酸素同位体の水を用いたメガヘルツから中赤外領域におけるスペクトルの完全測定

2014 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 26410015
• Research Institution: Kobe University
• Principal Investigator: 富永 圭介 神戸大学, 分子フォトサイエンス研究センター, 教授 (30202203)
• Project Period (FY): 2014-04-01 – 2017-03-31
• Keywords: 複素誘電率 / 誘電緩和 / 分子間振動 / デバイ緩和 / 水素結合 / H2(18O) / 水 / テラヘルツ

Outline of Annual Research Achievements

本年度は、3種類の水の同位体（H2O, D2O, H2(18O)）について、常温での広帯域測定を行った。20 HMzから20 GHzまではネットワークアナライザを用いた測定、30 GHzから400 GHzはスパイラル型光伝導スイッチを用いた時間領域分光（TDS）システム、7 cm-1 (200 GHz)から100 cm-1がダイポール型光伝導スイッチを用いたTDSシステム、100 cm-1から600 cm-1が検出器としてDTGSを用いたFTIR、500 cm-1から4000 cm-1が通常のFTIRを用いた。特にサブテラヘルツ(THz)測定システムでは、現在の仕様では30 GHzが測定下限周波数であることがわかった。MHzからTHzに及ぶ周波数領域について複素誘電率スペクトルについてモデル関数を用いて解析を行った。すなわち、MHzからギガヘルツ(GHz)帯には遅いデバイ緩和が、THz帯には速いデバイ緩和が、それより高波数側に水素結合分子間伸縮振動が存在し、それを減衰振動成分として解析し、実験値を良く再現することがわかった。特に、H2(18O)についてはこのようなデータが存在しておらず、データベースとして貴重な情報である。遅い緩和時間は粘度に依存することが知られているが、H2(18O)のそれはH2Oのそれより5%遅く、これは報告されている粘度の違いと一致する。温度変化については、THz帯での温度変化の測定を行った。サブTHzおよび遠赤外領域の温度可変セルについては、分子科学研究所の装置開発室と相談し、製作依頼を行った。MHzからGHz帯については既存の恒温槽を用いて温度変化の測定を実施する。H2Oについて分子動力学シミレーションを実施し、ある瞬間の分子配置を抜き取り、それに対して基準振動解析を行い、振動数分布を得た。これを異なる時間において行い、振動数変化の様子を調べた。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

3種類の水の同位体について広帯域分光を行うことができた。モデル関数による解析の結果、当初、来年度予定していた分子動力学計算と瞬間的基準振動解析を実施することができた。一方、サブテラヘルツおよび遠赤外領域の温度可変セルについては分子科学研究所の装置開発室と相談して製作を進めている。ギガヘルツおよびメガヘルツの誘電緩和測定については恒温槽を用いて試料全体を冷却、加熱することにより温度可変の測定を行うこととした。

Strategy for Future Research Activity

水のメガヘルツからテラヘルツに及ぶ広帯域複素誘電率スペクトルを理論モデル関数で解析する際、200 cm-1付近に存在する水素結合による分子間伸縮振動を考慮に入れる必要があるが、それよりも高波数に存在するライブレーションのスペクトルも精密に解析する必要があることがわかった。そのため、測定帯域をさらに高波数側に拡大する必要があるが、当研究室で用いている光ポンプ－テラヘルツプローブ分光用のテラヘルツプローブ光が350 cm－1までの広帯域であるため、今後、このテラヘルツ光も用いることとする。

Causes of Carryover

測定セルの温度可変装置について、当初、ペルチェ素子を考えていたが、分子科学研究所の装置開発室と相談し、むしろ冷媒を流す方法のほうがよいのではという結論になり、まずは冷媒を流す方法で温度可変測定を実施する。

Expenditure Plan for Carryover Budget

昨年度、設計した温度可変装置が分子科学研究所の装置開発室が製作する予定であり、それを用いてまずは温度可変の実験を行ってみる。もし、ペルチェ素子を使ったほうがよいという結論に至れば、ペルチェ素子を購入しそれを用いた温度可変装置を使用する。もし、冷媒を使って十分行えるようであれば、冷媒の購入等を行う。