーションの化学
  6. 世界の技術進歩を支える四国化成の「独創力」
  7. クオラムセンシング阻害活性を有する新規アゾキシアルケン化合物の発…
  8. 細胞同士の相互作用を1細胞解析するための光反応性表面を開発

注目情報

ピックアップ記事

  1. スーパーなパーティクル ースーパーパーティクルー
  2. 安藤弘宗 Hiromune Ando
  3. 「重曹でお掃除」の化学(その2)
  4. BASFクリエータースペース:議論とチャレンジ
  5. 第50回Vシンポ「生物活性分子をデザインする潜在空間分子設計」を開催します!
  6. 第46回―「分子レベルの情報操作を目指す」Howard Colquhoun教授
  7. 大学院生のつぶやき:第5回HOPEミーティングに参加してきました
  8. 周期表の形はこれでいいのか? –上下逆転した周期表が提案される–
  9. 第17回大津会議 -Otsu Conference- 2026 開催報告 ~新体制で紡ぐ「有機合成の夢」~
  10. ゴジラの強さを科学的に証明!? ~「空想科学研究所」より~

関連商品

ケムステYoutube

ケムステSlack

月別アーカイブ

2021年11月
月 火 水 木 金 土 日
1234567
891011121314
15161718192021
22232425262728
2930  

注目情報

最新記事

光前駆体法の活用によって、ヘプタセンで初の一重項分裂を観測!

第725回のスポットライトリサーチは、京都大学大学院 理学研究科化学専攻 有機元素化学研究室(山田研…

【スタッフ・寄稿募集】Chem-Stationで、化学を「伝える側」になりませんか?

Chem-Station(ケムステ)は2000年に開設された国内最大の化学ポータルサイトです。大学・…

第17回大津会議―とある参加者の記録―

2026年9月28日~29日に開催された第17回大津会議についての、とある参加者の記録です。この記事…

第17回大津会議 -Otsu Conference- 2026 開催報告 ~新体制で紡ぐ「有機合成の夢」~

第17回大津会議が2026年9月28日(月)〜9月29日(火)びわ湖大津プリンスホテルにて開催されま…

有機合成化学協会誌2026年10月号:医薬品プロセス開発・σ芳香族性・含窒素複素環・メロテルペノイド二量体・高歪み化合物

有機合成化学協会が発行する「有機合成化学協会誌」2026年10月号がオンラインで公開されています。…

時代は水だ! セメントのように水と混ぜるだけで成形・硬化できる「水硬性」高分子

第724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(大塚研究室)博士前期課程2年の徳満玲…

複雑さを設計して、結晶の動きをプログラムする

第723回のスポットライトリサーチは、高知工科大学大学院工学研究科(林研究室) 博士後期課程3年の樋…

ハロゲンの力で強力な結合を切断!天然物クマリンから医薬品・機能性材料原料のクマラノン類へ

第 722 回のスポットライトリサーチは、立命館大学大学院薬学研究科薬学専攻 精密合…

観察を写真で残す!カメラ内蔵リアクタ EasyMax 102i を使ってみた

反応の温度も、攪拌(かくはん)も、滴下も、サンプリングもいまや自動で記録される時代になりました。とこ…

ケムステ人気新着記事 トップ 5【2026年9月版】

2026年9月にケムステでは21本の新しい記事を公開しました。この記事では、その新着記事の中から、ペ…

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