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2014 Fiscal Year Research-status Report

低温表面のトンネル反応によるベンゼンの水素原子付加

Research Project

Project/Area Number 26410001
Research InstitutionHokkaido University

Principal Investigator

羽馬 哲也  北海道大学, 低温科学研究所, 助教 (20579172)

Project Period (FY) 2014-04-01 – 2017-03-31
Keywords量子トンネル効果 / アモルファス / 結晶 / ベンゼン / 水素化 / 星間化学
Outline of Annual Research Achievements

ベンゼン(C6H6)は代表的な芳香族炭化水素のひとつであり,星間空間で観測される多環芳香族炭化水素の前駆体として働く分子である.しかしベンゼンの星間空間環境(超高真空・極低温)における化学反応にかんする研究は非常に少ない.
本研究では極低温表面反応実験装置を用いて,固体ベンゼンと水素(H)原子との反応を調べた.超高真空槽に設置した極低温基板(20 K)にベンゼンを蒸着し非晶質(アモルファス)ベンゼンを作製後,120 Kの水素原子を照射した.生成物は反射型赤外吸収分光法でその場分析した.結果として,アモルファスベンゼンにH原子が付加し,シクロヘキサン(C6H12)が生成することがわかった.ベンゼンの水素付加反応には,およそ2000 Kという高い反応障壁があるため,反応は熱活性化過程ではなく量子トンネル効果により進んでいると考えられる.
また,固体有機物は結晶質のものからアモルファスなものまで,さまざまな構造をとることが知られている.しかし,その表面における不均一反応が構造依存性をもつかどうかについてはほとんど調べられてこなかった.ベンゼンは80 K以下の基板に蒸着すればアモルファス,それ以上の温度の基板に蒸着すれば結晶となるため,構造依存性を調べるために理想的である.そこで結晶ベンゼン作製後20 Kにまで冷却し,H原子を照射する実験をおこなったが,アモルファスベンゼンの場合と異なり,反応は進まないことがわかった.本研究で明らかになったアモルファス表面がもつ高い反応性の起源は,配位数が少ない「孤立表面分子」に由来することがわかった.本研究は,宇宙の塵表面に吸着した芳香族炭化水素の化学反応の理解を大きく進めるものである.

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

本研究は,20 Kという極低温の固体ベンゼンに水素原子が付加できることを明らかにできた.この結果は,古典遷移状態理論では説明できないものであり,表面反応に量子トンネル効果が大きく寄与していることを示している.
この結果は極低温環境にある分子雲において,水素原子がベンゼンをはじめとする芳香族炭化水素と付加反応をおこすことを示唆している.また,固体有機物のアモルファス化の程度(孤立表面分子の存在量)が表面での化学反応を支配し得ることを明確に示すことができた.表面反応におけるアモルファス化や孤立分子の重要性は,アモルファスH2O氷や液体の水の界面,セルロース界面の反応でも示唆されており,表面反応一般に成り立つ触媒効果のひとつである可能性が高い.以上より,現在までの達成度を当初の計画以上に進展していると判断した.

Strategy for Future Research Activity

量子トンネル効果ですすむ化学反応の速度は,物質の波動性に依存するため極めて大きな速度論的同位体効果が存在する.そこで重水素(D)原子の照射実験をおこなうことで,固体ベンゼンへ付加反応をおこすかどうか調べ,速度論的同位体効果を調べる.得られた結果から化学反応ポテンシャルに関する情報が手に入る.
また発展的課題として,ベンゼン以外に結晶とアモルファスを作り分けられる固体有機物(一酸化炭素,ホルムアルデヒド,メタノールなど)と水素・重水素原子との反応を調べることで,固体有機物のアモルファス化が及ぼす化学反応への影響について,さらに理解を深める予定である.

