中性子とX線を相補的に利用した電子密度可視化法の有機光機能性結晶研究への展開

• 研究課題/領域番号: 16K05028
• 研究種目: 基盤研究(C)
• 配分区分: 基金
• 応募区分: 一般
• 研究分野: 量子ビーム科学
• 研究機関: 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構
• 研究代表者: 大原 高志 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構, 原子力科学研究部門 J－PARCセンター, 研究主幹 (60391249)
• 研究期間 (年度): 2016-04-01 – 2020-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2019年度)
• 配分額: 4,680千円 (直接経費: 3,600千円、間接経費: 1,080千円); 2018年度: 910千円 (直接経費: 700千円、間接経費: 210千円); 2017年度: 2,340千円 (直接経費: 1,800千円、間接経費: 540千円); 2016年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円)
• キーワード: 量子ビーム測定手法 / 有機光機能性結晶 / J-PARC / 単結晶中性子回折 / X-N解析法 / 価電子密度解析 / 量子ビーム科学 / 構造・機能材料 / 量子ビーム / Ｊ－ＰＡＲC

研究成果の概要

本研究では、中性子およびX線回折法を相補的に用いた「X-N解析法」による有機結晶の電子密度可視化をJ-PARCのTOF単結晶中性子回折計SENJUを用いて実現した。また、実際の光機能性有機結晶である2-(2'-hydroxyphenyl)benzimidazoleの2種類の多形についてX線および中性子構造解析に量子化学計算、分光測定を組み合わせた分析を行うことで、結晶中の分子間および分子内水素結合の協奏的な働きによって多形間の蛍光挙動に違いが生じることを明らかにした。

研究成果の学術的意義や社会的意義

本研究では補正用データの測定法を改良することで、TOF単結晶中性子回折計であるSENJUで得られる回折データが有機結晶のX-N構造解析に十分使えることを実証することができた。これは、実際の機能性有機結晶の研究に対し、原子核の観察だけでなく電子密度の観察という価値を単結晶中性子回折法に付加したものである。また、一連の光機能性結晶の研究は、今後光機能性を高めた誘導体結晶をを開発するうえで重要な知見と言える。

