広報活動

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2016年6月10日

理化学研究所

水表面の電子を観測

-界面の超高速光化学が観測できる新手法を開発-

水表面に存在する水和電子のモデルの図

水表面に存在する水和電子のモデル

電子は負に帯電した素粒子の一つですが、水の中ではどのような状態で存在しているのでしょうか? 一般的に、溶液の中で溶けている分子やイオンは、いくつかの溶媒分子から取り囲まれて存在しており、その状態を溶媒和といいます。特に溶媒が水の場合は、水和と呼びます。電子も同じように、液体中に放出されると溶媒和され、「溶媒和電子」になります。溶媒が水の場合は「水和電子」になります。水和電子は反応性が高く、紫外線による生物のDNA損傷などに関与しています。

電子が生体物質などとどのように反応するかを理解するためには、まず溶媒である水相と物質相との境目(界面)で、電子がどのように水和されるかを明らかにする必要があります。水内部に存在する水和電子の構造とダイナミクスについては、これまで、種々の分光法によって詳しく調べられてきました。しかし、界面で電子がどのような状態で存在しているかは、ほとんど分かっていませんでした。

理研の科学者を中心とする共同研究チームは、界面領域の化学変化だけを観測できる新しい分光法「紫外励起時間分解ヘテロダイン検出振動和周波発生分光法」を開発しました。この分光法を用いて、水を紫外光励起することで水表面に電子を放出させ、その直後の水表面の振動スペクトルを得ることに成功しました。分子の振動数は、その分子の状態や周りの環境に対して鋭敏に変化するため、詳細な分子情報が得られます。振動スペクトルの解析から、水表面の電子は下側半分が部分的に水和された構造であることが明らかになりました(図参照)。しかしこの状態では安定化が不十分なため、電子は約100ピコ秒(100億分の1秒)の間に、より安定に存在できる水内部に拡散していくことが分かりました。

本研究で開発した分光法は、水和電子の観測だけでなく、液体界面で進行するさまざまな化学反応の観測に応用できます。今後、界面における化学反応の本質が明らかにされると期待できます。

理化学研究所
主任研究員研究室 田原分子分光研究室
大学院生リサーチ・アソシエイト(研究当時) 松崎 維信 (まつざき これのぶ)
専任研究員 二本柳 聡史 (にほんやなぎ さとし)
基礎科学特別研究員(研究当時) 日下 良二 (くさか りょうじ)
客員主管研究員 山口 祥一 (やまぐち しょういち)
主任研究員 田原 太平 (たはら たへい)