準低温化学研究の開拓のための量子状態と反応温度の同時制御実験法の開発

• Project Area: Next Generation Astrochemistry: Reconstruction of the Science Based on Fundamental Molecular Processes
• Project/Area Number: 21H05430
• Research Category: Grant-in-Aid for Transformative Research Areas (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Transformative Research Areas, Section (II)
• Research Institution: Hiroshima University
• Principal Investigator: 高口 博志 広島大学, 先進理工系科学研究科(理), 准教授 (40311188)
• Project Period (FY): 2021-09-10 – 2023-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥12,740,000 (Direct Cost: ¥9,800,000、Indirect Cost: ¥2,940,000); Fiscal Year 2022: ¥6,370,000 (Direct Cost: ¥4,900,000、Indirect Cost: ¥1,470,000); Fiscal Year 2021: ¥6,370,000 (Direct Cost: ¥4,900,000、Indirect Cost: ¥1,470,000)
• Keywords: 状態選別光イオン化 / イオンガイド反応実験 / 低エネルギー衝突 / 化学反応ダイナミクス / 量子状態選別 / 準低温反応 / 準低温領域

Outline of Research at the Start

本研究課題では、100 Kまでの温度領域で、分子内部状態と並進運動の温度を独立に制御するイオン・分子反応実験手法を実現する。これにより、星間化学の反応環境での反応性と反応機構に対して温度が果たしている役割を、自由度ごとに分離して解明する。反応分子の初期量子状態分布を始点とした反応トラジェクトリーが、ポテンシャルエネルギー曲面上を伝播して、自由エネルギーランドスケープを形成する過程を実験的に検証して、従来の単一エネルギーでの量子散乱理論と、一様温度での反応速度論をつなぐ新しい化学反応論を開拓する。先端的ビーム実験法による測定結果から、星間化学反応に新しい考察の視点を提供することを目標とする。

Outline of Annual Research Achievements

極低温の星間分子雲では、分子イオンと中性分子との化学反応がその組成を決定づける主要過程とされている。環境温度の上昇は、衝突エネルギーの増加と反応分子の内部励起による、生成経路の分岐を含む反応性の変化を及ぼし、極低温における反応データからの外挿では理解できない反応結果をもたらす。星間分子雲の典型的温度である10Kほどから室温に至るまでの中間温度領域で、イオン・分子反応の機構がどのように変化するかに関する分子論的な解明が必要とされる。本研究課題では、イオン・分子反応に対して、量子状態と衝突エネルギーの同時制御機構を持つイオンガイド反応装置を用いた反応ダイナミクス研究を行った。
特定の振動・回転状態の分子イオンを生成するレーザー分光法をNO分子に適用して、NO+イオンと炭化水素系分子の反応を対象として、衝突エネルギー/量子状態依存性の相関を考察するための測定とともに、実験装置の改良を進めた。振動基底状態にあるNO+(v=0)は、極低温に対応する低衝突エネルギーほど高い反応断面積を示したが、NO+の振動励起が反応断面積を著しく低下させる測定結果が得られた。この結果は、反応温度は一様に反応性に影響するのではなく、自由度ごとに異なる機構が作用していることを示している。本研究課題で目的とした分子論的解明には、これらの依存性の相関測定に、より高い定量性が必要であった。多段階のイオンガイド部分の増設は低速イオンの輸送制御に有効であり、振動励起エネルギーと同程度以下の衝突エネルギー条件での測定を可能とした。一方、エネルギー分解能を衝突エネルギー幅は、本装置の長所である光イオン化による空間電荷効果に制限されていた。本測定装置を幅広い星間化学反応系に適用させるとともに、低密度でのイオン生成によって高分解能化仕様とするために、RF貯蔵式のイオン源を製作した。