研究成果

• [雑誌論文] Crystal Structure and Cation Distribution of the X-type Hexaferrite Sr2Co2Fe28O46 (2020)
  • 著者名/発表者名: M. Komabuchi, D. Urushihara, T. Asaka, K. Fukuda, T. Ohhara, K. Munakata and Y. Ishikawa
  • 雑誌名: J. Phys. Soc. Jpn. 巻: 89 号: 3 ページ: 034601-034601
  • DOI: 10.7566/jpsj.89.034601
  • NAID: 40022185692
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Multi-Step Magnetic Transitions in EuNiIn4 (2020)
  • 著者名/発表者名: S. Ikeda, K. kneko, Y. Tanaka, T. Kawasaki, T. Hanashima, K. Munakata, A. Nakao, R. Kiyanagi, T. Ohhara, K. Mochizuki, A. Kondo, K. Kindo, Y. Homma, M. D. Frontzek, H. Kobayashi
  • 雑誌名: J. Phys. Soc. Jpn. 巻: 89 号: 1 ページ: 014707-014707
  • DOI: 10.7566/jpsj.89.014707
  • NAID: 210000157872
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] muSR and Neutron Scattering Studied on Possible Partially-Disordered Magnetic State Coexisting with Heavy Quasiparticles in SmPt2Si2 (2020)
  • 著者名/発表者名: Naoki Nakamura, Ryuji Higashinaka, Kengo Fushiya, Ryo Tsubota, Takashi U. Ito, Wataru Higemoto, Akiko Nakao, Ryoji Kiyanagi, Takashi Ohhara, Koji Kaneko, Tatsuma D. Matsuda, and Yuji Aoki
  • 雑誌名: J. Phys. Soc. Cof. 巻: 29 ページ: 12009-12009
  • DOI: 10.7566/jpscp.29.012009
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Successive Phase Transitions in R3Ir4Sn13 (R: La and Ce) Investigated Using Neutron and X-ray Diffraction (2020)
  • 著者名/発表者名: Nakazato Seiya、Iwasa Kazuaki、Hashimoto Daisuke、Shiozawa Mami、Kuwahara Keitaro、Nakao Hironori、Sagayama Hajime、Ishikado Motoyuki、Ohhara Takashi、Nakao Akiko、Munakata Koji、Kiyanagi Ryoji
  • 雑誌名: JPS Conf. Proc. 巻: 30 ページ: 011128-011128
  • DOI: 10.7566/jpscp.30.011128
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] 分子性結晶における物性・反応の解析への中性子回折の活用 (2019)
  • 著者名/発表者名: OHHARA Takashi
  • 雑誌名: 日本結晶学会誌 巻: 61 号: 3 ページ: 153-154
  • DOI: 10.5940/jcrsj.61.153
  • NAID: 130007698394
  • ISSN: 0369-4585, 1884-5576
  • 年月日: 2019-08-31
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Magnetic, thermal, and neutron diffraction studies of a coordination polymer: bis(glycolato)cobalt(ii) (2019)
  • 著者名/発表者名: Nakane Tomohiro、Yoneyama Shota、Kodama Takeshi、Kikuchi Koichi、Nakao Akiko、Ohhara Takashi、Higashinaka Ryuji、Matsuda Tatsuma D.、Aoki Yuji、Fujita Wataru
  • 雑誌名: Dalton Transactions 巻: 48 号: 1 ページ: 333-338
  • DOI: 10.1039/c8dt04358b
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Unique Helical Magnetic Order and Field-Induced Phase in Trillium Lattice Antiferromagnet EuPtSi (2019)
  • 著者名/発表者名: Kaneko Koji、Frontzek Matthias D.、Matsuda Masaaki、Nakao Akiko、Munakata Koji、Ohhara Takashi、Kakihana Masashi、Haga Yoshinori、Hedo Masato、Nakama Takao、Onuki Yoshichika
  • 雑誌名: Journal of the Physical Society of Japan 巻: 88 号: 1 ページ: 013702-013702
  • DOI: 10.7566/jpsj.88.013702
  • NAID: 40021772136
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] High oxide-ion conductivity by the overbonded channel oxygens in Si-deficient La9.565(Si5.826□0.174)O26 apatite without interstitial oxygens (2018)
  • 著者名/発表者名: Kotaro Fujii, Masatomo Yashima, Keisuke Hibino, Masahiro Shiraiwa, Koichiro Fukuda, Susumu Nakayama, Nobuo Ishizawa, Takayasu Hanashima, Takashi Ohhara
  • 雑誌名: J. Mater. Chem. A 巻: 印刷中 号: 23 ページ: 10835-10846
  • DOI: 10.1039/c8ta02237b
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Structure Analysis and Derivation of Deformed Electron Density Distribution of Polydiacetylene Giant Single Crystal by the Combination of X-ray and Neutron Diffraction Data (2018)
  • 著者名/発表者名: Tashiro Kohji、Kusaka Katsuhiro、Hosoya Takaaki、Ohhara Takashi、Hanesaka Makoto、Yoshizawa Yoshinori、Yamamoto Hiroko、Niimura Nobuo、Tanaka Ichiro、Kurihara Kazuo、Kuroki Ryota、Tamada Taro