  • Research Products

    (19 results)

All 2015 2014 Other

All Journal Article (2 results) (of which Peer Reviewed: 1 results,  Acknowledgement Compliant: 1 results) Presentation (16 results) (of which Invited: 1 results) Remarks (1 results)

  • [Journal Article] 低温アモルファス氷表面における水素原子の拡散-宇宙における分子進化の鍵-2015

    • Author(s)
      羽馬 哲也,香内 晃,渡部 直樹
    • Journal Title

      物理学会誌

      Volume: in press Pages: in press

  • [Journal Article] Quantum Tunneling Hydrogenation of Solid Benzene and Its Control via Surface Structure2014

    • Author(s)
      T. Hama, H. Ueta, A. Kouchi, N. Watanabe, and H. Tachikawa
    • Journal Title

      The Journal of Physical Chemistry Letters

      Volume: 5 Pages: 3843-3848

    • DOI

      DOI: 10.1021/jz5019948

    • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
  • [Presentation] 氷ベーサル面の成長に与える塩化水素ガスの効果2015

    • Author(s)
      長嶋剣,佐﨑元,羽馬哲也,麻川明俊,村田憲一郎,中坪俊一,古川義純
    • Organizer
      日本物理学会第70回年次大会
    • Place of Presentation
      早稲田大学(早稲田キャンパス),新宿区
    • Year and Date
      2015-03-21 – 2015-03-24
  • [Presentation] Deposition of Amorphous Silicate Films for Experiments on Surface Reaction in Molecular Clouds and Protoplanetary Disks2015

    • Author(s)
      A. Tsuchiyama, A. Miyake, T. Hama, S. Tachibana, H. Terasaki, T. Kondo, Y. Adachi, H. Hidaka, N. Watanabe, Y. Kimura, and A. Kouchi
    • Organizer
      46th Lunar and Planetary Science Conference
    • Place of Presentation
      The Woodlands Waterway Marriott and Convention Center, Texas, USA
    • Year and Date
      2015-03-16 – 2015-03-20
  • [Presentation] What Controls the Diffusion Mechanism of Hydrogen Atom on Ice?2015

    • Author(s)
      N. Watanabe, T. Hama, K. Kuwahata, and A. Kouchi
    • Organizer
      Second Workshop on Experimental Laboratory Astrophysics
    • Place of Presentation
      Poipu, Kauai, Hawaii
    • Year and Date
      2015-02-23 – 2015-02-26
    • Invited
  • [Presentation] Controlling Hydrogenation of Solid Benzene by Quantum Tunneling via Surface Structure2015

    • Author(s)
      T. Hama, H. Ueta, A. Kouchi, N. Watanabe, and H. Tachikawa
    • Organizer
      Second Workshop on Experimental Laboratory Astrophysics
    • Place of Presentation
      Poipu, Kauai, Hawaii
    • Year and Date
      2015-02-23 – 2015-02-26
  • [Presentation] 氷ベーサル面の成長に与える塩化水素ガスの効果2014

    • Author(s)
      長嶋剣,佐﨑元,羽馬哲也,麻川明俊,村田憲一郎,中坪俊一,古川義純
    • Organizer
      第44回結晶成長国内会議(NCCG-44)
    • Place of Presentation
      学習院創立百周年記念会館,豊島区
    • Year and Date
      2014-11-06 – 2014-11-08
  • [Presentation] In-situ observation of ices by ultrahigh vacuum transmission electron microscope and atomic force microscope2014

    • Author(s)
      A. Kouchi, H. Hidaka, Y. Kimura, T. Hama, and N. Watanabe
    • Organizer
      Workshop on Interstellar Matter 2014
    • Place of Presentation
      Hokkaido Univ., Sapporo
    • Year and Date
      2014-10-16 – 2014-10-18
  • [Presentation] Photo-induced synthesis of interstellar organic matter: Volatile compounds and texture of organic residues2014

    • Author(s)
      S. Tachibana, T. Hama, Y. Endo, L. Piani, H. Yurimoto, and A. Kouchi
    • Organizer
      Workshop on Interstellar Matter 2014
    • Place of Presentation
      Hokkaido Univ., Sapporo
    • Year and Date
      2014-10-16 – 2014-10-18
  • [Presentation] Hydrogen atom addition reactions to solid benzene by quantum tunneling and its strong structure dependence2014

