2014 Fiscal Year Annual Research Report
大サイズクラスターを用いた水の余剰電子捕捉機構の赤外分光研究
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26288002
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
藤井 朱鳥 東北大学, 理学(系)研究科(研究院), 准教授 (50218963)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | 水 / 水和電子 / クラスター / 赤外分光 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
水クラスターアニオンは水和電子の微視的モデルであるが、その余剰電子捕捉機構については様々な説があり、未だ意見の一致を見ていない。さらに、水クラスターアニオンの大サイズにおける収斂値が、バルクにおける測定と矛盾することが近年指摘され、大きな水クラスターアニオンの構造を再考する必要が明らかとなった。そこで本研究では、サイズ選別赤外分光法により大きな水クラスターの水素結合構造を探り、サイズによる電子捕捉形態の変化の様子を明らかにすることを企図した。
本年度はまずアニオン生成源の製作に取りかかり、電子イオン化および放電と複数種のジェットノズルの組み合わせをテストし、水クラスターアニオンの効率的な生成に取り組んだ。また、クラスターを冷却するための２連ノズルを設計し、試作中である。
また、水クラスターアニオンの赤外スペクトルを解析するために、表面電子捕捉型アニオンと同じく水の水素結合ネットワークが大きく分極したモデル系としてプロトン付加トリメチルアミン－水クラスターに着目した。その赤外スペクトル測定と理論計算により、分極した水素結合ネットワークが赤外スペクトル上で示す特徴を明らかにし、今年度以降に期待される水クラスターアニオンの赤外スペクトルと比較する準備を整えた。
関連する研究として、水の水素結合ネットワークの温度変化に対する影響を小サイズの水クラスターを対象として調べ、環状のネットワークが温度上昇により緩んでいく過程を観測することが出来た。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
主要装置を配置した実験室のある建物が急遽耐震補強工事を受けることになり、装置を立ち下げ、一時退去することを余儀なくされた。退去先は狭隘であり実験装置が稼働不能であった。更に、東日本大震災の影響による資材・人件費の高騰のため、工事期間が予定から半年も延長され、平成２６年度１０月まで実験を行うことがほとんど出来なかった。工事完了後に装置を搬入し、再立ち上げを行ったが、使用しなかった期間が長期に渡った為、レーザーと質量分析器に多数の故障が同時に発生し、原因究明とその対応に約３ヶ月を要した。事実上の実験開始が１０ヶ月以上遅れることになり、研究の当初計画通りの達成は不可能な状況であった。
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| Strategy for Future Research Activity |
まず水アニオンクラスター源の開発を早急に推し進める。電子付着法や生成条件が多数あり、そのマトリックスの中から最適解を早期に決定する。またこれと平行して、これまでもっぱらカチオン検出に最適化されていた重連型四重極質量分析器のセッティングを変更し、アニオン検出用として最適化を行う。
クラスター源と検出系が完成すれば、赤外分光についてはこれまでに多くの実績を積んでおり、比較的短い時間で測定を進めることが出来ると予想している。主要な対象は電子親和力の上昇により赤外光吸収による直接電子脱離が抑えられる大サイズ領域であり、まず２０－１００分子サイズを測定することを直近の目標とする。
また、大きく分極した水素結合ネットワークを持ち、表面電子捕捉型水クラスターアニオンとの類似性が期待できるプロトン付加トリメチルアミン－水クラスターについて、従来の測定上限サイズ（水２０分子）を上回る大サイズ領域の赤外スペクトルを観測し、水クラスターアニオンとの比較を試みる。
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| Causes of Carryover |
実験室が入居する建物が耐震補強工事を受けることになったが、その工事期間が震災復興による資材・人件費の高騰を受けて突然大幅に延長された。当初予定の工事期間を見込んで装置を立ち下げ、収納してしまったため、延長された工事期間に実験を行うことがほとんど出来なかった。そのため、予算執行に当初計画からの大きな違いが生じた。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
実験計画の根幹をなす四重極質量分析器の制御システムに経年変化で劣化が進み、特に建物工事により半年以上に及ぶ使用不能期間が生じたため、不具合が顕在化した。四重極質量分析装置は本研究の遂行に必要不可欠な装置であるため、次年度使用額のほとんどはこの質量分析器の制御システムの更新に、今年度予算と合算して充てる予定である。
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