2020 Fiscal Year Annual Research Report
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20J20967
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| Research Institution | Hokkaido University |
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Principal Investigator |
小山田 伸明 北海道大学, 大学院総合化学院, 特別研究員(DC1)
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| Project Period (FY) |
2020-04-24 – 2023-03-31
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| Keywords | 表面増強ラマン散乱(SERS) / 局在表面プラズモン共鳴（LSPR） / 分子マニュピレーション / 電気化学in-situ測定 / 固液界面分子凝集 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では光と物質の間における相互作用について化学反応性やエネルギー準位の側面から分光学的な理解を試みた。伝搬光を金属のプラズモンと共鳴させることにより界面にてナノスケールで電場が局在化することを利用し、光のエネルギーを選択的に物質に作用させた際に物質の運動やエネルギー準位に変調が生じるかを検証することを目的とした。観測手法には回転・振動準位を可視化追跡できるラマン散乱、特に上記の電場増強による界面選択的な表面増強ラマン散乱を用いた。これらの計測によって見込まれる分子選択的な溶媒中の運動の制御、すなわち光トラッピングと局在化した電場分布による化学反応変調の理解といった究極的な分子操作手法の学理解明に挑戦した。
本年度は水溶液系・非水溶液での圧力・温度を変化させることが可能な電気化学測定系に光学系に組み込んだ電気化学in-situ測定系構築した。新たな試みとして有限差分時間領域法による金属表面の電場プロファイルと光学応答について予測・解析し、現象の理解に用いている。これらの実験条件を整えるとともに、光による分子捕捉が発現する際の実効的な捕捉力について、溶媒比較や塩濃度依存性を調べることで鍵となる要素を絞り出した。対象分子にはビピリジンの他、その類縁体を使うほか、アセトニトリルなどの非水溶液を用いることで、金属‐液界面における実効的なプラズモン共鳴と分子の間の相関における支配要因を明確化することに成功した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
今年度の研究においては金属構造による制御に先立って、周囲の溶媒分子や補足ターゲット分子の種類を網羅的に探索することで、捕捉挙動の要因を洗い出すことに成功した。特に溶液中に加えた塩濃度によって実際の分子凝集が促進されることから、光圧下での界面分子の運動が分子間力を介した凝集で変調されうることを見出した。さらに本系の当初の目的である温度効果についても検討し、界面での温度上昇と分子捕捉の間の関係についても理解が深まった。特に有限差分時間領域法による電場増強の予測により、光への応答や局在電場の検証が進んだことは有意義であった。
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| Strategy for Future Research Activity |
現行の金属ナノ構造基板が抱える電位領域の狭さという電気化学的問題や、水素発生による界面観測領域の不鮮明化という分光的問題を解決するために、炭素基盤上へのナノ構造作成や高静水圧での測定系を設計し・稼働させることを予定している。それに伴って、微細ナノ構造の構造制御だけでなく、電位領域での水素・酸素・電解質などの種々の溶質がもたらす電場増強効果への影響を検証する。また、これらの分子の溶媒中での相互作用を把握するために、ラマン散乱分光やIR吸収分光のみならずNMRなどを駆使して行う。これらの溶液中での光による分子捕捉挙動の解明によって究極的な光分子マニピュレーションを目指す。
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