2023 Fiscal Year Annual Research Report
X線自由電子レーザーの特性を生かしたフェムト秒構造化学の開拓
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21K18944
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| Research Institution | Japan Synchrotron Radiation Research Institute |
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Principal Investigator |
片山 哲夫 公益財団法人高輝度光科学研究センター, XFEL利用研究推進室, 主幹研究員 (90648073)
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| Project Period (FY) |
2021-07-09 – 2024-03-31
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| Keywords | 核波束 / X線溶液散乱 / X線発光分光 / X線自由電子レーザー / 分子動画 / 溶媒和 / ダイナミクス / 光反応 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の目的は、X線自由電子レーザーの特性を生かして溶液中のポリピリジン銅（I）錯体分子（[Cu(dmphen)2]+, dmphen = 2,9-dimethyl-1,10-phenanthroline）の光誘起擬ヤーン・テラー構造変化を原子分解能で直接観測し、ポテンシャルエネルギー面上で分子が移動しながら緩和していく軌跡を実験的にマッピングすることである。これにより、従来の紫外、赤外領域のレーザー光では不可能なフェムト秒構造化学を開拓することができる。
昨年度までに錯体の構造変化とその周囲を覆う第一配位圏の溶媒分子（アセトニトリル）の構造変化を定量的に見積もることに成功した。溶媒分子と溶質分子がお互いに影響し合いながら反応が進行すること自体は化学反応論の基礎といえるが、その一方で溶質分子内の構造変化と溶質－溶媒の分子間の構造変化（溶媒和ダイナミクス）が反応の進行過程でどのように関連しているかをサブオングストロームの空間分解能で捉える研究は世界的に見ても極めて例が少ない。本研究の成果は逆格子空間に投影された系の構造変化を直接観測するX線散乱を適用することによって初めて達成できたものであり、従来のフェムト秒化学からフェムト秒構造化学へと発展するための端緒となることが期待される。
今年度は上記の成果を基にフェムト秒構造化学の汎用性を広げるための新たな（主に有機物）系の探索、および（溶質分子と溶媒和の構造変化に伴う）時間分解X線散乱の信号強度の見積を行った。その結果、いくつかの熱活性化遅延蛍光を示す分子群において現在の時間分解X線散乱実験の信号雑音比で計測可能と判断できる系を発見した。これまで時間分解X線散乱は主に重元素を含む系が対象だったが、その限界を超えて有機物の光化学へと本手法を展開するための手がかりとしたい。
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