Research Progress Status

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] ケルン大学(ドイツ)
• [Journal Article] Rate coefficients for the CH(X2Π) + CHX3 (X=Cl and Br) reactions and the propensity of the reactions of CH with halomethanes (2022)
  • Author(s): Yoshiki Atsumi、Sugino Yuta、Tendo Shogo、Fukami Rintaro、Kohguchi Hiroshi、Yamasaki Katsuyoshi
  • Journal Title: Chemical Physics Letters Volume: 804 Pages: 139879-139879
  • DOI: 10.1016/j.cplett.2022.139879
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Imaging studies of the CH3 fragments formed in the ultraviolet photodissociation of dimethylamine: Role of the parent 3s and 3p Rydberg states (2022)
  • Author(s): Wangchingchai Peerapat、Yamasaki Katsuyoshi、Kohguchi Hiroshi
  • Journal Title: Chemical Physics Letters Volume: 800 Pages: 139671-139671
  • DOI: 10.1016/j.cplett.2022.139671
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Overall and State-to-State Quenching of Atomic Oxygen O(2p33p 3PJ) by Collisions with He and N2 (2022)
  • Author(s): Shogo Tendo, Yuki Tanimoto, Takumi Daijogon, Masataka Adaniya, Daigo Kawabata, Kei Kobayashi, Yusuke Ogino, Hiroshi Kohguchi, Katsuyoshi Yamasaki
  • Journal Title: Chemical Physics Letters Volume: 797 Pages: 139508-139508
  • DOI: 10.1016/j.cplett.2022.139508
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Generation of Highly Vibrationally Excited CO in Sequential Photodissociation of Iron Carbonyl Complexes (2022)
  • Author(s): Nagamori Keigo、Haze Misato、Nakata Hiroyuki、Zingsheim Oliver、Yamasaki Katsuyoshi、Kohguchi Hiroshi
  • Journal Title: The Journal of Physical Chemistry A Volume: 126 Issue: 2 Pages: 306-313
  • DOI: 10.1021/acs.jpca.1c09922
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Complete Rotational Assignment of the (0,0) Vibrational Band of the A1Π-X1Σ+ Transition of Carbon Monosulfide (2022)
  • Author(s): Yuri Kuroko, Mayuu Kanesaki, Hiroshi Kohguchi, Katsuyoshi Yamasaki
  • Journal Title: Chemical Physics Letters Volume: 789 Pages: 139326-139326
  • DOI: 10.1016/j.cplett.2021.139326
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Detection of Atomic Bromine (4p5 2PJ; J = 1/2, 3/2) by Two-Photon Laser-Induced Vacuum Ultraviolet Emission (2021)
  • Author(s): Shogo Tendo, Ayaka Nishimura, Yusuke Ogino, Hiroshi Kohguchi, Katsuyoshi Yamasaki
  • Journal Title: Chemical Physics Letters Volume: 787 Pages: 139253-139253
  • DOI: 10.1016/j.cplett.2021.139253
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Nascent Vibrational Distributions of S2(X3Σg－) Generated in the S(1D) + OCS Reaction and Vibrational Relaxation by Collisions with He and CF4. (2021)
  • Author(s): S. Tendo, H. Tanimoto, K. Kobayashi, H. Kohguchi, and K. Yamasaki
  • Journal Title: Chemical Physics Letters Volume: 779 Pages: 138841-138841
  • DOI: 10.1016/j.cplett.2021.138841
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Pure Rotational Spectrum of CCl+ (2021)
  • Author(s): Asvany O.、Markus C. R.、Nagamori K.、Kohguchi H.、Furuta J.、Kobayashi K.、Schlemmer S.、Thorwirth S.
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Volume: 910 Issue: 1 Pages: 15-15
  • DOI: 10.3847/1538-4357/abe536
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Improvement and Determination of Higher-Order Centrifugal Distortion Constants of the A2Σ+-X2Π Electronic Transition of NO (2021)
  • Author(s): Haze Misato、Nakata Hiroyuki、Inoue Kento、Shinohara Ryo、Wangchingchai Peerapat、Nagamori Keigo、Onitsuka Yuuki、Yamasaki Katsuyoshi、Kohguchi Hiroshi
  • Journal Title: Journal of Molecular Spectroscopy Volume: 378 Pages: 111475-111475
  • DOI: 10.1016/j.jms.2021.111475
  • Peer Reviewed
• [Presentation] イオン化終状態を分離したキラル分子系の光電子円二色性の測定 (2023)