    • Author(s)
      T. Hama, H. Ueta, A. Kouchi, N. Watanabe, and H. Tachikawa
    • Organizer
      Workshop on Interstellar Matter 2014
    • Place of Presentation
      Hokkaido Univ., Sapporo
    • Year and Date
      2014-10-16 – 2014-10-18
  • [Presentation] Hydrogen addition reactions of simple aliphatic hydrocarbons (C2H2 and C2H4) ~ clue to the formation mechanism of cometary C2H6~2014

    • Author(s)
      H. Kobayashi, N. Watanabe, H. Hidaka, T. Hama, Y. Watanabe, and H. Kawakita
    • Organizer
      Workshop on Interstellar Matter 2014
    • Place of Presentation
      Hokkaido Univ., Sapporo
    • Year and Date
      2014-10-16 – 2014-10-18
  • [Presentation] マトリックス昇華法による真空中での高圧氷の作製 Making high-pressure ices in a vacuum by matrix sublimation method2014

    • Author(s)
      香内 晃, 羽馬 哲也, 木村 勇気, 日高 宏, 渡部 直樹
    • Organizer
      日本鉱物科学会2014年 年会・総会
    • Place of Presentation
      熊本大学黒髪北キャンパス,熊本市
    • Year and Date
      2014-09-17 – 2014-09-19
  • [Presentation] トンネル効果による固体ベンゼンへの水素原子付加 -強い構造依存性と表面・界面化学における意義-2014

    • Author(s)
      羽馬 哲也
    • Organizer
      第3回京化若手サロン
    • Place of Presentation
      京都大学理学研究科セミナーハウス,京都市
    • Year and Date
      2014-08-08
  • [Presentation] Dramatic change in hydrogenation efficiency of solid benzene at low temperature between the crystalline and amorphous surfaces2014

    • Author(s)
      T. Hama, H. Ueta, A. Kouchi, and N. Watanabe
    • Organizer
      第30回化学反応討論会
    • Place of Presentation
      イーグレ姫路, 姫路市
    • Year and Date
      2014-06-04 – 2014-06-06
  • [Presentation] 固体表面におけるC2H2 分子水素付加反応:彗星C2H6 生成の解明に向けて2014

    • Author(s)
      小林仁美, 渡部直樹, 日高宏, 羽馬哲也, 渡邊陽司, 河北秀世
    • Organizer
      日本地球惑星科学連合2014年大会
    • Place of Presentation
      パシフィコ横浜, 横浜市
    • Year and Date
      2014-04-28 – 2014-05-02
  • [Presentation] 模擬氷星間塵への真空紫外光照射による有機分子生成実験 Experimental approach to the formation of organic molecules following vacuum-ultraviolet irradiation of interstellar ice2014

    • Author(s)
      羽馬 哲也, 橘 省吾, ローレット ピアニ, 遠藤 由希子, 藤田 和之, 中坪 俊一, 福士 博樹, 森 章一, 千貝 健, 香内 晃
    • Organizer
      日本地球惑星科学連合2014年大会
    • Place of Presentation
      パシフィコ横浜, 横浜市
    • Year and Date
      2014-04-28 – 2014-05-02
  • [Presentation] Cyclohexane formation following Hydrogenation of amorphous solid benzene at 20 K2014

    • Author(s)
      T. Hama, H. Ueta, A. Kouchi, and N. Watanabe
    • Organizer
      Faraday Discussion 168 Astrochemistry of Dust, Ice and Gas
    • Place of Presentation
      NH Conference Centre, Leiden, The Netherlands
    • Year and Date
      2014-04-07 – 2014-04-09
  • [Presentation] Hydrogen addition reactions of C2H2 on cold grains; clue to the formation mechanism of cometary C2H62014

    • Author(s)
      H. Kobayashi, N. Watanabe, H. Hidaka, T. Hama, Y. Watanabe, and H. Kawakita
    • Organizer
      Faraday Discussion 168 Astrochemistry of Dust, Ice and Gas
    • Place of Presentation
      NH Conference Centre, Leiden, The Netherlands
    • Year and Date
      2014-04-07 – 2014-04-09
  • [Remarks] 北海道大学低温科学研究所 宇宙物質科学・宇宙雪氷学グループ

    • URL

      http://www.lowtem.hokudai.ac.jp/astro/index.html

URL: 

Published: 2016-05-27  

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