  • 雑誌名: Macromolecules 巻: 51 号: 11 ページ: 3911-3922
  • DOI: 10.1021/acs.macromol.8b00650
  • 査読あり
• [雑誌論文] Status of the neutron time-of-flight single-crystal diffraction data-processing software STARGazer (2018)
  • 著者名/発表者名: Yano Naomine、Yamada Taro、Hosoya Takaaki、Ohhara Takashi、Tanaka Ichiro、Niimura Nobuo、Kusaka Katsuhiro
  • 雑誌名: Acta Crystallographica Section D Structural Biology 巻: 74 号: 11 ページ: 1041-1052
  • DOI: 10.1107/s2059798318012081
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Magnetic-Ordering Propagation Vectors of Terbium Hexaboride Revisited (2018)
  • 著者名/発表者名: Iwasa Kazuaki、Iga Fumitoshi、Moyoshi Taketo、Nakao Akiko、Ohhara Takashi
  • 雑誌名: Journal of the Physical Society of Japan 巻: 87 号: 6 ページ: 064705-064705
  • DOI: 10.7566/jpsj.87.064705
  • NAID: 210000134869
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Mn2VAl Heusler alloy thin films: appearance of antiferromagnetism and exchange bias in a layered structure with Fe (2018)
  • 著者名/発表者名: Tsuchiya Tomoki、Kobayashi Ryota、Kubota Takahide、Saito Kotaro、Ono Kanta、Ohhara Takashi、Nakao Akiko、Takanashi Koki
  • 雑誌名: Journal of Physics D: Applied Physics 巻: 51 号: 6 ページ: 065001-065001
  • DOI: 10.1088/1361-6463/aaa41a
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Neutron-scattering study of yttrium iron garnet (2018)
  • 著者名/発表者名: S. Shamoto, T. U. Ito, H. Onishi, H. Yamauchi, Y. Inamura, M. Matsuura, M. Akatsu, K. Kodama, A. Nakao, T. Moyoshi, K. Munakata,T. Ohhara, M. Nakamura, S. Ohira-Kawamura, Y. Nemoto, and K. Shibata
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 97 号: 5 ページ: 1-9
  • DOI: 10.1103/physrevb.97.054429
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Non-aqueous selective synthesis of orthosilicic acid and its oligomers (2017)
  • 著者名/発表者名: Igarashi Masayasu、Matsumoto Tomohiro、Yagihashi Fujio、Yamashita Hiroshi、Ohhara Takashi、Hanashima Takayasu、Nakao Akiko、Moyoshi Taketo、Sato Kazuhiko、Shimada Shigeru
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 8 号: 1
  • DOI: 10.1038/s41467-017-00168-5
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Quantum twin spectra in nanocrystalline silicon (2017)
  • 著者名/発表者名: Matsumoto Takahiro、Ohhara Takashi、Sugimoto Hidehiko、Bennington Stephen M.、Ikeda Susumu
  • 雑誌名: Physical Review Materials 巻: 1 号: 5
  • DOI: 10.1103/physrevmaterials.1.051601
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Encapsulating Mobile Proton Carriers into Structural Defects in Coordination Polymer Crystals: High Anhydrous Proton Conduction and Fuel Cell Application (2016)
  • 著者名/発表者名: Munehiro Inukai, Satoshi Horike, Tomoya Itakura, Ryota Shinozaki, Naoki Ogiwara, Daiki Umeyama, Sanjog Nagarkar, Yusuke Nishiyama, Michal Malon, Akari Hayashi, Takashi Ohhara, Ryoji Kiyanagi, Susumu Kitagawa
  • 雑誌名: J. Am. Chem. Soc. 巻: 138 号: 27 ページ: 8505-8511
  • DOI: 10.1021/jacs.6b03625
  • 査読あり
• [雑誌論文] Molecular Gyrotops with a Five-Membered Heteroaromatic Ring: Synthesis, Temperature-Dependent Orientation of Dipolar Rotors inside the Crystal, and its Birefringence Change (2016)
  • 著者名/発表者名: T. Masuda, J. Arase, Y. Inagaki, M. Kawahata, K. Yamaguchi, T. Ohhara, A. Nakao, H. Momma, E. Kwon, W. Setaka
  • 雑誌名: Cryst. Growth Des. 巻: 16 号: 8 ページ: 4392-4401
  • DOI: 10.1021/acs.cgd.6b00508
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Magnetic structure of divalent europium compound EuGa4 studied by single crystal time-of-flight neutron diffraction (2016)
  • 著者名/発表者名: T. Kawasaki, K. Kaneko, A. Nakamura, N. Aso, M. Hedo, T. Nakama, T. Ohhara, R. Kiyanagi, K. Oikawa, I. Tamura, A. Nakao, K. Munakata, T. Hanashima and Y. Onuki