  • Author(s): 高口博志、金安達夫、彦坂泰正、和田真一、加藤政博、藤本將輝、太田紘志、鈴木喜一
  • Organizer: UVSORシンポジウム2022
• [Presentation] Complete rotational assignment of the (0,0) band of CS(A1P－X1S+) strongly perturbed by the a'3S+ state (2022)
  • Author(s): Yuri Kuroko, Mayuu Kanesaki, Hiroshi Kohguchi, Katsuyoshi Yamasaki
  • Organizer: 37th Symposium on Chemical Kinetics and Dynamics
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Role of the 3s and 3p Rydberg states in the ultraviolet CH3 photodissociation of dimethylamine (2022)
  • Author(s): P. Wangchingchai, K. Yamasaki, H. Kohguchi
  • Organizer: 37th Symposium on Chemical Kinetics and Dynamics
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 量子状態と衝突エネルギーを制御したイオン分子反応の観測装置の開発と性能評価 (2022)
  • Author(s): 中山圭剛、望月達人、山﨑勝義、高口博志
  • Organizer: 原子衝突学会年会第47回年会
• [Presentation] 量子状態と衝突エネルギーを制御したイオン・分子反応観測装置の開発 (2022)
  • Author(s): 中山圭剛、望月達人、山﨑勝義、高口博志
  • Organizer: 第16回分子科学討論会
• [Presentation] 全自由度解析アプローチによるsyn-anti異性体のエネルギー移動経路の探索 (2022)
  • Author(s): 采見悠吾,山口達也 井上健翔, 山崎勝義, 高口博志
  • Organizer: 第16回分子科学討論会
• [Presentation] ジメチルアミンの光解離反応における3sと3pリドベルグ状態の役割 (2022)
  • Author(s): ワンシンシャイ ピラパット, 山﨑 勝義, 高口 博志
  • Organizer: 第16回分子科学討論会
• [Presentation] 配位不飽和金属錯体の分光学的検出による光誘起配位子付加反応の直接的観測 (2022)
  • Author(s): 櫨 美里、奥田 悠加、狩野紅葉、山﨑 勝義、高口 博志
  • Organizer: 第16回分子科学討論会
• [Presentation] Role of the 3s and 3p Rydberg states in the ultraviolete CH3 photodissociation of dimethylamine (2022)
  • Author(s): P. Wangchingchai, K. Yamasaki, H. Kohguchi
  • Organizer: The 19th Nano Bio Info Chemistry Symposium
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Exploration of energy transfer pathways for syn-anti isomers using a full-degrees of freedom analysis approach (2022)
  • Author(s): Y. Unemi, T. Yamaguchi, K. Inoue, K. Yamasaki, H. Kohguchi
  • Organizer: The 19th Nano Bio Info Chemistry Symposium
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 光電子円二色性を示すキラル分子の探索 (2022)
  • Author(s): 高口博志、金安達夫、彦坂泰正、和田真一、加藤政博、太田紘志、鈴木喜一
  • Organizer: 第36回日本放射光学会年会
• [Presentation] Laboratory Experiments on Proton/Hydride Transfers under Interstellar Conditions (2022)
  • Author(s): Keigo Nakayama and Hiroshi Kohguchi
  • Organizer: Next Generation Astrochemistry:Reconstruction of the Science Based on Fundamental Molecular Processes
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Development of Guided Ion Beam Apparatus to Measure Ion Rotational and Vibrational Effects in NO+ + Hydrocarbon Systems (2021)
  • Author(s): T. Mochizuki, K. Yamasaki, H. Kohguchi
  • Organizer: 36th Symposium on Chemical Kinetics and Dynamics
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Correlation between the vibronic state of methyl nitrite and the vibrational state of NO products in the S1 photodissociation (2021)
  • Author(s): Y.Unemi, K.Inoue, K.Yamasaki, H.Kohguchi
  • Organizer: 36th Symposium on Chemical Kinetics and Dynamics
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] N-CH3 and N-H dissociation pathways from 3p Rydberg state of dimethylamine (2021)
  • Author(s): P. Wangchingchai, K. Yamasaki, H. Kohguchi
  • Organizer: 36th Symposium on Chemical Kinetics and Dynamics
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 二面角ポテンシャルエネルギー曲面による亜硝酸メチルの高回転励起NO生成の考察 (2021)
  • Author(s): 井上健翔, 篠原亮, 采見悠吾, 山崎勝義, 高口博志
  • Organizer: 第15回分子科学討論会
• [Presentation] Gas-Phase Study of Photo-Induced Ligand Release Dynamics of Transition-Metal Complexes (2021)
  • Author(s): Hiroyuki Nakata, Keigo Nagamori, Misato Haze, and Hiroshi Kohguchi
  • Organizer: 11th Asian Photochemistry Conference
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 光電子円二色性を示すキラル分子の探索 (2021)
  • Author(s): 高口博志、金安達夫、彦坂泰正、和田真一、加藤政博、藤本將輝、太田紘志、鈴木喜一
  • Organizer: UVSORシンポジウム2021