  • 雑誌名: J. Phys. Soc. Jpn. 巻: 85 号: 11 ページ: 114711-114715
  • DOI: 10.7566/jpsj.85.114711
  • NAID: 210000134159
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] 結晶構造解析におけるMLFと3号炉の相補的利用を考える (2020)
  • 著者名/発表者名: 大原高志
  • 学会等名: 量子ビームサイエンスフェスタ2019
  • 招待講演
• [学会発表] The latest status of a TOF single crystal neutron diffractometer SENJU at J-PARC (2019)
  • 著者名/発表者名: Takashi Ohhara, Ryoji Kiyanagi, Akiko Nakao, Koji Munakata, Yoshihisa Ishikawa, Kentaro Moriyama, Itaru Tamura and Koji Kaneko
  • 学会等名: The 3rd J-PARC Symposium (J-PARC2019)
  • 国際学会
• [学会発表] The latest status of a TOF single crystal neutron diffractometer SENJU at J-PARC (2019)
  • 著者名/発表者名: Takashi Ohhara, Ryoji Kiyanagi, Akiko Nakao, Koji Munakata, Yoshihisa Ishikawa, Kentaro Moriyama, Itaru Tamura and Koji Kaneko
  • 学会等名: 16th Conference of the Asian Crystallographic Association
  • 国際学会
• [学会発表] MLFの単結晶回折計SENJUによる中性子構造解析 (2019)
  • 著者名/発表者名: 大原高志
  • 学会等名: 日本セラミックス協会2019年年会サテライトプログラム 第1回新材料の開発を目指した構造科学研究会
  • 招待講演
• [学会発表] Temperature-induced intramolecular proton transfer in a novel polymorph of 2-(2'-hydroxyphenyl)benzimidazole crystal (2018)
  • 著者名/発表者名: Takashi Ohhara
  • 学会等名: Asian Crystallographic Association Conference 2018
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Latest status of a TOF single crystal neutron diffractometer SENJU at J-PARC (2017)
  • 著者名/発表者名: Takashi Ohhara
  • 学会等名: 1st European Neutron Diffraction Single-Crystal Workshop
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Single Crystal Neutron Diffraction Study of a Crystalline-State Photoisomerization in a 3-Cyanopropyl Cobaloxime Complex (2017)
  • 著者名/発表者名: Takashi Ohhara, Ryoji Kiyanagi, Kenichi Oikawa, Takuro Kawasaki, Koji Kaneko, Itaru Tamura, Akiko Nakao, Takayasu Hanashima, Koji Munakata
  • 学会等名: International Conference on Neutron Scattering 2017
  • 国際学会
• [学会発表] Temperature-dependence of the crystal structure of 2-(2’-hydroxyphenyl)benzimidazole studied by single-crystal neutron diffraction (2017)
  • 著者名/発表者名: Takashi Ohhara, Ryoji Kiyanagi, Akiko Nakao, Koji Munakata, Taketo Moyoshi, Takayasu Hanashima and Takaaki Hosoya
  • 学会等名: 24th Congress and General Assembly of the International Union of Crystallography
  • 国際学会
• [学会発表] Deuteration in Crystal Chemistry (2017)
  • 著者名/発表者名: Takashi Ohhara
  • 学会等名: International Workshop: Deuterated Materials Enhancing Neutron Science for Structure Function Applications
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] TOF単結晶中性子回折計SENJUの最新状況 (2016)
  • 著者名/発表者名: 大原高志、鬼柳亮嗣、中尾朗子、宗像孝司、茂吉武人、森山健太郎
  • 学会等名: 日本中性子科学会第16回年会
  • 発表場所: 名古屋大学(愛知県名古屋市)
  • 年月日: 2016-12-04
• [学会発表] Recent advances of a single crystal neutron diffractometer SENJU at J-PARC (2016)
  • 著者名/発表者名: T. Ohhara, R. Kiyanagi, A. Nakao, K. Munakata, T. Moyoshi, K. Moriyama, T. Hanashima, T. Kuroda
  • 学会等名: 14th Conference of the Asian Crystallographic Association
  • 発表場所: ハノイ工科大学(Hanoi, Vietnam)
  • 年月日: 2016-12-04
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Neutron structure analysis at J-PARC (2016)
  • 著者名/発表者名: Takashi Ohhara
  • 学会等名: 第66回錯体化学討論会
  • 発表場所: 福岡大学(福岡県福岡市)
  • 年月日: 2016-09-10
  • 招待講演
• [学会発表] Single crystal neutron diffraction experiment at J-PARC (2016)
  • 著者名/発表者名: Takashi Ohhara
  • 学会等名: Workshop on Advanced Structural Study
  • 発表場所: 筑波大学(茨城県つくば市)
  • 国際学会 / 招待講演
• [備考] J-PARC MLF BL18 SENJU
  • URL: https://www.youtube.com/watch?v=yIUHqm2bl1M
• [備考] 200年にわたる謎に終止符、ガラスの基本単位の構造を決定
  • URL: http://www.j-parc.jp/ja/topics/2017/Press170727.html